Fizyka dla liceum/Promieniotwórczość naturalna

Historia

Pierwiastki promieniotwórcze – pierwiastki chemiczne ulegające samorzutnym rozpadom promieniotwórczym w wyniku niekorzystnej liczby neutronów względem liczby protonów w ich jądrach atomowych

Cechy promieniowania wysyłanego przez pierwiastki radioaktywne

1. Zaczernia klisze fotograficzne (zawinięte w gruby czarny papier i przechowywane w ciemnym pomieszczeniu), przenika przez niezbyt grube warstwy różnych materiałów i cienkie warstwy metali.
2. Wywołuje przemiany chemiczne - pod wpływem tego promieniowania tlen zamienia się w ozon, a woda, chlorowodór, $AgBr_{2}$ (w emulsjii fotograficznej) ulegają rozpadowi.
3. Wywołuje fluorescencję niektórych substancji (luminoforów) np.: siarczku cynku.
4. Pierwiastki promieniotwórcze w sposób ciągły wydzielają ciepło, w stanie czystym świecą w ciemności.

Cząstki α

Promieniowanie α zostało odkryte w trakcie badań nad promieniotwórczością naturalną. Okazało się, że ten rodzaj promieniowania to strumień cząstek, które nazwano właśnie cząstkami α. Nazwa ta była stosowana od końca XIX wieku, początkowo nie znano jednak natury cząstek α. Na początku XX wieku ustalono, że są one identyczne co do struktury i właściwości z jądrami naturalnego helu i składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów, związanych razem oddziaływaniem silnym (jądrowym).

Układ dwóch protonów i dwóch neutronów (cząstka α) jest wyjątkowo stabilny, cechuje go szczególnie duży deficyt masy. W związku z tym w jądrach ciężkich pierwiastków naturalnie promieniotwórczych lub w jądrach sztucznie wzbudzonych do promieniotwórczości, nukleony agregują w takie właśnie większe bloki, które następnie odłączają się od jądra i są z niego wyrzucane na zewnątrz.

Cząstki α oddziaływują z polem elektrycznym (są przyciągane do elektrody ujemnej) i magnetycznym (odchylają się w kierunku prostopadłym do linii pola magnetycznego i kierunku ruchu).

Cząstki α są, w porównaniu z innymi cząstkami emitowanymi w procesach promieniotwórczych, obdarzone dużą masą. Są również naładowane elektrycznie ładunkiem dodatnim o wartości podwójnego ładunku elektronu. W związku z tym bardzo chętnie oddziałują z materią (jonizują atomy i cząsteczki), a ich zasięg jest bardzo ograniczony, w powietrzu sięga kilku centymetrów, w ciałach stałych i cieczach jest rzędu ułamków milimetra.

Pochłanianie cząstek α przez materię polega na wychwytywaniu przez nie elektronów i tworzeniu obojętnych atomów helu, po wcześniejszym ich spowolnieniu w wyniku zderzeń. Tak spowolnione cząstki α są głównym źródłem naturalnego helu, obecnego w minerałach zgromadzonych w pobliżu złóż materiałów promieniotwórczych.

Cząstki α można uzyskać również jonizując hel (pozbawiając go elektronów). Tak uzyskane cząstki mogą być następnie przyspieszane w polu elektrycznym aż do uzyskania wielkich (podświetlnych) prędkości, a co za tym idzie - wielkiej energii. Wysokoenergetyczne cząstki α są wykorzystywane jako "pociski", które trafiając w jądra pierwiastków (tarcze) inicjują przemiany jądrowe w eksperymentach fizycznych. W wyniku podobnych eksperymentów uzyskano niektóre pierwiastki o liczbie atomowej wyższej od najcięższego, naturalnego pierwiastka - uranu, tak zwane transuranowce. Tą drogą uzyskano również informacje o strukturze jąder atomowych i innych cząstkach elementarnych (np. mezonach).

Cząstki β^-

Nazwa "cząstki β" ma pochodzenie historyczne. Nazwano tak pod koniec XIX wieku jeden z rodzajów naturalnego promieniowania, zanim jeszcze poznano budowę atomu.

W istocie cząstki β są to elektrony, identyczne co do właściwości i natury z tymi znajdującymi się na orbitalach wokół jąder atomów. W naturalnych przemianach jądrowych powstają jako efekt rozpadu neutronu na proton, antyneutrino elektronowe i właśnie elektron. W wyniku takiej przemiany liczba masowa jądra nie ulega zmianie, a liczba atomowa podnosi się o jeden.

Po odkryciu w 1932 roku przez Carla Andersona pozytonu, cząstki podobnej do elektronu, lecz o przeciwnym znaku, i przemian jądrowych z jej udziałem, zaczęto różnicować cząstki β na znane wcześniej elektrony (cząstki β^-) i nowe pozytony (określane jako cząstki β⁺).

Cząstki β emitowane przez dany izotop promieniotwórczy nie mają jednakowej energii, ponieważ energia rozpadu dzielona jest pomiędzy trzy produkty w sposób losowy (energia całkowita wyzwalana przy takim rozpadzie jest jednak określona i charakterystyczna dla danego izotopu).

Jako elektrony, cząstki β obdarzone są ładunkiem elektrycznym, w związku z tym ulegają odchyleniu w polu elektrycznym (przyciągane do elektrody o przeciwnym znaku) i magnetycznym (wskutek działania siły elektrodynamicznej, w kierunku prostopadłym do pola magnetycznego i toru ruchu).

Cząstki β chętnie oddziałują z materią. Mogą być wyłapywane jako swobodne elektrony przez atomy i cząsteczki. Mogą również przenikać do jąder atomów, inicjując przemianę jądrową odwrotną do rozpadu β. W związku z tym, przenikliwość promieniowania β nie jest wysoka, zasięg w powietrzu jest rzędu kilku - kilkudziesięciu centymetrów..

Promieniowanie γ

Promieniowanie γ jest najbardziej przenikliwym rodzajem naturalnego promieniowania jądrowego. Ze swej natury jest to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, powszechnego w otaczającym nas świecie z powodów naturalnych (jak światło) lub sztucznie wygenerowanych (jak fale radiowe, radarowe...). Istotna różnica między promieniowaniem γ a innymi rodzajami promieniowania elektromagnetycznego tkwi w jego energii. Promieniowanie γ ma energię biliony razy wyższą niż fale radiowe! Przy tak wysokich energiach, promieniowanie zachowuje się bardziej jak cząstka niż fala. Tak więc promieniowanie γ, rzec można, składa się z wysokoenergetycznych fotonów - kwantów γ.

Fotony o tak wysokich energiach powstają tylko w wyniku przemian jądrowych. Innymi sposobami można otrzymać tylko promieniowanie o nieco niższej energii - promieniowanie rentgenowskie (zwane też promieniowaniem X). Czasem jest ono również zaliczane do promieniowania γ, choć często rozróżnia się je ze względów historycznych i na źródło pochodzenia (promienie X można względnie łatwo uzyskać w lampach rentgenowskich, wyżej energetyczne, "twarde" promieniowanie - tylko w przemianach jądrowych).

Kwanty γ nie mają ładunku elektrycznego. Nie mają również masy spoczynkowej, co oznacza, że istnieją tylko w ruchu. Ruch ten odbywa się zawsze z prędkością światła, podobnie jak wszystkich innych rodzajów fal elektromagnetycznych. Jako neutralne elektrycznie, bez masy spoczynkowej, ale o wielkiej energii, kwanty γ są niezwykle przenikliwe. Bez trudu przenikają przez ciała stałe, nawet o grubości liczonej w metrach. Promieniowanie wytraca swą energię wskutek oddziaływania z materią, tym szybciej, im gęstsza jest materia. W związku z tym do osłony przed promieniowaniem γ wykorzystuje się pancerze z ciężkich metali, np. z ołowiu.

Przemiany jądrowe, w wyniku których powstaje promieniowanie γ, to takie zdarzenia, w wyniku których niestabilne jądro atomu traci część energii osiągając stan wyższej stabilności (niższego pobudzenia), a energia "wypływa" na zewnątrz jądra w postaci właśnie kwantów γ, czasem z towarzyszeniem innych cząstek (α, β lub innych, tu nie omawianych). Źródłem promieniowania γ mogą być również procesy anihilacji - znikania materii w jej kontakcie z antymaterią (np. elektronu z jego "antymaterialnym" odpowiednikiem - pozytonem). W efekcie znika zarówno materia, jak i antymateria, a pozostaje tylko czysta postać energii - promieniowanie elektromagnetyczne γ.

Część naturalnego promieniowania γ pochodzi z kosmosu, gdzie zachodzą zarówno procesy jądrowe, jak i inne (jak właśnie anihilacja materii lub ruch obiektów kosmicznych w wielkich przyspieszeniach, np. w pobliżu czarnych dziur). Promieniowanie γ pochodzące z kosmosu jest nazywane promieniowaniem kosmicznym (choć istnieją również inne rodzaje promieniowania kosmicznego).

Tak jak kwant γ może powstać w wynika anihilacji materii przy zniknięciu układu cząstka-antycząstka, tak w pewnych okolicznościach energia kwantu γ może przekształcić się w dwie cząstki: jedną materii, drugą antymaterii. Oczywiście, cząstki te najczęściej natychmiast znów, po połączeniu się, znikną i zamienią na powrót w kwant γ. Takie cząstki, istniejące przez niemierzalnie krótki czas, nazywa się cząstkami wirtualnymi. Zdarza się, że jakiś czynnik, np. pole elektryczne rozdzieli cząstki wirtualne, zanim zdążą znów zanihilować. Następuje wówczas kreacja pary cząstka-antycząstka. Według niektórych teorii kosmologicznych, w ten sposób powstała właśnie materia Wszechświata (jak dotąd bez jasnej odpowiedzi powstaje pytanie, gdzie podziała się wobec tego antymateria i czy nie powinien gdzieś istnieć AntyWszechświat).

Promieniowanie γ (podobnie jak α i β) ma charakter jonizujący, co oznacza, że może wyrywać elektrony z orbitali atomowych i molekularnych. W efekcie zasadniczo zmienia się rodzaj oddziaływań chemicznych tak zjonizowanej materii, rozpadają się jedne cząsteczki, powstają inne, które bez tego nie mogłyby zaistnieć. Jest to mechanizm, który stanowi o szkodliwości promieniowania γ dla organizmów żywych (w tym człowieka), zwłaszcza zważywszy na jego przenikliwość, czyli możliwość wnikania w głąb organizmu.