Dlaczego niektóre izotopy emitują promieniowanie? Kto jako pierwszy zaobserwował to zjawisko?

15 grudnia 1852 roku w stolicy Francji, w rodzinie fizyków, na świat przyszedł Henri Becquerel - laureat nagrody Nobla z roku 1903 za odkrycie zjawiska promieniotwórczości. Bequerel był chemikiem i fizykiem, a u podstaw jego badań leżały takie zjawiska jak: fluorescencja, fosforescencja, a także magnetyzm i polaryzacja światła. W badaniach związanych ze zjawiskiem fosforescencji, naukowiec wykorzystał siarczan uranylowo-potasowy. Na kliszy fotograficznej umieścił grudki tej soli, następnie kliszę wraz z solą owinął grubym, czarnym, nieprzepuszczalnym dla światła papierem. Przygotowaną w ten sposób próbkę wystawił na działanie światła słonecznego i obserwował fosforescencję - czyli emisję promieniowania świetlnego. Doświadczenie powtarzał wielokrotnie.

Pewnego razu, z powodu pochmurnego dnia, kliszę fotograficzną wraz z próbką soli uranu, owiniętą jak zawsze grubym czarnym nieprzepuszczalnym światła papierem, schował do ciemnej szuflady, aby zapobiec niekontrolowanemu naświetleniu. Po kilku dniach wywołał kliszę i zauważył, że jest silnie zaczerniona.

Jak sądzisz, jaka mogła być tego przyczyna?

Becquerel wywnioskował, że to sól wyemitowała promieniowanie, mimo iż nie była wystawiona na promieniowanie świetlne, a tym samym nie została pobudzona do fosforescencji. Naukowiec, zaciekawiony otrzymanym rezultatem, zbadał też inne pierwiastki, lecz nie wykazały podobnych właściwości. Po wielu badaniach zakomunikował, że zaczernienie kliszy mogło być spowodowane tylko samoistnym promieniowaniem uranu, które nie miało nic wspólnego z fosforescencją. Promieniowanie to nazwał promieniowaniem uranowym, a jego źródłem były niestabilne jądra uranu obecne w soli uranowej.

A co z innymi pierwiastkami? Czy też mogą być źródłem promieniowania?

Odkryte przez Becquerela zjawisko promieniotwórczości, polegające na zdolności jąder atomowych do samoistnego rozpadu promieniotwórczego, było w latach późniejszych badane przez Marię Curie-Skłodowską. Skłodowska podjęła się badań wszystkich dostępnych związków uranu, aby sprawdzić, czy natężenie emitowanego promieniowania jest proporcjonalne do zawartości w nich tego pierwiastka. W przeciwieństwie do Bequerela, chemiczka nie stosowała klisz fotograficznych, ponieważ ich jakość w ówczesnych czasach była niepewna. Jako pierwsza z uczonych zastosowała metodę elektrometryczną, opartą na pomiarze jonizacji w powietrzu lub w innych gazach. Pomiar promieniotwórczości metodą elektrometryczną wykonywany był przy użyciu elektrometru z wagą piezoelektryczną, którą skonstruował jej mąż i szwagier. Maria wiedząc, że cechą mierzalną promieniowania jest jego zdolność do jonizacji powietrza oraz działanie na materiały światłoczułe, badała to zjawisko bardzo systematycznie i wytrwale. Poszukiwania izotopów promieniotwórczych rozpoczęła od przebadania wszystkich dostępnych minerałów, z których wyselekcjonowała te, które samoistnie emitują promieniowanie. A były to jedynie minerały toru i uranu. Wynikiem wielu badań Skłodowska stwierdziła, że minerały te różnią się natężeniem wysyłanego promieniowania w przeliczeniu na jednostkę masy. Według Marii, promieniotwórczość związków uranu i toru miała być proporcjonalna do ich masy, jednak tzw. aktywność właściwa rudy uranowej była wyższa niż czystego uranu, który stanowił dla niej wzorzec. Aby zweryfikować poprawność wykonywanych badań, Skłodowska otrzymała na drodze syntezy sól uranu o identycznym składzie, jak w minerale pochodzenia naturalnego.

Jakich rezultatów mogła się spodziewać?

Okazało się, że minerał posiadał aktywność właściwą, wyższą niż identyczny związek otrzymany syntetycznie. Skłoniło to Marię do postawienia dwóch hipotez:

Po pierwsze, promieniotwórczość to własność atomowa pewnych pierwiastków.

Po drugie, kopaliny uranowe muszą zawierać małą domieszkę nieznanego pierwiastka o szczególnie wysokiej aktywności właściwej.

Z uwagi na atrakcyjność tematyki promieniotwórczości, do badań Marii Skłodowskiej przyłączył się również jej mąż, Piere Curie. Już kilka miesięcy od rozpoczęcia badań, małżeństwo opublikowało pracę zatytułowaną „O nowej substancji radioaktywnej występującej w blendzie smolistej”, gdzie opisali nowy pierwiastek promieniotwórczy: polon. Niecałe pół roku później małżonkowie Curie odkryli kolejny pierwiastek promieniotwórczy – rad. Dodatkowo, na podstawie analogii chemicznych, zaproponowali miejsce odkrytych pierwiastków w układzie okresowym.

Dlaczego zatem izotopy emitują promieniowanie?

Przyczyną emisji promieniowania przez izotopy pierwiastków jest niestabilność ich jąder atomowych. Na skutek zjawiska rozpadu promieniotwórczego, jeden pierwiastek ulega przemianie w drugi, a dodatkowo następuje emisja jednego z rodzajów promieniowania (alfa, beta lub gamma).

Po wielu latach od odkrycia Skłodowskiej i jej męża udowodniono, że emitowanie przez izotopy promieniowanie, po przekroczeniu pewnej dawki, może mieć szkodliwy wpływ na organizm ludzki. Świadomości takiej nie mieli naukowcy, którzy przez wiele lat przeprowadzali eksperymenty z wykorzystaniem substancji promieniotwórczych, a tym samym byli narażeni na długotrwałe działanie promieniowania. Ustalenie bezpiecznej dawki oraz opracowanie przez Hansa Geigera wraz z Walterem Müllerem w 1928 roku licznika Geigera-Müllera dało szansę ludziom uchronić się od licznych chorób, a nawet śmierci. Licznik Geigera-Müllera służy do detekcji promieniowania (np., alfa, beta lub gamma) i pozwala wyznaczyć dawkę promieniowania w jednostce siwert na godzinę (Sv|h).