Promieniowanie jądrowe α, β i γ
Badania nad promieniotwórczością naturalną nierozerwalnie związane są z nazwiskami Piotra Curie i Marii Skłodowskiej-Curie. Maria Skłodowska-Curie jest dwukrotną noblistką. W r. wraz z mężem Piotrem i Henri Becquerelem otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, a r. – w dziedzinie chemii (za odkrycie pierwiastków promieniotwórczych – polonu i radu). W tym rozdziale spróbujemy odpowiedzieć na pytanie, na czym polega zjawisko promieniotwórczości i jakie substancje określamy mianem promieniotwórczych.
jądrowy model budowy atomu;
jak pola elektryczne i magnetyczne wpływają na tor ruchu naładowanej cząstki;
Szczegółowe informacje na ten temat znajdziesz w materiałach:
Budowa atomu wodoru. Stan podstawowy i stany wzbudzoneBudowa atomu wodoru. Stan podstawowy i stany wzbudzone
Jądro atomowe i jego składnikiJądro atomowe i jego składniki
Przyspieszenie cząstki naładowanej w polu elektrostatycznymPrzyspieszenie cząstki naładowanej w polu elektrostatycznym
Analizujemy tor cząstki naładowanej w jednorodnym polu magnetycznymAnalizujemy tor cząstki naładowanej w jednorodnym polu magnetycznym
Ruch naładowanej cząstki w skrzyżowanych polachRuch naładowanej cząstki w skrzyżowanych polach
podawać definicję promieniotwórczości naturalnej;
opisywać właściwości promieniowania , i ;
opisywać wybrany sposób wykrywania promieniowania jonizującego.
Odkrycie promieniotwórczości naturalnej (promieniowania uranowego)
Cofnijmy się na chwilę do końca wieku. Wiadomo już, że istnieją cząstki mniejsze od atomów, naładowane dodatnio lub ujemnie i że atomy jako obojętne elektrycznie muszą się składać zarówno z cząstek naładowanych dodatnio jak i cząstek naładowanych ujemnie. Naukowcy badają jaki te mniejsze cząstki mają ładunek oraz masę oraz w jaki sposób są rozmieszczone w atomach. Dopiero za kilka lat zostaną zaproponowane modele atomu: najpierw model „ciasta z rodzynkami” (J.J. Thomson w r.), później modele planetarne z małym jądrem atomowym i krążącymi wokół niego elektronami (Rutherford w r. i Bohr w r.). Badane jest też promieniowanie ciał stałych i gazów. Wiadomo, że długości fali linii widmowych wodoru opisane są wzorem Balmera, ale nie wiadomo, dlaczego ma on właśnie taką postać.
W latach . wieku dokonano dwóch ważnych odkryć: odkrycia promieni przez W. RöntgenaW. Röntgena i odkrycia naturalnej promieniotwórczości niektórych ciał.
Dzięki doświadczeniom przeprowadzonym przez Henryka BecquerelaHenryka Becquerela, Ernesta Rutherforda oraz Marię Skłodowską–CurieMarię Skłodowską–Curie i Piotra CuriePiotra Curie odkryto, że substancje zawierające pewne pierwiastki, zwane pierwiastkami promieniotwórczymi, emitują promieniowanie zdolne zaczernić kliszę fotograficzną.
Zjawisko polegające na zaczernianiu klisz fotograficznych przez sole uranu odkrył Henri Becquerel w r. przy okazji badań nad świeceniem tych związków po ich uprzednim naświetleniu światłem słonecznym. Stwierdził jednak, że klisza ulega zaczernieniu nawet wtedy, gdy sole uranu nie zostały wcześniej naświetlone. Dalsze doświadczenia doprowadziły Becquerela do wniosku, że jest to promieniowanie mające charakter falowy. Naukowcy nie byli za bardzo zainteresowani promieniowaniem emitowanym przez sole uranu, gdyż właściwości odkrytych promieni (zwanych obecnie rentgenowskimi) przez Röntgena, były bardziej niesamowite, i zepchnęły na dalszy plan inne badania.
Sytuacja zmieniła się diametralnie, gdy pracę nad zagadnieniem naturalnej promieniotwórczości podjęła Maria Skłodowska-Curie. Uwieńczeniem jej pracy naukowej było odkrycie obecności nowych pierwiastków w związkach uranu, które to pierwiastki były odpowiedzialne za emisję badanego promieniowania. Te pierwiastki to polonpolon i radrad.
Mimo że Maria Skłodowska-Curie większość swojego życia spędziła poza granicami Polski podzielonej zaborami, czuła się zawsze mocno związana z ojczyzną. Aby dać temu wyraz, pierwiastek odkryty przez siebie i męża nazwała polonem. Polon jest metalem promieniotwórczym o srebrzystobiałej barwie, który roztacza wokół siebie niebieską aurę, będącą skutkiem oddziaływania emitowanego promieniowania alfa z powietrzem. Gęstość tego pierwiastka wyrażona w jednostkach układu SI wynosi . Ze względu na dużą energię, jaką polon wydziela w krótkim czasie, stosowany jest on jako źródło zasilania w satelitach i pojazdach kosmicznych. Śladowe ilości tego metalu znajdują się w dymie papierosowym.
Badania Ernesta Rutherforda i innych fizyków dowiodły, że promieniowanie to nie ma natury jednorodnej. Ze względu na jego przenikliwość wyróżniono trzy rodzaje, które nazwano promieniowaniem alfapromieniowaniem alfa, betabeta i gammagamma-zgodnie z pierwszymi literami alfabetu greckiego.
Okazało się, że promienie uranowe (tak je wtedy nazywano), nazwane literami i , ulegają odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym. Oznacza to, że mają ładunek elektryczny. Badania wykazały, że składowa nazwana literą jest zarówno bardzo przenikliwa, jak i niewrażliwa na wpływ wyżej wspomnianych pól. Było to jednoznaczne z tym, że nie przenosi ona ładunku elektrycznego. O tym, dlaczego cząstka mająca ładunek elektryczny zmienia kierunek swojego ruchu podczas poruszania się w polu magnetycznym i jaki jest tor takiej cząstki w obu polach możesz dowiedzieć się czytając materiały:
Analizujemy tor cząstki naładowanej w jednorodnym polu magnetycznymAnalizujemy tor cząstki naładowanej w jednorodnym polu magnetycznym
Ruch naładowanej cząstki w skrzyżowanych polachRuch naładowanej cząstki w skrzyżowanych polach
Skorzystaj z biogramu lub dowolnego źródła i opisz osiągnięcia naukowe Marii Skłodowskiej-Curie w dziedzinie promieniotwórczości.
Promieniowanie alfa
Promieniowanie alfa charakteryzuje się najmniejszą przenikliwością ze wszystich rodzajów promieniownania jądrowego, o wiele mniejszą niż promieniowanie beta i gamma. W powietrzu zasięg promieniowania ogranicza się do kilku (maksymalnie dziesięciu) centymetrów. Jest całkowicie pochłaniane przez kartkę papieru czy zwykłą odzież. Dlatego też substancje, które emitują ten typ promieniowania, mogą być przechowywane np. w zwykłych szklanych ampułkach. Jednak nie można bagatelizować jego wpływu na żywe organizmy, zwłaszcza gdy promienie alfa trafią na nieosłoniętą tkankę lub dostaną się do wnętrza organizmu drogą oddechową lub pokarmową. Promieniowanie alfa ma silne właściwości jonizujące i może prowadzić do choroby popromiennej.
Kiedy promieniowanie alfa przechodzi przez obszar pola elektrycznego, zmienia kierunek rozchodzenia się. Musi zatem mieć ładunek elektryczny. Stosunkowo łatwo można wykazać, że przenosi ładunek dodatni.
Już na przełomie i w. fizycy podejrzewali, że promieniowanie alfa składa się z cząstek. Śledzili dokładnie zachowanie cząstek alfa w polach magnetycznym i elektrycznym, dzięki czemu wyznaczyli wartość ładunku i masę cząstki. Okazało się, że ładunek cząstki alfa jest dwa razy większy od ładunku zjonizowanego atomu wodoru (czyli protonu). Cząstka alfa jest też cztery razy cięższa od zjonizowanego atomu wodoru.
W r., a więc znacznie później, odkryto, że cząstki alfa są tożsame z jądrami helu . Rutherford jeszcze do końca lat dwudziestych w. uważał, że cząstki alfa są niepodzielne.
Promieniowanie beta
Kolejnym produktem rozpadu niestabilnych jąder jest promieniowanie beta.
Promieniowanie beta jest znacznie bardziej przenikliwe niż promieniowanie alfa o tej samej energii. Bez trudu przechodzi przez kartkę papieru, ale pochłaniane jest przez folię aluminiową. W zależności od swojej energii potrafi w powietrzu rozchodzić się nawet na dystans kilku metrów. Szkło o grubości ponad czterech milimetrów stanowi jednak dla tych promieni zaporę nie do pokonania.
Kiedy promieniowanie beta przechodzi przez obszar, w którym występuje pole elektryczne, zmienia kierunek rozchodzenia się, jednak w przeciwną stronę, niż promieniowanie alfa. Promieniowanie beta musi więc przenosić ze sobą ładunek elektryczny o przeciwnym znaku – skoro cząstki naładowane są dodatnio, to cząstki mają ładunek ujemy.
Podobnie jak w przypadku promieniowania fizycy śledzili zachowanie promieniowania w polach magnetycznym i elektrycznym. Wykazali, że promieniowanie beta jest strumieniem naładowanych cząstek. Wyznaczyli wartość ładunku cząstki i jej masę, które okazały się takie same jak w przypadku elektronu.
Dzisiaj wiemy, że istnieją dwa rodzaje promieniowania beta – strumień elektronów (rozpad ) i pozytonów (rozpad ).
Promieniowanie gamma
Promieniowanie gamma w r. odkrył Paul Villard, który współpracował z Marią Skłodowską-Curie i Piotrem Curie.
Na drodze doświadczalnej dowiedziono później, że trzeci rodzaj promieniowania jądrowego, który nie występuje samodzielnie, lecz towarzyszy promieniowaniu alfa i beta, wykazuje największą przenikliwość.
Promieniowanie gamma dzięki dużej energii przenika zarówno przez cienką kartkę papieru, jak i przez folię aluminiową, a częściowo pochłonięte może zostać dopiero przez np. płytę ołowianą o grubości minimum lub też przez warstwę betonu o grubości metrów. Stanowi silny czynnik jonizujący i jest szkodliwe dla organizmu ludzkiego. Odpowiednio duże dawki promieniowania gamma prowadzą do choroby popromiennej.
Kiedy promieniowanie gamma przechodzi przez obszar pola elektrycznego, w ogóle się nie zakrzywia, nie ma więc żadnego ładunku. Dalsze badania wykazały, że promieniowanie gamma to fale elektromagnetyczne o bardzo małych długościach – krótszych od fal promieniowania rentgenowskiego.
Znajdź w internecie przykłady praktycznego zastosowania promieniowania gamma. Ewentualne notatki możesz zapisać w polu poniżej.
Metody wykrywania i badania torów cząstek naładowanych – detektory
Protony, cząstki czy cząstki są zbyt małe, by móc je zobaczyć gołym okiem. W jaki sposób zatem fizycy dowiedzieli się o nich tak wiele – poznali ich masę, ładunek i tor, po których te cząstki poruszają się w przestrzeni?
Bardzo ważnym zjawiskiem towarzyszącym ruchowi cząstek naładowanych w danym ośrodku jest jonizacja tego ośrodka. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym kiedy przemieszczają się w pobliżu atomów lub cząsteczek związków chemicznych, powodują odrywanie elektronów. Tym samym tworzy się para jonów, jeden naładowany dodatnio i jeden naładowany ujemnie. Na drodze toru ruchu takich naładowanych cząstek powstaje wiele takich par jonów. Istnienie jonów można wykryć i tym samym stwierdzić istnienie cząstki jonizującej, a nawet zobaczyć ślad jej przelotu.
Urządzeniem służącym do wykrywania cząstek jonizujących jest komora jonizacyjna. Może ona mieć kształt cylindra wypełnionego gazem. Wzdłuż osi cylindra umieszczona jest elektroda (cienki drut odizolowany od ścianek komory). Drugą elektrodę może tworzyć układ drutów położonych bliżej ścianek komory lub cylindryczna elektroda umieszczona dookoła puszki.
Jeżeli cząstka jonizująca przeleci przez cylinder, to na swojej drodze spowoduje powstanie wielu par jonów, z któtych zawsze jeden jest naładowany dodatnio, a drugi ujemnie. Między elektrodami nastąpi wówczas przepływ prądu, który będzie zarejestrowany przez układ pomiarowy.
Badanie torów cząstek jonizujących oparte jest na zjawisku, które często oglądamy na niebie. Samolot przelatujący na dużej wysokości zostawia za sobą ślad w postaci tzw. smugi kondensacyjnej. Na wysokości rzędu od powierzchni Ziemi temperatura jest bardzo niska. Para wodna w tych warunkach może się skroplić tylko wtedy, jeśli pojawią się tzw. jądra kondensacji. Ze względu na to, że powietrze na tak dużej wysokości jest czyste, nie może wystąpić kondensacja pary wodnej. Przelatujący samolot zostawia jednak za sobą spaliny, które są częściowo zjonizowane. Powoduje to, że para wodna skrapla się w miejscach, w których są takie jony. Powstające krople natychmiast zamarzają i tworzą smugę zbudowaną z kryształków lodu. Zależnie od temperatury i stopnia zawartości pary wodnej na danej wysokości, na której leci samolot, taka smuga znika szybko lub dopiero po dłuższym czasie.
Do badania torów cząstek jonizujących wykorzystuje się komoręWilsona. Komora jest wypełniona powietrzem z dużą zawartością pary wodnej lub pary alkoholowej. Przelatująca przez komorę cząstka tworzy na swoim torze jony, na których powstają kropelki wody lub alkoholu. Taką komorę pierwszy zbudował Charles Wilson w r. Jeżeli umieścimy ją w zewnętrznym polu magnetycznym, to tory cząstek będą zakrzywione w zależności od ładunku i masy cząstki, a zatem można te wielkości wyznaczyć.
W połowie w. skonstruowano urządzenie zwane komorą pęcherzykową. Wewnątrz takiej komory znajduje się ciecz w stanie tzw. przegrzania (czyli w temperaturze wyższej niż temperatura wrzenia). Przelot jonizującej cząstki powoduje jonizację cieczy i w miejscach, w których znajdują się jony, następuje gwałtowne przejście wody w stan pary. Ślad przelatującej cząstki – podobnie jak w komorze Wilsona – można sfotografować. Jeżeli będzie tam pole magnetyczne, to można również badać zakrzywienia torów cząstek.
Podsumowanie
Promieniotwórczość naturalna (bez udziału człowieka) to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder atomowych pierwiastków promieniotwórczych występujących w przyrodzie, któremu towarzyszy emisja promieniowania: alfa, beta lub gamma.
Odkrywcami promieniotwórczości i jej pierwszymi badaczami byli Henri Becquerel oraz Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie.
Małżeństwo Curie w r. odkryło dwa nieznane wówczas pierwiastki promieniotwórcze: rad i polon.
Promieniowanie to strumień cząstek majacych taką samą budowę jak jądra helu, czyli składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Charakteryzuje się niską przenikliwością, jego zasięg w powietrzu nie przekracza . Ma właściwości jonizujące. Kontakt promieniowania z żywą tkanką prowadzi do jej uszkodzeń.
Promieniowanie to strumień elektronów lub pozytonów. Jego przenikliwość jest większa niż cząstek , a zasięg w powietrzu sięga nawet do kilku metrów. Ma właściwości jonizujące.
Największą przenikliwość i zasięg ma promieniowanie , które jest falą elektromagnetyczną o długości fali mniejszej niż długość fali promieni rentgenowskich. Emisja promieniowanie gamma zazwyczaj towarzyszy emisji cząstek alfa i beta.
Cząstki naładowane powodują jonizację ośrodka, co pozwala na wykrycie ich ruchu i obserwację śladu takiego przejścia w komorach jonizacyjnych, komorach Wilsona i komorach pęcherzykowych.
Zadania podsumowujące moduł
Połącz w pary.
elektron lub pozyton, fala elektromagnetyczna, podwójnie zjonizowany atom helu
promieniowanie alfa | |
promieniowanie beta | |
promieniowanie gamma |
Przeczytaj uważnie poniższe zdania i określ które z nich są prawdziwe, a które fałszywe.
Prawda | Fałsz | |
Po przepuszczeniu promieniowania gamma przez obszar pola magnetycznego promieniowanie to zakrzywiane jest w tę samą stronę co promieniowanie alfa. | □ | □ |
Promieniowanie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne o krótkiej fali, a więc dużej częstotliwości i energii. | □ | □ |
Ochronę przed promieniowaniem gamma stanowi ekran ołowiany o dostatecznie dużej grubości. | □ | □ |
Promieniowanie gamma ulegnie znaczącemu osłabieniu po przejściu przez ścianę z jednej warstwy cegieł. | □ | □ |
Ściana betonowa o grubości kilku metrów obniża natężenie promieniowania gamma do bezpiecznego poziomu. | □ | □ |
Słownik
detektor służący do wykrywania przelatującej naładowanej elektrycznie cząstki; gdy taka cząstka przelatuje przez komorę detektora jonizuje gaz wypełniający ośrodek; przyłożone do komory napięcie elektryczne powoduje ruch stworzonych jonów, czyli przepływ prądu, który można wykryć
detektor służący do obserwacji śladów cząstek promieniowania jonizującego. Wewnątrz komory znajduje się ciecz w stanie tzw. przegrzania (czyli w temperaturze wyższej niż temperatura wrzenia). Przelot jonizującej cząstki powoduje jonizację cieczy i w miejscach, w których znajdują się jony, następuje gwałtowne przejście wody w stan gazowy (parę wodną). Dzięki temu możemy fotografować ślady przelatujących cząstek.
detektor promieniowania jonizującego. Kiedy cząstki jonizujące przelatują przez gaz zawierający tzw. parę nasyconą, wzdłuż toru ich ruchu następuje kondensacja kropelek cieczy. Dzięki temu możemy śledzić i rejestrować, jaką drogę cząstki przebyły w komorze.
naturalny pierwiastek promieniotwórczy o srebrzystobiałej barwie, który w powietrzu jarzy się na niebiesko na wskutek oddziaływania emitowanego promieniowania i powietrza; gęstość polonu wynosi .
jeden z rodziajów promieniowania jądrowego; strumień jąder helu, czyli cząstek składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów; jest emitowany podczas przemian promieniotwórczych w jądrach pierwiastków ciężkich (np. uranu, toru lub radu).
jeden z rodzajów promieniowania jądrowego; strumień elektronów (promieniowanie beta minus) lub pozytonów (promieniowanie beta plus) powstałych wskutek przemian zachodzących w jądrach atomów pierwiastków promieniotwórczych.
promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo małej długości fali, czyli o bardzo dużej częstotliwości i energii. Jest emitowane podczas przechodzenia jądra pierwiastka promieniotwórczego z poziomu wzbudzonego do poziomu podstawowego.
samorzutne wysyłanie cząstek , i promieniowania przez atomy. Obecnie wiemy, że ten proces zachodzi podczas rozpadu jąder pierwiastków promieniotwórczych pochodzenia naturalnego.
miękki metal o srebrzystej barwie, naturalny pierwiastek radioaktywny o dużej aktywności promieniotwórczej.
Biogramy
Antoine Henri Becquerel
Henri Becquerel zajmował się wieloma zagadnieniami z pogranicza fizyki i chemii – należały do nich optyka, elektryczność, magnetyzm, fotochemia, elektrochemia, a nawet meteorologia. Jednak prawdziwą sławę przyniosło Becquerelowi odkrycie tzw. promieni Becquerela. Było to promieniowanie emitowane przez sole uranu, które kiedy padało na kliszę fotograficzną, prowadziło do jej zaczernienia ( r.). Miało również zdolność przenikania przez materię. Dziś wiemy, że były to cząsteczki alfa, beta i kwanty elektromagnetycznego promieniowania gamma.
Piotr Curie
Piotr Curie odkrył zjawisko piezoelektryczne i razem ze swoją żoną Marią Skłodowską-Curie stworzył podstawy nauki o promieniotwórczości. Maria i Piotr Curie w r. odkryli także pierwiastki promieniotwórcze – rad i polon. Piotr Curie zmarł wskutek tragicznego wypadku pod kołami wozu konnego na jednej z ulic Paryża.
Maria Salomea Skłodowska‑Curie
Maria Skłodowska-Curie swoją karierę naukową rozpoczęła na paryskiej Sorbonie, gdzie zdobyła licencjat z fizyki i matematyki. W r. zespół badawczy (kierowany przez Henri Becquerela), w skład którego wchodziło małżeństwo Curie, odkrył dwa nieznane dotąd pierwiastki promieniotwórcze – rad i polon. W r. trójka badaczy za swoją pracę naukową została uhonorowana Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Po tragicznej śmierci męża w r. Maria Skłodowska-Curie objęła po nim katedrę fizyki na Sorbonie. W r. ponownie otrzymała Nagrodę Nobla, tym razem w dziedzinie chemii, za badania nad właściwościami uprzednio odkrytych pierwiastków, m.in. za wyodrębnienie metalicznego radu. W r. była jednym ze współzałożycieli paryskiego Instytutu Radowego w Paryżu, który od jej nazwiska nosi obecnie nazwę Instytutu Curie. Z powodu prowadzonych badań nad substancjami promieniotwórczymi stan zdrowia noblistki się pogorszył i ostatecznie w lipcu r. roku Maria Skłodowska-Curie umarła na białaczkę. W dowód uznania jej wielkich zasług dla nauki prochy uczonej w roku r. zostały przeniesione z rodzinnego grobowca rodziny Curie do paryskiego Panteonu.
Wilhelm Conrad Röntgen
Odkrywca i badacz nowego rodzaju promieniowania przenikliwego, nazwanego od jego imienia promieniami Röntgena (promienie ). Znalazło ono szerokie zastosowanie w medycynie i technice. Badacz skonstruował także przenośne źródło promieniowania rentgenowskiego – lampę rentgenowską.
Charles Thomson Rees Wilson
Konstruktor detektora i rejestratora promieniowania jonizującego – urządzenia nazywanego dzisiaj komorą Wilsona. Za to właśnie osiągnięcie został uhonorowany Nagrodą Nobla.