Warto przeczytać

Otaczające nas przedmioty zbudowane są głównie z atomów, które zawierają stabilne jądra atomowe. Stabilne jądra nie zmieniają się w czasie. Jednak oprócz jąder stabilnych istnieją też jądra niestabilne, które mogą spontanicznie, bez żadnej ingerencji z zewnątrz, ulec przemianie. Zjawisko to nazywamy promieniotwórczością, ponieważ przemianom jądrowym towarzyszy promieniowanie. Izotopy pierwiastków ulegające przemianom naturalnym nazywamy promieniotwórczymi. Przemiany zachodzą w sposób przypadkowy – nie można przewidzieć, czy dane jądro rozpadnie się za sekundę, czy na przykład za 100 lat.

Rozróżniamy trzy typy przemian: alfa, beta i gamma.

Przemiana alfa polega na emisji z jądra cząstki alfa, która składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów (Rys. 1.). Cząstka alfa to po prostu jądro helu ${}_2^4\mathrm{\text{He}}$. Przemianom alfa ulegają tylko jądra niestabilne o dużej liczbie masowej. W procesie tym cząstka $\alpha$ formuje się już w jądrze.

R1SCoGIqOCEJb

Rys. 1. przedstawia model jądra atomowego jako kuliste złożenie kilkunastu dwubarwnych (pomarańczowych i różowych) kulek. Z prawej górnej strony znajduje się model cząstki alfa złożony z dwóch kul różowych i dwóch pomarańczowych. Od cząstki alfa w prawo do góry na ukos biegnie czarna strzałka.

W trakcie przemiany alfa liczba masowa jądra zmniejsza się o 4, a liczba atomowa zmniejsza się o 2, czyli zmienia się rodzaj pierwiastka. Zapisujemy to równaniem:

Przykładem przemiany alfa jest rozpad jądra radu ${}_{88}^{226}\text{Ra}$:

W przemianie tej metaliczny rad przemienił się w gazowy radon, który ulega kolejnej przemianie alfa.

Cząstki alfa emitowane z danego jądra mają jednakową energię kinetyczną. Wynika to z zasady zachowania pędu. Energia wydzielona w procesie dwuciałowym, jakim jest przemiana alfa, rozdziela się w ściśle określony sposób pomiędzy obie części rozpadającego się ciała. Cząstki alfa mają energie kinetyczne rzędu kilku MeV, natomiast energia kinetyczna pozostałego po rozpadzie jądra jest kilkadziesiąt razy mniejsza z uwagi na jego dużą masę, kilkadziesiąt razy większą niż masa cząstki alfa.

Cząstki alfa bardzo silnie jonizująjonizacjajonizują materię, tracąc przy tym swoją energię kinetyczną. Zasięg cząstek alfa jest więc bardzo mały – w powietrzu nie przekracza kilku centymetrów, a całkowicie pochłania je ubranie. Promieniowanie alfa jest groźne dla człowieka tylko wtedy, gdy dostanie się do wnętrza organizmu, na przykład gdy we wdychanym powietrzu znajduje się gazowy radon.

Przemiana beta polega na emisji z jądra elektronu $e^{-}$ lub pozytonu $e^{+}$. Pozyton to antycząstka elektronu, której masa jest taka sama jak masa elektronu, ale jjej ładunek ma przeciwny znak.

Jądro atomowe składa się wyłącznie z protonów i neutronów, więc skąd w jądrze wziął się elektron?

W przemianie beta minus (Rys. 2a., 2b.) zachodzi w jądrze przemiana jednego z neutronów w proton, elektron i jeszcze jedną cząstkę – antyneutrino elektronowe:

R15ghW86pkvxM

Rys. 2a. przedstawia dwa modele jądra atomowego jako kuliste złożenia kilkunastu dwubarwnych (pomarańczowych i różowych) kulek. Jądro po lewej stronie opisano jako: duża litera A i pod nią duża litera Z. Z prawej górnej strony znajduje się drugi model jądra atomowego (taki sam jak poprzedni) posiadający na górze napis: duża litera A, a pod nią napis: duża litera Z plus 1. Od lewego jądra odchodzą trzy czarne strzałki. Jedna jest skierowana w stronę drugiego jądra. Druga położona niżej skierowana jest w stronę granatowej kulki z podpisem: mała litera e, elektron. Trzecia strzałka wskazuje czerwoną kulkę z podpisem: mała litera ni wskaźnik dolny: mała litera e, na górze kreska pozioma, antyneutrino elektronowe.

Powstały podczas przemiany proton pozostaje w jądrze, zwiększając liczbę atomową o 1, a elektron i antyneutrino wylatują z jądra. Te emitowane z jądra elektrony to właśnie promieniowanie beta minus. Promieniowanie antyneutrin jest dla nas praktycznie niezauważalne, bo cząstki te bardzo słabo oddziałują z materią. Liczba masowa jądra, czyli całkowita liczba protonów i neutronów, pozostała niezmieniona, bo wprawdzie ubył jeden neutron, ale przybył jeden proton. Przemianę beta minus zapisuje się następująco:

RHKKAanXg38wQ

Rys. 2b. przedstawia model jądra atomowego jako kuliste złożenie kilkunastu dwubarwnych (pomarańczowych i różowych) kulek. Od jądra w prawo w górę i w dół na ukos biegną dwie czarne strzałki. Między jedną strzałką a jądrem znajduje się granatowy punkt podpisany: elektron. Między drugą strzałką a jądrem znajduje się czerwony punkt podpisany: antyneutrino elektronowe.

W przemianie beta plus (Rys. 3a., 3b.) zachodzi w jądrze przemiana jednego z protonów w neutron, pozyton i neutrino elektronowe.

R1RjQXBbeFh5V

Rys. 3a. przedstawia dwa modele jądra atomowego jako kuliste złożenia kilkunastu dwubarwnych (pomarańczowych i różowych) kulek. Jądro po lewej stronie ma napis na górze: duża litera A i pod nią duża litera Z. Z prawej górnej strony znajduje się drugi model jądra atomowego (taki sam jak poprzedni) posiadający na górze napis: duża litera A, a pod nią napis: duża litera Z minus 1. Od lewego jądra odchodzą trzy czarne strzałki. Jedna jest skierowana w stronę drugiego jądra. Druga położona niżej skierowana jest w stronę granatowej kulki z podpisem: mała litera e, wskaźnik górny plus, pozyton. Trzecia strzałka wskazuje czerwoną kulkę z podpisem: mała litera ni wskaźnik dolny: mała litera e, neutrino elektronowe.

W trakcie tej przemiany z jądra ubył jeden proton, więc liczba atomowa zmniejszyła się o 1, ale jednocześnie przybył jeden neutron, więc liczba masowa nie zmieniła się. Przemianę beta plus zapisujemy następująco:

R1TAecpwy6L1e

Rys. 3b. przedstawia model jądra atomowego jako kuliste złożenie kilkunastu dwubarwnych (pomarańczowych i różowych) kulek. Od jądra w prawo w górę i w dół na ukos biegną dwie czarne strzałki. Między jedną strzałką a jądrem znajduje się granatowy punkt podpisany: pozyton. Między drugą strzałką a jądrem znajduje się czerwony punkt podpisany: neutrino elektronowe.

Energia wydzielająca się w przemianie beta w przypadkowy sposób rozkłada się między trzy elementy, na które rozpada się jądro wyjściowe. Dlatego cząstki beta emitowane z danego jądra mogą mieć różne energie: od bliskich zeru do maksymalnej energii charakterystycznej dla tego jądra.

Cząstki beta, poruszające się w ośrodku materialnym, tracą stopniowo swoją energię, aż w końcu ulegają zatrzymaniu, co oznacza ich pochłonięcie. Promieniowanie to jest średnio przenikliwe, zatrzymuje je całkowicie płyta metalowa o grubości kilku centymetrów.

Przemiana gamma towarzyszy zwykle przemianom alfa i beta. Jądro powstające w przemianie alfa lub beta jest zazwyczaj w stanie wzbudzonym, co oznacza, że jego energia jest większa od najniższej możliwej. Jądro pozbywa się tego nadmiaru energii, emitując kwant gamma (foton) i przechodzi do stanu podstawowego (Rys. 4.). Promieniowanie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne, w ramach typowej klasyfikacji uznajemy, że ma najmniejszą długość fali i największą energię i przenikliwość. Podczas emisji kwantu gamma nie zmienia się liczba atomowa i masowa jądra - zmienia się tylko stan, a konkretnie energia.

RzPMZKpGjQFrL

Rys. 4. przedstawia dwa modele jądra atomowego jako kuliste złożenia kilkunastu dwubarwnych (pomarańczowych i różowych) kulek ustawione obok siebie. Kulki w modelu jądra lewego są obrysowane czerwona przerywaną linią. Jądro to ma podpis: jądro w stanie wzbudzonym. Po prawej znajduje się drugi model jądra atomowego posiadający podpis jądro w stanie podstawowym. Od jadra prawego biegnie czerwona falista strzałka ze zwrotem w prawo do góry na ukos. Posiada ona podpis: kwant gamma.

Podobnie jak energia elektronu w atomie, energia jądra jest skwantowana, co oznacza, że energia wzbudzenia jądra nie może zmieniać się w sposób ciągły, a przybiera pewne oddzielone od siebie, dozwolone wartości (Rys. 5.).

RhGjSPQsQLGOv

Rys. 5. przedstawia oś pionową skierowaną do góry i podpisaną: energia wzbudzenia. Na osi są oznaczone trzy punkty: zero, powyżej duża litera E indeks dolny jeden, duża litera E indeks dolny dwa. Od tych punktów biegną poziome linie przerywane. Między linią górną przerywaną a dolną przerywaną narysowano pionową strzałkę skierowaną w dół. Od tej strzałki biegnie poziomo falista czerwona strzałka podpisana: gamma indeks dolny 1. Między linią górną przerywaną a środkową przerywaną narysowano pionową strzałkę skierowaną w dół. Od tej strzałki biegnie poziomo falista czerwona strzałka podpisana: gamma indeks dolny 2. Między linią środkową przerywaną a dolną przerywaną narysowano pionową strzałkę skierowaną w dół. Od tej strzałki biegnie poziomo falista czerwona strzałka podpisana: gamma indeks dolny 3.

Gdy jądro przechodzi z wyższego poziomu energetycznego do niższego, emituje kwant gamma o energii równej różnicy między tymi poziomami. Dane jądro emituje kwanty gamma o ściśle określonej energii, charakterystycznej dla tego jądra.

Promieniowanie gamma jest najbardziej przenikliwe z trzech wymienionych rodzajów promieniowania. Skutecznym zabezpieczeniem przed tym promieniowaniem jest gruba płyta ołowiana.

A dlaczego jedne jądra są stabilne, a inne nie i ulegają spontanicznym przemianom?

Jądro jest stabilne, jeśli siły działające na nukleony są w równowadze. Protony i neutrony w jądrze pozostają pod wpływem przyciągających oddziaływań silnych, natomiast na protony działa również odpychająca siła pola elektrycznego.

Rys. 6. przedstawia wykres, na którego osiach odłożona jest liczba protonów i neutronów w jądrze. Jądra stabilne układają się wzdłuż ciemnoszarego pasma zwanego ścieżką stabilności. Najmniejsze jądra stabilne (np. ${}_2^4\text{He},{}_6^{12}\text{C}$) mają jednakową liczbę protonów i neutronów – leżą na linii Z = N. Gdy protonów w jądrze przybywa, coraz większą rolę odgrywa odpychające oddziaływanie kulombowskie (elektrostatyczne) między nimi. Aby utrzymać stabilność jądra, musi zwiększyć się liczba neutronów. Dlatego ścieżka stabilności odchyla się od linii Z = N w kierunku osi, na której odłożono liczbę neutronów. Linia pozioma, odpowiadająca określonej liczbie protonów, wskazuje różne izotopy tego pierwiastka, którego liczbę atomową odczytujemy z przecięcia tej linii z osią Z.

R1NBdP03qyEGv

Rys. 6 przedstawia dwuwymiarowy układ współrzędnych, oś pionowa jest podpisana: duża litera Z; oś pozioma jest podpisana: duża litera N. W polu układu współrzędnych widać dwie przerywane linie. Jedna linia jest narysowana od początku układu współrzędnych na ukos do góry i posiada podpis: duża litera Z równe duża litera N. Druga linia jest równoległa do osi poziomej i podpisana: izotopy danego pierwiastka. Linie przerywane przecinają się w jednym punkcie. Od początku układu współrzędnych zaczyna się rozwijać barwna wstęga, która kształtem przypomina gęsie pióro. Wstęga składa się z czterech obszarów o różnej barwie. Od początku układu ciągną się trzy obszary o barwach: różowy (na górze), szary (w środku) i niebieski na dole. Na końcu wstęgi jest obszar w kolorze żółtym. Do każdego obszaru skierowana jest strzałka wraz z podpisem tego obszaru: obszar różowy ma podpis: przemiany beta +. Szary obszar ma podpis: ścieżka stabilności. Niebieski obszar ma podpis: przemiany beta minus. Żółty obszar ma podpis: przemiany alfa.

Jeśli izotop pierwiastka leży ponad ścieżką stabilności, bo zawiera zbyt mało neutronów, to ulega przemianie beta plus - zbliża się w ten sposób do ścieżki stabilności. Gdy jądro zawiera nadmiar neutronów, następuje przemiana beta minus, w której jeden z neutronów przemienia się w proton, co również przesuwa powstałe jądro w kierunku ścieżki stabilności.

Jądra ulegające przemianie alfa zawierają najwięcej protonów i neutronów i leżą za końcem ścieżki stabilności. Dla Z < 84 - z wyjątkiem sztucznie wytworzonych technetu (Z = 43) i prometu, (Z = 61), niezaznaczonych na Rys. 6. - pierwiastki mają co najmniej jeden stabilny izotop. Dla Z > 83 - ani jednego. Przemiana alfa powoduje zmniejszenie zarówno liczby protonów, jak i neutronów, więc i w tym przypadku powoduje przesunięcie jądra w kierunku ścieżki stabilności.

Słowniczek