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 24He. Przemianom alfa ulegają tylko jądra niestabilne o dużej liczbie masowej. W procesie tym cząstka α formuje się już w jądrze.

R1SCoGIqOCEJb
Rys. 1. Przemiana alfa to emisja jądra helu z dużego, niestabilnego jądra atomowego.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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:

Z A X     Z 2 A 4 Y + 2 4 He   .

Przykładem przemiany alfa jest rozpad jądra radu     88 226 Ra :

88     226 Ra         86 222 Rn + 2 4 He   .

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:

n     p + e + ν e ¯   .
R15ghW86pkvxM
Rys. 2a. Przemiana beta minus
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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:

Z A X     Z + 1 A Y + e + ν e ¯   .
RHKKAanXg38wQ
Rys. 2b. W przemianie beta minus z jądra emitowany jest elektron i antyneutrino elektronowe.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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

p     n + e + + ν e   .
R1RjQXBbeFh5V
Rys. 3a. Przemiana beta plus
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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:

Z A X     Z 1 A Y + e + + ν e   .
R1TAecpwy6L1e
Rys. 3b. W przemianie beta minus z jądra emitowany jest pozyton i neutrino elektronowe.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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. Promieniowanie gamma emitowane jest przez jądro w stanie wzbudzonym, które powstało po przemianie alfa lub beta.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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. Poziomy energetyczne jądra. Najniższy poziom to stan podstawowy jądra, wyższe poziomy to stany wzbudzone.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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 He ,       6 12 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. Ścieżka stabilności jąder atomowych.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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

jonizacja
jonizacja

(ang. ionization) proces prowadzący do uwolnienia co najmniej jednego elektronu z atomu. Cząstka naładowana, przechodząc przez materię, wybija z atomów elektrony, co prowadzi do powstania jonów dodatnich (atomy pozbawione elektronu) i uwolnionych (zjonizowanych) elektronów.