Warto przeczytać

Jądrojądro atomoweJądro po rozpadzie promieniotwórczym znajduje się w stanie wzbudzonymstan wzbudzony jądra atomowegostanie wzbudzonym. To znaczy, że ma nadwyżkę energii, której pozbywa się na różne sposoby. Najczęściej pozbywa się jej przez emisję promieniowania γgamma, czyli promieniowania elektromagnetycznego o dużej częstotliwości.

Aby lepiej zrozumieć mechanizm emisji promieniowania γgamma po rozpadzie promieniotwórczym zapoznaj się z poniższą grafiką (Rys. 1.). Rysunek przedstawia schemat rozpadu βbeta przykładowego jądra atomowego.

R12k23UjIj8eX

Rys. 1. Na rysunku przedstawiono schemat rozpadu fikcyjnego jądra atomowego oznaczony małą grecką literą beta. Po lewej, w górnej części rysunku, ułożona jest pozioma szeroka fioletowa linia opisana jako jądro początkowe. Od niej w prawo pod lekkim skosem i nieco w dół skierowana jest pierwsza strzałka w kolorze czarnym. która dotyka do poziomej niebieskiej szerokiej linii. Linia opisana jest po prawej jako poziom energetyczny wielką literą E z indeksem dolnym cztery. Jest to najwyższy poziom energetyczny jądra po rozpadzie. Z lewej strony na wysokości tej linii widnieje wyrażenie opisujące różnicę w poziomie energii pomiędzy jądrem początkowym a tym poziomem energetycznym. Opisano je jako iloczyn natężenia wielka litera I i grecka mała litera beta z indeksem dolnym jeden. Poniżej niebieskiej poziomej linii ułożone są kolejne, równoległe do niej. Pierwsza z nich jest zielona, opisana jako poziom energetyczny wielką literą E z indeksem dolnym trzy. Następna jest żółta i opisana jako poziom energetyczny wielką literą E z indeksem dolnym dwa, poniżej znajduje się pomarańczowa szeroka linia opisana wielką literą E z indeksem dolnym jeden, a na samym dole schematu znajduje się szeroka linia w kolorze czerwonym, opisana jako Jądro końcowe. Na wysokości zielonej linii po lewej widnieje wyrażenie opisujące iloczyn natężenia promieniowania wielka litera I i mała grecka litera beta z indeksem dolnym dwa. Na wysokości pomarańczowej linii widnieje iloczyn natężenia promieniowania wielka litera I i mała grecka litera beta z indeksem dolnym trzy. Od linii symbolizującej jądro początkowe do linii zielonej i do pomarańczowej biegną strzałki w kolorze czarnym. Od poziomu energetycznego opisanego wielką literą E z indeksem dolnym cztery (linia niebieska) do linii opisującej poziom wielką literą E z indeksem dolnym trzy biegnie pionowa strzałka narysowana czarną linią przerywaną i opisana jako mała grecka litera gamma z indeksem dolnym jeden. Od poziomu energetycznego opisanego wielką literą E z indeksem dolnym trzy (linia zielona) do linii opisującej poziom wielką literą E z indeksem dolnym dwa biegnie pionowa strzałka narysowana przerywaną linią w kolorze czarnym i opisana jako mała grecka litera gamma z indeksem dolnym dwa. Od poziomu energetycznego opisanego wielką literą E z indeksem dolnym dwa (linia żółta) do linii opisującej jądro końcowe biegnie kolejna pionowa strzałka narysowana linią przerywaną w kolorze czarnym i opisana jako mała grecka litera gamma z indeksem dolnym trzy. Od poziomu energetycznego opisanego wielką literą E z indeksem dolnym cztery (linia niebieska) do linii opisującej poziom wielką literą E z indeksem dolnym dwa biegnie pionowa strzałka narysowana przerywaną czarną linią i podpisana jako mała grecka litera gamma z indeksem dolnym cztery. Od poziomu energetycznego wielka litera E z indeksem dolnym jeden do linii opisującej jądro końcowe biegnie ponowa strzałka narysowana czarną linią przerywaną i opisana jako mała grecka litera gamma z indeksem dolnym pięć.

Fioletowa kreska reprezentuje jądro atomowe, które ulega przemianie βbeta. Kolejne, kolorowe pasy reprezentują poziomy energetyczne jądra końcowego, powstałego po przemianie βbeta. Położenie linii reprezentuje energię poziomu. Im wyżej położona linia, tym energia jest większa. Czerwona linia, oznaczona cyfrą 0, reprezentuje poziom PODSTAWOWYstan podstawowy jądra atomowegoPODSTAWOWY, czyli taki stan jądra, w którym posiada ono najmniejszą możliwą energię. Linie pomarańczowa, żółta, zielona i niebieska reprezentują kolejne poziomy energetyczne jądra końcowego o energiach kolejno EIndeks dolny 1₁, EIndeks dolny 2₂, EIndeks dolny 3₃, EIndeks dolny 4₄. Takie poziomy nazywamy WZBUDZONYMIstan wzbudzony jądra atomowegoWZBUDZONYMI. Energie poziomów wzbudzonych rosną poczynając od energii EIndeks dolny 1₁, na EIndeks dolny 4₄ kończąc. Zwróć uwagę na to, że poziomy energetyczne mają konkretne, dyskretne, czyli nieciągłe wartości. Obiekty makroskopowe, z którymi mamy do czynienia na co dzień mają ciągłe wartości energii, np. podrzucona do góry piłka może mieć dowolną wartość energii potencjalnej od 0 do energii maksymalnej. Dyskretne poziomy energetyczne jąder atomowych, jaki i innych obiektów świata kwantowego mogą być nieintuicyjne i trzeba się do tego przyzwyczaić.

Jądro końcowe po rozpadzie βbeta, jak i po innych rozpadach promieniotwórczych może się znaleźć w różnych stanach energetycznych. Na naszej grafice przejścia βbeta są reprezentowane strzałkami o ciągłej linii. Z lewej strony poziomu umieszczono prawdopodobieństwa przejść βbeta do kolejnych poziomów wzbudzonych (IβbetaIndeks dolny 1₁, IβbetaIndeks dolny 2₂, IβbetaIndeks dolny 3₃). Po rozpadzie jądro może być w stanie wzbudzonymstan wzbudzony jądra atomowegostanie wzbudzonym o energii EIndeks dolny 4₄, EIndeks dolny 3₃ i EIndeks dolny 1₁. Tę nadwyżkę energii w stosunku do stanu podstawowego jądrostan podstawowy jądra atomowegostanu podstawowego jądro wypromieniowuje najczęściej w formie promieniowania γgamma. Możliwe przejścia promieniowania γgamma zostały oznaczone strzałkami o linii przerywanej. Zwróć uwagę, że nie pomiędzy każdymi poziomami może zajść przejście γgamma oraz, że z jednego poziomu mogą być wyemitowane różne kwanty γgamma. W szczególności poziom EIndeks dolny 4₄ ma dwie różne ścieżki wypromieniowania energii. Może się ona odbywać albo jako emitowane po sobie kwanty γgammaIndeks dolny 1₁, γgammaIndeks dolny 2₂, γgammaIndeks dolny 3₃ albo jako γgammaIndeks dolny 4₄ i γgammaIndeks dolny 3₃. Energie wyrysowanych przejść γgamma można wyznaczyć z energii poziomów wzbudzonych, na przykład energia kwantu γgammaIndeks dolny 1₁=EIndeks dolny 4₄-EIndeks dolny 3₃.

Zwróćmy szczególną uwagę, że zaznaczone na (Rys. 1.) poziomy wzbudzone są poziomami jądrowymi, nie atomowymi. Nie wynikają więc z położenia elektronów na powłokach atomowych.

Analogiczny proces przechodzenia do poziomów wzbudzonych jądra końcowego ma miejsce też przy innych rodzajach promieniotwórczego rozpadu, np.: podczas rozpadu alfa. Promieniowanie alfa ma najmniejszą zdolność przenikania przez materię, z trudem przechodzi przez cienki arkusz papieru (Rys. 2.), podczas gdy promieniowanie beta może przenikać aluminium na głębokość około 3mm, a promieniowanie gamma wnika w ołów na głębokość 2cm lub większą.

RsVPwtbQFGJTc

Rys. 2. Na rysunku przedstawiono jak różne rodzaje promieniowania przechodzą przez materię. Po lewej, w górnej części rysunku, umieszczono jądro helu złożone z dwóch protonów i dwóch neutronów. Strumień takich cząstek nazywany jest promieniowaniem alfa. Od jądra helu biegnie krótka strzałka w kolorze czerwonym skierowana poziomo w prawo. Poniżej jądra helu pokazano w postaci małej, kulki w kolorze niebiesko‑zielonym promieniowanie beta. Od kulki biegnie, nieco dłuższa, zielono‑niebieska, pozioma strzałka skierowana w prawo. Najniżej przedstawiono promieniowanie gamma w postaci poziomej, skierowanej w prawo, długiej fali w kolorze fioletowym. Na rysunku przedstawiono również ułożone kolejno: kartkę papieru, płytkę aluminiową, betonowy blok i ołowianą płytę. Promieniowanie alfa zatrzymuje się na barierze jaką stanowi kartka papieru. Jest to promieniowanie o najniższej energii. Promieniowanie beta, przechodzi przez warstwę papieru, ale jest całkowicie absorbowane przez barierę wykonaną z aluminiowej płytki. Promieniowanie gamma przechodzi przez warstwę papieru, aluminium oraz betonu. Absorbowane jest dopiero przez warstwę ołowiu. Promieniowanie gamma jest najbardziej energetyczne spośród trzech zaprezentowanych rodzajów promieniowania.

Warto też wiedzieć, że emisja promieniowania γgamma nie jest jedynym mechanizmem pozbywania się nadwyżki energii z jąder wzbudzonych. Innymi możliwymi, choć rzadszymi, procesami są emisja nukleonów, czyli protonów i neutronów bezpośrednio z jądra atomowego, a także przekazanie energii wzbudzenia jądra elektronowi znajdującemu się na powłokach atomowych.

Emisja z jądra nukleonu byłaby najprostszym sposobem pozbycia się przez jądro nadmiaru energii. Jednak jądro musiałoby mieć wówczas nadwyżkę energii równą energii wiązania nukleonu w jądrze, czyli około 8 MeV. Dodatkowo ta energia musiałaby się skupić na jednym tylko nukleonie, a to jest mało prawdopodobne. Energia wzbudzenia jądra rozdziela się na wiele nukleonów, co uniemożliwia emisję nukleonu z jądra, dlatego nie występuje promieniotwórczość protonowa ani neutronowa. Drugim najprostszym sposobem pozbycia się przez jądro nadmiaru energii jest więc przejście radiacyjne. Jest to proces, w którym energia wzbudzenia jądra atomowego zostaje przekazana bezpośrednio jednemu z elektronów orbitalnych atomu. Następuje tym samym emisja elektronu przez atom. Proces ten jest konkurencyjny dla emisji promieniowania gamma i zachodzi głównie w atomach o dużych liczbach atomowych. Przejście radiacyjne jest szczególnie interesujące w medycynie nuklearnej. Procesowi temu towarzyszy przekształcanie masy w energię, zgodnie z einsteinowską relacją E = mcIndeks górny 2². Warto uzmysłowić sobie, że przekształcenie masy 1 g w energię oznacza produkcję 25 mln kWh!

Słowniczek