Zjawisko promieniotwórczości zostało odkryte dzięki efektom, które wywołuje. W $1896$ roku Henri Becquerel [bekrẹl] zauważył, że papier fotograficzny, który znajdował się w pobliżu związku uranu, czernieje, mimo że odizolowano go od promieni słonecznych.

RKoGKAbcqpgfb

Zdjęcie przedstawia kliszę fotograficzną należącą do Becquerela. Na jasnoszarym tle znajdują się dwie ciemne plamy - jedna pod drugą. Nad plamami jest tekst zapisany po francusku.

Prace nad promieniotwórczością kontynuowało małżeństwo Curie. Z ich badań wynikało, że nie tylko uran jest źródłem nowych niewidocznych promieni, lecz również inne izotopy występujące razem w rudzie uranu. Na przełomie $\text{XIX}$ i $\text{XX}$ wieku udało im się wyizolować z owej rudy dwa nowe pierwiastki: polon – nazwany na cześć Polski – oraz rad.

Za odkrycie tych pierwiastków Maria Skłodowska-Curie otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii, a za pracę nad promieniotwórczością, razem z Becquerelem i swoim mężem, otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Naturalne przemiany promieniotwórcze to takie, które zachodzą w przyrodzie samorzutnie – bez wpływu człowieka i polegają na rozpadzie jąder atomowych. Wszystkie pierwiastki, zaczynając od bizmutu o liczbie atomowej $Z=83$, ulegają rozpadom promieniotwórczym.

Wyróżniamy następujące przemiany promieniotwórcze:

• przemiana $\alpha$ (rozpad $\alpha$);

• przemiana $\beta^-$ (rozpad $\beta^-$);

• przemiana $\beta^+$ (rozpad $\beta^+$).

Przemianom jądrowym często towarzyszy emisja promieniowania $\gamma$. Jest ono wysokoenergetyczne, czyli bardzo szkodliwe dla organizmów żywych.

Przemiana $\alpha$rozpad αalfaPrzemiana $\alpha$ polega na wyrzuceniu z jądra cząstki alfa, która jest tożsama z jądrem atomu helu–$4$ (zbudowana z dwóch neutronówneutronneutronów i dwóch protonówprotonprotonów), co zapisujemy ${}_2^4\text{He}$. Cząstka alfa porusza się z prędkością od kilku do kilkunastu tysięcy kilometrów na sekundę.

Jednym z pierwiastków, który ulega przemianie $\alpha$, jest ameryk–$241$. Reakcja rozpadu atomu ameryku przebiega zgodnie z równaniem:

W wyniku utraty przez jądro atomu cząstki $\alpha$ ($Z=2$, $A=4$), która zawiera dwa protony i dwa neutrony, powstaje jądro nowego pierwiastka o mniejszej liczbie protonów (o dwa) i mniejszej liczbie neutronów (również o dwa). Powoduje to zmniejszenie liczby atomowej pierwiastka o dwa ($Z-2$), a utrata cztrech nukleonów zmniejsza liczbę masową o cztery ($A-4$).

To, w jaki sposób w naturalnych przemianach promieniotwórczych zmienia się liczba atomowa $Z$ i liczba masowa $A$, określone jest przez regułę przesunięć Soddy'ego-Fajansa.

Schematycznie przemianę $\alpha$ można zapisać:

Przemiana $\beta^-$rozpad βbetaIndeks górny -^-Przemiana $\beta^-$ polega na emisji elektronu z jądra atomu. Elektrony pochodzące z jądra atomowego nazywamy cząstkami $\beta^-$. W wyniku tej przemiany liczba atomowa Z pierwiastka zwiększa się o jeden.

Znając budowę jądra atomowego, możesz się teraz zastanawiać, skąd w jądrze pojawił się elektron i dlaczego liczba atomowa pierwiastka zwiększyła się o jeden?

W wyniku tej przemiany z neutronu powstaje proton i elektron, zgodnie z równaniem:

Jedną z cząstek powstałych w tym rozpadzie jest antyneutrino elektronowe $\overline{\nu_{\text e}}$, które powstaje w wyniku rozpadu neutronu. Jest ono cząstką nieobdarzoną ładunkiem elektrycznym o bardzo małej masie – takiej, żeby prawo zachowania masy zostało zachowane. Naukowcy, badając przemianę $\beta^-$, zauważyli, że emitowane elektrony nie posiadają tej samej energii, zatem zasada zachowania energii była niespełniona. W $1930$ roku Wolflang Pauli zaproponował istnienie dodatkowej cząstki, powstałej w tym rozpadzie. W $1954$ roku istnienie tej cząstki zostało potwierdzone w wyniku eksperymentu Fredericka Reines'a i Clyde Cowen'a.

Atom toru–$234$ w wyniku rozpadu $\beta^-$ przekształca się w atom protaktynu–$234$, dlatego liczba atomowa zwiększa się o jeden ($Z+1$), zaś liczba masowa pozostaje bez zmian, ponieważ przemiana neutronu w proton nie powoduje zmian w łącznej liczbie nukleonów:

Schematycznie przemianę $\beta^-$ można zapisać:

Masa elektronów jest dużo mniejsza od masy protonu czy neutronu, zatem mogą one poruszać się dużo szybciej – osiągają aż $90\%$ prędkości światła. Promieniowanie $\beta^-$ jest promieniowaniem o średniej przenikliwości. Aby je zahamować, potrzebna jest już np. blacha aluminiowa.

Przemiana $\beta^+$ występuje samorzutnie tylko w przypadku izotopów otrzymanych przez człowieka, jak np. tlen–$15$. Wiąże się to z emisją z jądra atomu cząstki zwanej pozytonem, posiadającej ładunek dodatni i masę zbliżoną do masy elektronu.

Pozyton ${}_1^0\mathrm{e}$ powstaje w wyniku rozpadu protonu, zgodnie z równaniem:

Podczas przemiany $\beta^-$ powstaje antyneutrino elektronowe, natomiast w wyniku rozpadu protonu z jądra atomowego zostaje emitowane neutrino elektronowe. Neutrino i antyneutrino tworzą parę cząsteczek, które nawzajem się znoszą. W wyniku przemiany $\beta^+$, liczba atomowa zmniejsza się o $1$ ($Z-1$). Tej przemianie może ulegać atom izotopu tlenu–$15$, zgodnie z równaniem:

Schematycznie przemianę $\beta^+$ można zapisać:

Tak samo jak promieniowanie $\beta^-$, rozpad $\beta^+$ jest promieniowaniem średnio przenikliwym, co oznacza, że zostaje zatrzymane przez kilkumilimetrową warstwę aluminium.

Promieniowanie $\gamma$ to promieniowanie o dużej częstotliwości, można je traktować jako strumień fotonówfotonfotonów. Te, które tworzą to promieniowanie, nie mają masy spoczynkowej, ładunku, a także są niewrażliwe na pole magnetyczne. W wyniku tego promieniowania nie zmienia się liczba atomowa $Z$ ani liczba masowa $A$ atomu, emitującego to promieniowanie. Promieniowanie gamma powstaje, by jądra mogły się pozbyć nadmiaru energii, powstałej wskutek innych przemian promieniotwórczych. Promieniowanie $\gamma$ może być emitowane również przez atomy w stanie wzbudzonym. Osiąga ono prędkość światła, jest szkodliwe dla organizmów żywych oraz, żeby je zatrzymać, potrzebna jest ołowiana ściana.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząstki, materia, reakcje, Warszawa 2018.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2007.

Encyklopedia PWN