Radioaktywność

Podstawowe pojęcia

Radioaktywność inaczej zwana promieniotwórczością, przemianą radioaktywną, rozpad radioaktywnym to reakcja samorzutnej przemiany jądra atomowego w inne jądro. Procesowi towarzyszy wysyłanie promieniowania jądrowego.

Cząstki, które są emitowane to: cząstka alfa (jądro helu), elektron oraz antyneutrino, pozyton oraz neutrino, foton, nukleon, cięższe jądro (¹⁴C podczas rozpadu „egzotycznego”). W wyniku reakcji radioaktywnej jądro może rozpaść się na mniejsze fragmenty (reakcja rozpadu jądra atomowego), których masy oraz ładunki są zbliżone.

Emitowany z jądra atomowego elektron jest uzyskiwany w wyniku rozpadu neutronu na elektron, proton oraz antyneutrino, a pozyton w wyniku rozpadu protonu na pozyton, neutron oraz neutrino. Rezultatem tej reakcji jest jądro atomowe innego pierwiastka z tą samą liczbą masowa, ale zawierającą jeden proton więcej (w układzie okresowym lezący o jedno miejsce dalej niż pierwiastek wyjściowy).

W procesie wychwytu elektronu lub emisji pozytonu jądro atomowe pierwiastka z tą samą liczbą masową zawiera jeden proton mniej (w układzie okresowym lezący o jedno miejsce bliżej niż pierwiastek wyjściowy).

Rozpad radioaktywny to statystyczny proces. Nie jesteśmy w stanie przewidzieć, w którym momencie jądro atomowe ulegnie rozpadowi. Zachodzące zmiany energii w jądrze w każdej przyjąć taką konfigurację, aby możliwy mógł być rozpad radioaktywny. Jesteśmy w stanie określić prawdopodobieństwo zajścia reakcji rozpadu w określonym czasie.

Dla większości jąder możemy stosować prawo rozpadu radioaktywnego. Sens tego prawa jest taki: szybkość rozpadu (aktywność radioaktywna) jest wprost proporcjonalna do ilości jąder, które mogą ulec rozpadowi.

Rozpad promieniotwórczy jest scharakteryzowany przez: rodzaju średnią żywotność jądra oraz stała rozpadu.

Przemiana jąder atomowych, które występują w środowisku naturalnym nazywamy przemianą naturalną, zaś przemiana jąder atomowych uzyskanych w reakcjach jądrowych nazywamy przemianą sztuczną.

Jądra pierwiastków idąc od polonu w stronę zwiększającej się liczby atomowej są promieniotwórcze. Mogą one tworzyć szeregi promieniotwórcze. Dotychczas poznane są trzy naturalne szeregi promieniotwórcze. Pierwszy to szereg torowy, który rozpoczyna się od ²³²Th i kończy na ²⁰⁸Pb, drugi to szereg uranowy nazywany także radowym, który rozpoczyna się od ²³⁸U i kończący na ²⁰⁶Pb, trzeci szereg aktynowy, który rozpoczyna się od ²³⁵U i kończy na ²⁰⁷Pb. Występuje także jeden szereg sztuczny (neptunowy) rozpoczynający się od ²⁴¹Pu i kończy na ²⁰⁹Bi).

Aktualnie człowiek poznał około 1800 nuklidów radioaktywnych tzw. radionuklidów. 50 z nich powstaje w środowisku naturalnym, reszta są otrzymywane w reakcjach jądrowych.

Promieniotwórczość naturalna została odkryta przez A.H. Becquerela. Ten francuski naukowiec stwierdził, że związki uranu mogą powodować zaczernienie kliszy fotograficznej. Kolejne badania były prowadzone przez M. Curie- Skłodowską oraz jej męża, Piotra. Ta para wybitnych naukowców stwierdziła promieniotwórczość toru oraz odkryła rad i polon. W późniejszym okresie rozróżniono trzy rodzaje promieniowania, tj. alfa, beta oraz gamma. Dokonali tego: P. Villard oraz F. Rutherford.. Soddy oraz Rutherford stwierdzili, zanik aktywności radioaktywnej jest wykładniczy. Promieniotwórczość sztuczną odkryli w 1934 roku Irena i Fryderyk Joliot-Curie.

Izotopy to jądra atomowe pierwiastka, które różnią się tylko masą atomową. Maja taką samą ilość protonów, ale liczba neutronów jest inna (np. ¹²C i ¹⁴C). Występują zarówno trwałe izotopy jak i radioaktywne (radioizotopy). Część z nich możemy spotkać w środowisku naturalnym. Przeważająca część jednak jest otrzymywana sztucznie w reakcjach jądrowych. Izotopy radioaktywne są na szeroką skalę stosowane. Są wykorzystywane w: medycynie, technice, biologii, chemii oraz fizyce. Dzięki nim możliwa jest walka z nowotworami. Znalazły także zastosowanie w wykrywaniu wadliwych materiałów, pomiarach grubości, archeologii (datowanie izotopowe), metodzie wskaźników izotopowych.

Radioaktywność atmosfery ziemskiej- to aktywność radioaktywna atmosfery na kuli ziemskiej wynikła z obecności zawartych w niej substancji radioaktywnych naturalnie (radon, aktyn, tor, izotop berylu oraz węgla) oraz sztucznie uzyskanych (produkty rozpadu izotopów plutonu oraz uranu).

Nuklid jądro atom. o określonym składzie, tj. określonej liczbie protonów i neutronów; np. jądro węgla, złożone z 6 protonów i 8 neutronów.

Szeregi radioaktywne- nazywane są często także szeregami radioaktywnymi. To grupa związanych ze sobą  radioaktywnych nuklidów. Powstają w wyniku rozpadu promieniotwórczego innego nuklidu. W Środowisku naturalnym mamy do czynienia z trzema 3 szeregami radioaktywnymi. Każdy nuklidami tych szeregów rozpoczyna się izotopem charakteryzujący się długim okresem półrozpadu, a kończy się stabilnymi izotopami ołowiu. Wyróżniamy szereg torowy (²³²Th-²⁰⁸Pb), szereg aktynowy (²³⁵U-²⁰⁷Pb) oraz szereg uranowy (²³⁸U-²⁰⁶Pb). Występuje także jeden sztuczny szereg radioaktywny (szereg neptunowi), który rozpoczyna się od uzyskanego sztucznie nuklidu ²⁴¹Pu i kończy na ²⁰⁹Bi.

Zasada przesunięć Soddy’ego oraz Fajansa- zasada ta ogłoszona w 1913 roku stwierdza, że na skutek rozpadu radioaktywnego alfa uzyskujemy pierwiastek charakteryzujący się mniejszą liczbą masową o 4 i występuje w układzie okresowym bliżej o 2 miejsca niż wyjściowy pierwiastek. Na skutek rozpadu radioaktywnego beta uzyskujemy pierwiastek z taką samą liczbą masową i występujący w układzie okresowym tuż za wyjściowym pierwiastkiem wyjściowym.