Promieniotwórczość

Izotop

Izotopami nazywa się jądra atomowe, tego samego pierwiastka chemicznego różniące się ilością neutronów, znajdujących się w jądrze. Izotopy różnią się pomiędzy sobą masą atomową. Najczęściej oznacza się je podając symbol pierwiastka oraz jego liczbę masową.

Np. ¹H, ²H; ¹⁶O, ¹⁷O.

Izotopy można podzielić na izotopy stabilne oraz na izotopy promieniotwórcze. Izotopy stabilne to jądra atomowe, które są trwałe, nie ulegają samorzutnym przemianom promieniotwórczym, w przeciwieństwie do izotopów promieniotwórczych (inaczej: niestabilnych), które ulegają tym przemianom.

Większość z radioizotopów (izotopów promieniotwórczych) uzyskuje się w wyniku przeprowadzonych reakcji jądrowych. Tylko nieliczne występują naturalnie w przyrodzie. Izotopy promieniotwórcze znajdują liczne zastosowania w nauce, technice i medycynie. Są wykorzystywane także w przemyśle m.in. do uzyskiwania energii w elektrowniach jądrowych.

Nuklid

Mianem nuklidu nazywa się jądro atomowe, charakteryzujące się określonym składem. Dany nuklid posiada ściśle określoną liczbę protonów i neutronów.

Np. nuklid azotu ¹⁴N tworzą: 7 protonów oraz 7 neutronów.

Reguła przesunięć Soddy'ego - Fajansa:

Reguła ta jest inaczej nazywana prawem przesunięć Soddy'ego - Fajansa. Została sformułowana przez Soddy'ego oraz Fajansa - dwóch fizykochemików w roku 1913. Określa ona położenie oraz liczbę masową pierwiastka chemicznego, powstającego w wyniku rozpadu promieniotwórczego.

Zgodnie z ta reguła, w efekcie przemiany promieniotwórczej α, zawsze powstaje pierwiastek o liczbie atomowej (Z) mniejszej o 2. Następuje jego przesunięcie w układzie okresowym w lewo o dwie pozycje.

W wyniku przemiany promieniotwórczej β^- , powstaje, z kolei, zawsze pierwiastek o liczbie atomowej (Z) większej o 1. Następuje jego przesunięcie w układzie okresowym w prawo o dwie pozycje.

Szeregi promieniotwórcze:

Szeregi promieniotwórcze są inaczej nazywane rodzinami promieniotwórczymi. Określeniem tym nazywa się szeregi nuklidów promieniotwórczych, które są ze sobą powiązane genetycznie, czyli każdy z tych nuklidów powstaje w wyniku przemiany promieniotwórczej innego jądra atomowego. Szeregi takie tworzą się poprzez rozpady promieniotwórcze α i β niektórych nuklidów. Każda rodzina rozpoczyna się od nuklidu charakteryzującego się długim okresem połowicznego rozpadu, zaś kończy się na stabilnym jądrze atomowym.

W przyrodzie istnieją trzy naturalne szeregi promieniotwórcze:

- szereg uranowo - radowy. Rozpoczyna się od izotopu uranu ²³⁸U, a kończ się n trwałym izotopie ołowiu ²⁰⁶Pb.

- szereg uranowo - aktynowy. Rozpoczyna się od izotopu uranu ²³⁵U, a kończy się na trwałym izotopie ołowiu ²⁰⁷Pb.

- szereg torowy. Rozpoczyna się od izotopu toru ²³²Th, a kończy się na trwałym izotopie ołowiu ²⁰⁸Pb.

Oprócz szeregów naturalnych istnieje jeszcze jeden szereg promieniotwórczy uzyskany w sposób sztuczny. Szeregiem tym jest szereg neptunowy. Swoją nazwę zawdzięcza jednemu, ze swoich składników, który wykazuje się wyjątkową stabilnością. Szereg ten rozpoczyna się od izotopu plutonu ²⁴¹Pu, a kończy się na trwałym izotopie bizmutu ²⁰⁹Bi.

Czas połowicznego zaniku:

Czas połowicznego zaniku, inaczej nazywany czasem półtrwania lub czasem połowicznego rozpadu, to czas, po którym następuje rozkład początkowej ilości izotopu promieniotwórczego. Należy tutaj zaznaczyć, iż jest to prawo statystyczne, oznacza to, że nie można określić, kiedy dane jądro ulegnie rozpadowi, można to uczynić jedynie z pewnym prawdopodobieństwem. Dlatego często mówi się, o procencie [%] nuklidów, które uległy rozpadowi promieniotwórczemu. Z czasem półtrwania jest ściśle związana szybkość rozkładu promieniotwórczego. Znając tzw. stalą szybkości rozpadu promieniotwórczego (wielkość charakterystyczną dla danego nuklidu i z tablicowaną), można obliczyć, ile jąder pozostanie w próbce po danym czasie. Zależność ta określona jest następującym wzorem:

,

gdzie: t - czas; - stała szybkości rozpadu promieniotwórczego; N₀- początkowa ilość promieniotwórczego izotopu; N - ilość izotopu po czasie t.

Promieniotwórczość:

Promieniotwórczością określa się zdolność atomu pierwiastka do samorzutnej przemiany w jądro atomu innego pierwiastka, poprzez wysłanie promieniowania.

Promieniotwórczość można podzielić na dwie grupy:

- promieniotwórczość naturalną - jest to promieniotwórczość związana z samoistnymi przemianami nuklidów naturalnie występujących w przyrodzie.

- promieniotwórczość sztuczna - to promieniotwórczość związana z samoistnymi przemianami nuklidów otrzymanych sztucznie przez człowieka, w wyniku reakcji jądrowych.

Do samorzutnych przemian jądrowych można zaliczyć:

- Przemiana α to wysłanie cząstek α, czyli jąder helu, pochodzących z jąder pierwiastków ulegających przemianie. Przemiana ta zachodzi według schematu:

- Przemiana β^- to emisja elektronu pochodzącego z rozpadu neutronu w jądrze pierwiastka, który ulega przemianie. Oprócz elektronu, w tej przemianie jest jeszcze emitowana cząstka zwana antyneutrino. Przemiana ta zachodzi według schematu:

- Przemiana β⁺ to emisja pozytonu pochodzącego z rozpadu protonu w jądrze pierwiastka, który ulega przemianie. Oprócz pozytonu w przemianie tej jest jeszcze emitowana cząstka nazywana neutrino. Przemiana ta zachodzi według schematu:

Do dziś znanych jest ok. 1800 promieniotwórczych nuklidów. Większość z nich powstaje sztucznie, tylko niektóre występują w przyrodzie naturalnie (jest ich ok. 50).

Największe i najważniejsze odkrycia w dziedzinie promieniotwórczości miały miejsce na początku ubiegłego wieku. Można do nich zaliczyć:

- odkrycie istnienia promieniotwórczości naturalnej przez A. H. Becquerel. Jako pierwszy zaobserwował, jak ruda uranu powoduje zaczernienie papieru fotograficznego. Doświadczenie to doprowadziło go do wniosków, iż musi istnieć owa promieniotwórczość naturalna.

- Następne ważne wydarzenia, to odkrycie przez Piotra i Marię Curie nowych pierwiastków promieniotwórczych: radu i polonu. Za prace nad zjawiskiem promieniotwórczości otrzymali oni nagrodę Nobla w roku 1903 oraz niezależnie Maria Curie w roku 1911.

- Kolejne ważne prace to rozróżnienie oraz identyfikacja składowych promieniowania: α, β i γ.

Do odkryć tych przyczynili się E. Rutherford, P. Villard, Becquerel, S.T. Meyer, E. von Schweidler.

- W roku 1934 po raz pierwszy odkryto promieniotwórczość sztuczną. Dokonali tego I. i F.J. Joliot-Curie.