Definicja promieniotwórczości:

Promieniotwórczością nazywa się zjawisko polegające na samoistnym rozkładzie jąder atomowych, któremu towarzyszy emisja promieniowania. Na te samorzutne rozpady nie mają wpływu inne czynniki fizyczne jak np. ciśnienie, temperatura, czy rozdrobnienie substancji promieniotwórczej. Wśród różnych rodzajów promieniowania można wyróżnić: promieniowanie α, promieniowanie β oraz promieniowanie γ.

Podział promieniotwórczości:

Istnieją dwa rodzaje promieniotwórczości: promieniotwórczość naturalna oraz promieniotwórczość sztuczna. Ta pierwsza dotyczy samorzutnych przemian jądrowych, zachodzących w przyrodzie. Drugi typ promieniotwórczości odnosi się reakcji jądrowych, które zostały zainicjowane przez człowieka.

Historia promieniotwórczości:

Odkrycie promieniotwórczości zostało poprzedzone w roku 1895 badaniami Wilhelma Roentgena. Zawdzięcza się mu odkrycie promieni X, nazywanych inaczej promieniami Roentgena. Posiadają one zdolność, dotąd nieznaną, do przenikania ciał stałych.

Rozwój nowego działu fizyki i chemii, noszący nazwę promieniotwórczości został rozpoczęty w roku 1896, kiedy francuski fizyk - Antoine Henri Becquerel odkrył promieniotwórczość naturalną. Naukowiec pewnego dnia pozostawił fragment rudy uranowej zawiniętej w papier fotograficzny w ciemnej szufladzie. Po pewnym czasie odkrył, iż na papierze pojawiły się charakterystyczne zaczernienia, świadczące o nowej, dotychczas nieznanej właściwości pierwiastków chemicznych. Tą właściwość Becquerel nazwał właśnie promieniotwórczością naturalną.

Kolejny wielki krok w historii promieniotwórczości stanowiły badania Marii Curie Skłodowskiej i jej męża Piotra Curie. Zajęli się oni dalszą analizą rud uranowych. Dzięki przeprowadzonym doświadczeniom odkryli oni nowe pierwiastki chemiczne: polon i rad, które podobnie jak uran wykazywały zdolność do samorzutnych przemian jądrowych. Za pracę naukową na rzecz fizyki i rozwój promieniotwórczości Maria Skłodowska - Curie, Piotr Curie oraz Antoine Henri Becquerel otrzymali w roku 1903 prestiżową Nagrodę Nobla.

Rok 1934 przyniósł kolejne wielkie odkrycie. Fryderyk Joliot wraz z Ireną Joliot - Curie, córką Marii dokonali pierwszej w historii reakcji jądrowej. Poprzez bombardowanie atomów glinu cząstkami α, udało im się uzyskać jądra fosforu. Uważa się ich za twórców sztucznej promieniotwórczości. Ich odkrycie zostało uhonorowane w roku 1935, Nagrodą Nobla.

Właściwości promieniotwórczości:

Jak już powiedziano, niektóre jądra zdolne są do samorzutnych przemian jądrowych i tę ich właściwość nazywa się promieniotwórczością naturalną. Jądra atomowe, mogące ulegać takim rozpadom określa się mianem promieniotwórczych, niestabilnych lub radioaktywnych. Wszystkie niestabilne jadra charakteryzują się podobnymi właściwościami. Zalicza się do nich:

- zdolność do zaciemniania kliszy fotograficznej

- posiadają zdolność do jonizacji, czyli zmiany ładunku elektrycznego w cząstkach elektrycznie obojętnych

- wykazują zdolność do przenikania przez materię

- mogą powodować luminescencję (świecenie) niektórych substancji

- mają zdolność do inicjowania niektórych reakcji chemicznych.

Rodzaje promieniowania oraz ich charakterystyka wraz z zastosowaniem:

Na początku należy zdefiniować promieniowanie. Najczęściej określa się je jako wysyłanie i przenoszenie na pewną odległość energii. Spośród różnych rodzajów promieniowania można wyróżnić trzy podstawowe typy: promieniowanie elektromagnetyczne, promieniowanie jądrowe oraz promieniowanie energii za pomocą fal sprężystych.

Różne rodzaje promieniowania na przykładach:

  • Fale radiowe:

Fale radiowe zalicza się do promieniowania elektromagnetycznego. Ich długość waha się w granicach od 10-4 do 105 m. Jest to szeroki zakres, dlatego fale te można podzielić na kilka grup:

- mikrofale - o najkrótszej długości fali: 10-4 - 10-1 m.

- fale ultrakrótkie - ich długość mieście się granicach: 10-1 - 10 m.

- fale krótkie - od 10 do 100 m.

- fale średnie - wahają się pomiędzy 100, a 1000 m.

- fale długie - o najdłuższej fali, spośród fal radiowych: 1 do 100 km.

Wykorzystuje się je w medycynie oraz w radiokomunikacji. Ich źródłami mogą być nadajniki radiowe lub inne radioźródła.

  • Mikrofale:

Mikrofale, ich nazwa pochodzi od długości tych fal (1 do 0,1 mm), podobnie jak fale radiowe zalicza się do fal elektromagnetycznych. Charakteryzują się częstotliwością wynoszącą ok. 0,3 do 3000 GHz. Znajduje liczne zastosowanie w : medycynie, grzejnictwie (m.in. kuchenki mikrofalowe), radiolokacji oraz komunikacji.

  • Promieniowanie podczerwone:

Promieniowanie podczerwone inaczej nazywa się poczerwienią, promieniowaniem IR lub infraczerwonym. Zaliczane jest do promieniowania o charakterze elektromagnetycznym. Jego źródłami mogą być ogrzane ciała lub lampy żarowe. Długość fali tego promieniowania waha się w granicach od 0,76 do 2000 μm i z tego względu dzieli się je na kilka typów:

- podczerwień bliska - o najkrótszej długości fali

- podczerwień średnia - o pośredniej długości fali

- podczerwień daleka - o najdłuższej długości fali

Promieniowanie IR stosuje się m.in. do suszenia, a także do przeprowadzania wielu badań.

  • Promieniowanie jonizujące:

Promieniowanie jonizujące to typ promieniowania, który wywołuje zmianę ładunków elektrycznych, czyli tzw. jonizację w cząsteczkach, bądź atomach elektrycznie obojętnych. Promieniowania takiego nie jesteśmy w stanie w żaden sposób poczuć, nie wpływa ono na nasze zmysły. Do promieniowania jonizującego należy promieniowanie korpuskularne oraz promieniowanie X, a także promieniowanie γ (gamma). Powstaje m.in. podczas reakcji jądrowych oraz samorzutnych przemian jądrowych.

Charakterystyka poszczególnych rodzajów promieniowania jonizującego:

  • Promieniowanie α (alfa):

Promieniowanie α to strumień cząstek α, czyli w istocie jąder helu, składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów, które powstają na skutek przemian promieniotwórczych α. Zazwyczaj przemianom α ulegają jądra ciężkie. Dany nuklid, który ulega takiej przemianie, przechodzi w jądro, którego liczba masowa jest mniejsza o 4, zaś liczba atomowa o 2. Promienie α charakteryzują się stosunkowo niską energią.

  • Promieniowanie β+ (beta plus):

Promieniowanie β+ to strumień cząstek β+, czyli tzw. pozytonów. Cząstki te są dodatnio naładowanymi elektronami, tzn. tak samo, jak dla elektronów uznaje się ich masę za równą zeru, natomiast są obdarzone ładunkiem elementarnym dodatnim. Powstają w czasie przemian promieniotwórczych β+. Zachodzą one dla izotopów, uzyskanych w wyniku sztucznych reakcji jądrowych. Jądra ulegające takim przemianom, przechodzą w jądra o liczbie atomowej mniejszej o 1. Zazwyczaj następuje ona dla nuklidów, w których jest przewaga protonów nad neutronami. Dzieje się tak dlatego, ponieważ cząstki beta+ powstają w wyniku rozpadu protonów. Przemianom β+ towarzyszy emisja cząstek, nazywanych neutrino.

  • Promieniowanie β- (beta minus):

Promieniowanie β- to strumień cząstek β-, czyli elektronów. Powstają one podczas przemian promieniotwórczych β-, którym ulegają zazwyczaj izotopy zawierające więcej neutronów niż protonów w jądrze atomowym. Emisja cząstek β- związana jest z rozpadem neutronów. W tych przemianach powstają nowe jądra o liczbie atomowej większej o 1. Towarzyszy im emisja cząstek, nazywanych antyneutrino.

W przypadku zderzenia cząstek β- z cząstkami β+, doszłoby do tzw. anihilacji, czyli przemiany materii (cząstek) w energię. W efekcie emitowane jest promieniowanie γ, wysokoenergetyczne.

Powyżej wymienione typy promieniowania jonizującego zalicza się do promieniowania korpuskularnego. Dwa pozostałe typy: promieniowanie γ i promieniowanie X to promieniowanie o charakterze elektromagnetycznym.

  • Promieniowanie γ (gamma):

Cechą promieniowania γ jest jego wysoka energia. Jak już wspomniano, powstaje w wyniku anihilacji. Ponadto mogą być emitowane przez jądra pierwiastków promieniotwórczych, które ulęgają samorzutnym przemianom jądrowym. Promieniowanie γ wykazuje zasięg wynoszący poniżej 10-11m.

  • Promieniowanie X:

Promieniowanie X, czyli inaczej nazywane promieniowanie Roentgena stanowi promieniowanie o wysokiej energii. Należy do jednych z najbardziej przenikliwych rodzajów promieniowania. . Charakteryzuje się długością fali w granicach 0,0001 do 100 nm.; są niewidoczne oraz rozchodzą się prostoliniowo. Wyróżnia się dwa rodzaje promieni X:

- twarde - o większej przenikliwości

- miękkie - o mniejszej przenikliwości

Uzyskuje się je dzięki lampom rentgenowskim, w akceleratorach, emitują je także pierwiastki promieniotwórcze. Są niebezpieczne dla organizmów żywych, gdyż uszkadzają tkanki żywe. Promieniowanie X służy medycynie do prześwietleń, a także w krystalografii do badania struktur kryształów.

  • Promieniowanie ultrafioletowe:

Promieniowanie ultrafioletowe nazywane jest także nadfioletem lub promieniowaniem UV. Podobnie jak promieniowanie podczerwone oraz fale radiowe, zalicza się go do promieniowanie elektromagnetycznego. Długość fali dla ultrafioletu wynosi ok. 10 do 400 nm. i podlega podziałowi na cztery zakresy:

- ultrafiolet A - o najdłuższej długości fali

- ultrafiolet B

- ultrafiolet C

- nadfiolet próżniowy - o najkrótszej długości fali

Na powierzchnię ziemi dociera promieniowanie UV, którego źródło stanowi Słońce. Jest ono największym i najsilniejszym emiterem nadfioletu.

  • Promieniowanie słoneczne:

Promieniowanie słoneczne stanowi mieszaninę promieniowania elektromagnetycznego i korpuskularnego. Spora jego cześć nie dociera na powierzchnię ziemi. Ocenia się, iż 30 % zostaje odbite od atmosfery, 20 % ulega pochłonięciu przez nią, zaś jedynie 50% całkowitego promieniowania słonecznego do nas dociera.

  • Promieniowanie kosmiczne:

Promieniowanie kosmiczne, a więc promieniowanie powstające w przestrzeni kosmicznej, zostało odkryte w roku 1912. W jego skład wchodzi wiele rodzajów promieniowania. Przeważają głównie strumienie protonów, elektronów, a także ciężkich jąder atomowych. Promieniowanie kosmiczne, które dociera na powierzchnię ziemi nazywa się wtórnym, ponieważ strumienie cząstek ulęgają reakcjom jądrowym w atmosferze. W efekcie, składa się ono z różnego rodzaju cząstek o wysokiej energii. Odkryto, iż na różnych wysokościach nad poziomem morza można zaobserwować różne rodzaje promieniowania. Na wysokościach kilku tysięcy metrów odnotowuje się promieniowanie γ oraz promieniowanie elektronowe. Na wysokościach kilkunastu kilometrów wykazano, iż istnieje promieniowanie protonowe, neutronowe, a także strumienie pionów. Promieniowanie kosmiczne wnika w powierzchnię ziemi i przyczynia się do powstawania radioaktywnych nuklidów (np. 7Be, 14C, 22Na), które mają ogromne znaczenie biologiczne Ponadto jest odpowiedzialne za jonizacje powietrza atmosferycznego.

  • Promieniowanie tła:

Promieniowanie tła funkcjonuje także pod nazwą promieniowania reliktowego lub szczątkowego. W istocie promieniowanie to jest pozostałością wczesnych okresów rozwoju Kosmosu. We wszechświecie występuje pod postacią cząstek nazywanych kwarkami.

W dzisiejszym świecie jesteśmy w stanie wytworzyć i wyodrębnić wiele rodzajów promieniowania. Każde z nich staramy się odpowiednio wykorzystać. Obecny stan nauki i techniki pozwala na wielorakie ich wykorzystanie. Tworzymy lampy emitujące światło podczerwone, stosowane w medycynie, aparatury Rentgenowskie, kuchenki mikrofalowe, urządzenie radiolokacyjne, komunikacyjne oraz grzewcze. Nie można też zapomnieć o roli pierwiastków promieniotwórczych i wykorzystaniu możliwości, jakie daje sztuczna promieniotwórczość. Człowiek stworzył największe dzieło zniszczenia - bombę atomową, ale także reaktory jądrowe, służące do pozyskiwania taniej i stosunkowo małoodpadowej energii. Niektóre izotopy promieniotwórcze wykorzystuje się w wielu badaniach i pomiarach np. w hydrogeologii, medycynie, archeologii i innych.