Kilka słów wstępu na temat promieniotwórczości:

Promieniotwórczość to cecha, charakteryzująca dane jądro atomowe. Istnieją dwa rodzaje promieniotwórczości: promieniotwórczość naturalna oraz promieniotwórczość sztuczna.

Promieniotwórczością naturalną nazywa się zdolność atomu określonego pierwiastka do samoistnych, a więc bez udziału człowieka, przemian w jądro innego pierwiastka, poprzez wysyłanie promieniowania. Zjawisko to zaobserwował po raz pierwszy Antoine Henri Becquerel w roku 1896. Wydarzenie to stało się przełomowe zarówno dla fizyki, jak i dla chemii. Francuski 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 promieniotwórczością naturalną. Do dziś poznanych jest ok. 60 nuklidów, czyli jąder atomowych, które ulegają samorzutnym przemianom jądrowym.

Promieniotwórczością sztuczną nazywa się zjawisko, polegające na tym, że trwałe jądro atomowe ulega przemianom jądrowym, na skutek jego aktywacji, np. bombardowania go innymi cząstkami. Promieniotwórczość sztuczna, w przeciwieństwie do promieniotwórczości naturalnej jest zainicjowana przez człowieka. Po raz pierwszy została odkryta w roku 1934 przez F. i I. J. Juliot – Curie. Stwierdzili oni, iż pod wpływem naświetlania glinu cząstkami α, otrzymuje się atomy fosforu. Odkrycie to zostało docenione i uhonorowane w roku 1935 nagrodą Nobla.

Zapis reakcji przeprowadzonej przez F. i I. J. Juliot – Curie:

 

Czas połowicznego rozpadu…

Czas połowicznego rozpadu to zjawisko nazywane inaczej czasem półtrwania lub okresem połowicznego zaniku. Określa czas, po którym połowa z początkowej ilości jąder promieniotwórczego izotopu ulegnie rozkładowi. Wśród znanych nam promieniotwórczych izotopów okres ten może być bardzo różny. Mieści się w granicach od 10-17 sekundy, aż do 1017lat. 

Znając czas połowicznego rozpadu można przeprowadzać proste obliczenia, dotyczące jaki procent początkowej ilości promieniotwórczego izotopu pozostanie, po wielokrotności okresu połowicznego zaniku.

Np. 100% 50% 25% 12,5% …

Na podstawie czasu połowicznego rozpadu można obliczyć, jaka cześć początkowej ilości jąder rozpadnie się po określonym czasie. W tym celu wykorzystuje się tzw. szybkość rozkładu promieniotwórczego. Określa ona, jak zmienia się ilość danego, nietrwałego izotopu wraz z upływem czasu:

, gdzie: V – szybkość rozkłady promieniotwórczego

dN – zmiana ilości jąder danego izotopu

dt – przyrost czasu

  λ – stała szybkości rozkładu promieniotwórczego, charakterystyczna dla   danego izotopu, wielkości te są dostępne w tablicach chemicznych

Z przekształcenia powyższego wzoru można uzyskać następujący wzór:

  N0 – ilość początkowa izotopu promieniotwórczego

  N – ilość końcowa izotopu promieniotwórczego

Promieniowanie, co to jest ?

Na samym początku warto wyjaśnić pojęcie promieniowania. Najogólniej mówiąc promieniowanie stanowi energię, która została wysłana na odległość. Istnieje wiele rodzajów promieniowania, w postaci którego energia może być przenoszona. Można tu wymienić: promieniowanie cieplne, promieniowanie poprzez fale elektromagnetyczne, promieniowanie korpuskularne.

Wszystkie rodzaje promieniowania można podzielić na dwie grupy: promieniowanie jonizujące i promieniowanie niejonizujące.

Promieniowaniem jonizującym nazywa się ten 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).

Promieniowanie niejonizujące to promieniowanie nie wywołujące jonizacji elektrycznie obojętnych cząstek. Do tej grupy można zaliczyć:  promieniowanie radiowe, mikrofalowe, podczerwone oraz światło widzialne. 

Charakterystyka promieniowania jonizującego.

Rożne rodzaje promieniowanie jonizującego.

  1. Promieniowanie korpuskularne jest związane z emisją cząstek, którym można przypisać pewną masę spoczynkową. Stanowi strumień cząstek o energii kwantu lub energii cząstki chemiczne, która wystarcza do oderwania elektronu od danej cząstki.
    • Promieniowanie α (alfa):

Promieniowanie α stanowi strumień cząstek α. Cząstki alfa to w istocie jądra helu, składające się z dwóch protonów i dwóch  neutronów, które powstają w wynik przemian promieniotwórczych α. 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. 

Np.

  • Promieniowanie β+ (beta +):

Promieniowanie β+ stanowi strumień cząstek β+, czyli 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. 

 

Np.

  • Promieniowanie β- (beta -):

Promieniowanie β- stanowi 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- wiąże się z rozpadem neutronów. W efekcie tej przemiany powstają nowe jądra o liczbie atomowej większej o 1. Przemianom β- towarzyszy emisja cząstek, nazywanych antyneutrino.

 

Np.

  • Promieniowanie neutronowe:

Promieniowanie neutronowe stanowi strumień neutronów, czyli cząstek elektrycznie obojętnych, których masę atomową określa się na 1u. Promieniowanie to jest emitowane w czasie niektórych reakcji jądrowych. Powstaje m.in. podczas rozszczepiania ciężkich jąder atomowych.

  1. Promieniowanie X:

Promieniowanie X, czyli inaczej nazywane promieniowanie rentgenowskie stanowi kwantów promieniowania elektromagnetycznego. Powstaje w efekcie hamowania rozpędzonych elektronów na jądrach atomowych. Promieniowanie to zostało odkryte w roku 1895, przez Wilhelma Roentgena, stąd jego nazwa. Charakteryzuje się długością fali w granicach 0,0001 do 100 nm. Wyróżnia się dwa rodzaje promieni X: twarde, które są bardziej przenikliwe oraz miękkie, o mniejszej przenikliwości. Są niewidoczne oraz rozchodzą się prostoliniowo. Wywołują jonizacje gazów. Są niebezpieczne dla organizmów żywych, gdyż uszkadzają tkanki żywe. Uzyskuje się je dzięki lampom rentgenowskim, w akceleratorach, emitują je także pierwiastki promieniotwórcze. Promieniowanie X służy medycynie do prześwietleń, a także w krystalografii do badania struktur kryształów. 

  1. Promieniowanie γ (gamma):

Promieniowaniem γ nazywa się promieniowanie elektromagnetyczne o wysokiej energii. Powstaje w wyniku anihilacji, czyli zderzenia cząstek z antycząstkami (np. pozytonów z elektronami), emitują je również jądra pierwiastków promieniotwórczych, które ulęgają samorzutnym przemianom jądrowym. Spośród wyżej wymienionych rodzajów promieniowania, promieniowanie γ ma największy zasięg.

Emisja promieniowanie X oraz promieniowania γ bardzo często towarzyszy promieniowaniu korpuskularnemu.

Reakcja łańcuchowa, co to jest ?

Reakcją łańcuchową nazywa się ciąg samorzutnych procesów, które zachodzą jeden po drugim. Każdy kolejny etap jest spowodowany, poprzednim. Reakcja łańcuchowa składa się z trzech podstawowych części: etapu inicjowania łańcucha, jego rozwijania oraz zakończenia. W reakcji takiej biorą udział aktywne cząstki, nazywane nośnikami łańcucha, dzięki którym możliwe jest zajście kolejnych etapów. Przykładem reakcji łańcuchowej jest proces, jaki ma miejsce w bombie atomowej.

Do konstrukcji bomy atomowej używa się rud uranowych zawierających ok. 99 % uranu-235 i ok. 1 % uranu-238. Jest to tzw. uran wzbogacony, ponieważ naturalna ruda uranowa zawiera niewielkie ilości uranu -235.

Aby zainicjować reakcję łańcuchową należy zbombardować neutronami jądra 235U. Część z nich odbije się, natomiast cześć zostanie pochłonięta, doprowadzając do pierwszego etapu reakcji łańcuchowej. Jeżeli odpowiednio określi się energię tych elektronów, to będzie zachodziła przemian jądrowa, w wyniku której uwalniane są 3 neutrony. W jej wyniku jądro uranu 235U ulegnie rozszczepieniu, w wyniku czego powstaną dwa nowe jądra atomowe oraz ok. 1 do 3 neutronów. Schemat takiego procesu jest pokazany poniżej:

Te trzy uwolnione neutrony, z każdej elementarnej reakcji zainicjują kolejne. W ten sposób nastąpi wzrost łańcucha. Ponieważ przy każdej reakcji jest wydzielana ogromna ilość energii, doprowadzi ona w końcu do niekontrolowanego wybuchu. Raz zainicjowana reakcję ciężko jest powstrzymać. Trzeba pamiętać, iż aby zaszła reakcja łańcuchowa, to próbka uranu musi mieć odpowiednia, minimalną masę – tzw. masę krytyczną. Zasada działania bomby atomowej jest podobna do działania reaktora jądrowego. W przypadku reaktora jądrowego, część szybkich neutronów zostaje wychwycona przez tzw. moderatory (np. grafit lub ciężka woda) i nie dochodzi do niekontrolowanego wybuchu. Reakcja jest nadal łańcuchowa, ale nie rozgałęzia się, jej tempo rozrostu jest utrzymywane na stałym poziomie.

Szeregi promieniotwórcze:

Szeregami promieniotwórczymi nazywa się szeregi pierwiastków niestabilnych (promieniotwórczych), w których następny pierwiastek (dany izotop) powstaje z pierwiastka poprzedniego (określonego izotopu). Te następujące po sobie rozpady zachodzą według określonych sekwencji: przemian α lub przemian β.

W przyrodzie istnieją trzy naturalne szeregi promieniotwórcze:

- uranowo- radowy, który zaczyna się izotopem uranu 238U, a kończy trwałym izotopem ołowiu 206Pb. W jego skład wchodzi 18 nuklidów, a cały szereg rozpoczyna się przemiana α.

- uranowo – aktynowy, który zaczyna się izotopem uranu 235U, a kończy trwałym izotopem ołowiu 207Pb. W jego skład wchodzi 12 nuklidów, a cały szereg rozpoczyna się przemiana α.

- torowy, który zaczyna się izotopem technetu  232Th, a kończy trwałym izotopem ołowiu 208Pb. W jego skład wchodzi 15 nuklidów, a cały szereg rozpoczyna się przemiana α.

Oprócz naturalnych istnieją jeszcze sztuczne szeregi promieniotwórcze.

– neptunowy, który zaczyna się izotopem neptunu 237Np, a kończy trwałym izotopem bizmutu 209Bi. W jego skład wchodzi 13 nuklidów, a cały szereg rozpoczyna się przemiana α. Ocenia się, iż szereg ten występował naturalnie we wczesnym etapie powstawania ziemi. Teraz jest ponownie obecny, ze względu, na skażenie środowiska  nuklidem plutonu 241Pu.