Historia badań nad promieniotwórczością.

Podczas przeprowadzania badań nad fosforescencją, zupełnie przez przypadek A.H. Becquerel odkrył, iż tylko niektóre związki uranu powodują zaczernienie emulsji fotograficznej. Fakt ten nie mógł być związany z klasyczną fosforescencją. W ten sposób okazało się, iż niektóre atomy poszczególnych pierwiastków mogą samorzutnie emitować pewne rodzaje promieniowania. Systematyczne badania tego zjawiska zostały wkrótce podjęte między innymi przez Marię Skłodowską-Curie i Piotra Curie. Doprowadziły one niebawem do stwierdzenia, iż także niektóre inne pierwiastki mają właściwości promieniotwórcze (np. tor). Odkryto przy okazji również całkiem nowe promieniotwórcze pierwiastki jak rad, czy polon. Prowadzone coraz bardziej intensywnie badania, doprowadziły niebawem do ustalenia prawdziwej natury zjawiska promieniotwórczości. Okazało się, iż niektóre izotopy danych pierwiastków mają zdolności do ulegania samorzutnemu rozpadowi z jednoczesną emisją promieniowania. Odkryto trzy podstawowe rodzaje promieniowania: alfa (α), beta (β) i gamma (γ). Wkrótce okazało się, że zanik aktywności promieniotwórczej danego materiały wykazuje charakter wykładniczy. Zjawisko sztucznej promieniotwórczości odkryto w roku 1934 (Irena Joliot-Curie i Frederic Joliot).

Co to jest promieniotwórczość?

Promieniotwórczość jest to samorzutny proces, polegający na przemianie jednego jądra atomowego w inne. Przemianie tej towarzyszy emisja promieniowania jądrowego. Emitowanymi podczas rozpadu promieniotwórczego cząstkami mogą być: elektron oraz antyneutrino; pozyton i neutrino; jądro helu (42He), neutrino, foton, a także nukleon lub nawet cięższe jądro atomowe. W niektórych przypadkach następuje rozpad jądra atomowego na mniejsze fragmenty, zazwyczaj o porównywalnych masach oraz ładunkach. Mamy wówczas do czynienia z tzw. rozszczepieniem jądra. Jak już wspomniano, przeprowadzane badania nad zjawiskiem promieniotwórczości wykazały, że atomy radioaktywne wysyłają przede wszystkim 3 podstawowe rodzaje promieniowania – α, β i γ. Każde z nich charakteryzuje się innym zasięgiem oraz inną przenikliwością i sposobem oddziaływania z polem elektrycznym. Promieniowaniem o zasięgu najmniejszym (rzędu kilku centymetrów) i najmniejszej przenikliwości, jest promieniowanie α. W polu elektrycznym, cząstki α ulegają odchyleniu w stronę bieguna ujemnego. Promieniowanie α jest w rzeczywistości strumieniem jąder helu zawierających dwa neutrony oraz dwa protony. Masa tych cząstek jest zatem dość wysoka. Drugi rodzaj promieniowania stanowi promieniowanie β. W polu elektrycznym promieniowanie to, które w rzeczywistości  jest strumieniem elektronów, odchyla się w stronę bieguna dodatniego. Ma ono dużo większy zasięg niż promieniowanie α, a także dużo większą przenikliwość. Czasami może zostać wyemitowana cząstka o masie takiej samej jak masa elektronu, ale charakteryzująca się ładunkiem dodatnim. Cząstkę taką nazwa się pozytonem, a promieniowanie tego typu określa się symbolem β+. Trzecim ważnym rodzajem promieniowania jest promieniowanie γ, które w odróżnieniu poprzednich, jest promieniowaniem elektromagnetycznym o bardzo niewielkiej długości fali. Charakteryzujące się ono dużym zasięgiem i wysoką przenikliwością. Emisja promieniowania α i β prowadzi bezpośrednio do zmiany składu jądra atomowego. Jeżeli z jądra konkretnego pierwiastka wyemitowana zostanie cząstka α, wówczas liczba masowa atomu potomnego będzie mniejsza o 4 jednostki w stosunku do liczby masowej atomu przed przemianą (ubywa 2 protony i 2 neutrony). Liczba atomowa również ulegnie zmniejszeniu (o 2 jednostki) na skutek emisji 2 protonów. Powstały w wyniku przemiany pierwiastek będzie się znajdował w układzie okresowym o dwie pozycje na lewo w stosunku do pierwiastka przed przemianą. Można to zatem zapisać w następujący sposób.

 →  +

Podczas przemiany β-, znajdujący się w jądrze neutron ulega rozpadowi, w wyniku którego wytwarza się emitowany na zewnątrz elektron i pozostający w jądrze proton. Powoduje to w konsekwencji, że liczba atomowa pierwiastka po przemianie będzie o 1 większa od liczby atomowej pierwiastka wyjściowego, co spowoduje jego przesunięcie w układzie okresowym o jedno miejsce w prawo. Można to zapisać następująco.

 →  +

Podczas przemiany β+ znajdujący się w jądrze proton ulega rozpadowi. Powstaje wówczas emitowany na zewnątrz pozyton i nowy, pozostający w jądrze neutron. Liczba atomowa nowego pierwiastka jest w tym wypadku mniejsza o 1 w stosunku do pierwiastka przed przemianą. Spowoduje to przesunięcie pierwiastka w układzie okresowym o jedno miejsce w lewo.

 →  +

Opisane powyżej zależności, pomiędzy typem przemiany promieniotwórczej, a położeniem produktu tej przemiany w układzie okresowym, zostały odkryte niemal jednocześnie przez Kazimierza Fajansa oraz przez Fredericka Soddy’ego. Prawo to nosi nazwę prawa przesunięć Fajansa-Soddy’ego.

Rozpad promieniotwórczy zaliczany jest do tzw. procesów statystycznych. Nie jest możliwe do przewidzenia, kiedy konkretne jądro atomowe ulegnie przemianie. Można jedynie określić prawdopodobieństwo zajścia takiego rozpadu w danej chwili. Dla wielu jąder zachowuje słuszność tzw. prawo rozpadu promieniotwórczego, które mówi, że szybkość danego rozpadu, (tzw. aktywność promieniotwórcza), jest proporcjonalna do ogólnej ilości jąder, które mogą ulec rozpadowi. Wielkościami, które charakteryzują rozpad promieniotwórczy jest średni czas życia jądra, a także tzw. stała rozpadu. Promieniotwórczość, którą wykazują pierwiastki obecne w przyrodzie nosi nazwę promieniotwórczości naturalnej. Promieniotwórczość jąder, otrzymanych sztucznie w wyniku rozmaitych reakcji jądrowych, to tzw. promieniotwórczość sztuczna. Ważną rzeczą są tzw. „szeregi promieniotwórcze”. Najprościej rzecz biorąc, jest to zespół pierwiastków promieniotwórczych, powstających w wyniku następujących kolejno po sobie rozpadów promieniotwórczych. Produkty tych rozpadów tworzą właśnie szereg. Na początku każdego szeregu promieniotwórczego znajduje się izotop promieniotwórczy charakteryzujący się dość długim okresem półtrwania, a na końcu izotop względnie trwały, który nie ulega rozpadowi. Tradycyjnie rozróżnia się cztery szeregi promieniotwórcze.

  •   Szereg uranowo radowy, rozpoczynający się rozpadem alfa izotopu 238U, a kończący trwałym izotopem  ołowiu 206Pb.
  •   Szereg uranowo aktynowy, rozpoczynający się rozpadem izotopu 235U, a kończący trwałym izotopem ołowiu 207Pb
  •   Szereg torowy, rozpoczynający się rozpadem izotopu toru 232Th, a kończący stabilnym izotopem 208Pb
  •   Szereg neptunowy, rozpoczynający się rozpadem izotopu neptunu 237Np, a kończący stabilnym izotopem bizmutu 209Bi

Trzy pierwsze szeregi promieniotwórcze występują w środowisku naturalnym.

Co to są izotopy?

Izotopy są to atomy zawierające w jądrze taką samą ilość protonów, ale różniące się różną ilość neutronów. W związku z tym mają one jednakową liczbą atomową (Z), a różną się liczbą masową (A). Większość pierwiastków występuje w przyrodzie w postaci kilku izotopów, o różnej zawartości procentowej. W związku z tym, rzeczywista masa atomowa pierwiastka jest średnią wyliczoną z uwzględnieniem udziałów procentowych i mas poszczególnych izotopów. Izotopy można podzielić na występujące w przyrodzie (naturalne) oraz sztuczne (otrzymane syntetycznie głownie w wyniku reakcji jądrowych). Większość izotopów naturalnych to izotopy trwałe. Niektóre jednak ulegają rozpadowi promieniotwórczemu, podobnie jak większość izotopów sztucznych. Niektóre pierwiastki mogą nie posiadać żadnego trwałego izotopu, a mogą mieć ich nawet kilka (najwięcej ma cyna - 10). Obecnie poznane są wszystkie izotopy trwałe, lecz ilość poznanych sztucznych izotopów nietrwałych wciąż ulega stopniowemu zwiększeniu. Izotopy tego samego pierwiastka charakteryzują się różnymi właściwościami (mają różne masy, rozmiary, spiny, momenty magnetyczne. itp.). Powoduje to pewne różnice we właściwościach fizycznych substancji o różnych składach izotopowych (są to tzw. efekty izotopowe, których przykładem może być przesunięcie izotopowe linii widmowych, różnice gęstości, różnice we współczynniku załamania światła, współczynniku dyfuzji, i inne). Właściwości chemiczne danej substancji praktycznie nie zależą od jej składu izotopowego. Wynikają one bowiem ze struktury zewnętrznych powłok elektronowych. Metody rozdzielania poszczególnych izotopów a także wzbogacania pierwiastka w konkretny izotop opierają się przeważnie na wykorzystaniu różnicy mas poszczególnych izotopów.

Duża liczba izotopów promieniotwórczych znalazła szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach życia ze względu na swe właściwości.   Jedną z najważniejszych dziedzin, w której podstawowe znaczenie mają izotopy promieniotwórcze jest medycyna. Radioizotopy wykorzystywane są zarówno w diagnostyce poszczególnych narządów jak i w radioterapii (przede wszystkim w leczeniu chorób nowotworowych). Radioizotopy wykorzystywane są również w geologii. W oparciu o izotopy zawarte w poszczególnych skałach można określić w przybliżeniu ich wiek. Również w badaniach archeologicznych często stosuje się metody datowania promieniotwórczego, (metoda izotopu 14C). Bardzo dużo izotopów promieniotwórczych znajduje zastosowanie w przemyśle i w technice. Wykorzystuje się je między innymi do w urządzeniach stosowanych do pomiaru grubości warstwy papieru, folii aluminiowej, blachy. Radioizotopy wykorzystywane są także w defektoskopach do wykrywania wad materiałowych (głównie w wyrobach metalowych). Ogromne znaczenie uzyskały radioizotopy do produkcji energii (energetyka jądrowa), a także broni masowego rażenia (broń atomowa).

Pozytywne i negatywne promieniowanie

Głównym źródłem promieniowania w atmosferze Ziemi jest Słońce. Promieniowanie słoneczne, które dociera do górnych warstw atmosfery jest w głównej mierze krótkofalowym promieniowaniem elektromagnetycznym (9% promieniowanie UV, 45% promieniowanie widzialne, 46% promieniowanie podczerwone IR). Wielkością Charakteryzującą docierające do Ziemi promieniowanie jest jego natężenie, które definiuje się jako ilość energii dostarczanej w jednostce czasu do jednostki powierzchni ustawionej prostopadle do kierunku padających promieni. Natężenie promieniowania słonecznego, które dociera do górnej warstwy atmosfery nazywane jest stałą słoneczną i wynosi około 1,388 J/(cm2s). Przechodzące przez atmosferę promieniowanie słoneczne jest przez nią pochłaniane, odbijane oraz rozpraszane. Część promieniowania, docierająca do powierzchni Ziemi bezpośrednio od Słońca nazywa się promieniowaniem bezpośrednim. Do powierzchni Ziemi dociera także część promieniowania rozproszonego wcześniej w atmosferze. Sumaryczne promieniowanie docierające do Ziemi nosi nazwę promieniowania całkowitego. Promieniowanie, które pada na powierzchnię Ziemi jest przez nią w większości pochłaniane, a pozostała część ulega odbiciu w stopniu zależnym od rodzaju podłoża. W atmosferze pochłaniane jest około 15% promieniowania wysyłanego przez Słońce. Ziemia pochłania średnio około 43% tego promieniowania. W górnych warstwach atmosfery pochłaniane jest przede wszystkim szkodliwe dla organizmów żywych promieniowanie UV (głownie przy udziale cząsteczek ozonu), a w dolnych warstwach głównie promieniowanie widzialne i podczerwone. Odbicie promieni w atmosferze następuje w większości od dużych cząstek, a rozpraszanie zachodzi głównie na cząsteczkach gazu i cząstkach aerozolu atmosferycznego. Energia promieniowania, które zostało pochłonięte przez Ziemię i atmosferę jest następnie zamieniana na ciepło i ponownie wypromieniowywana.