Promieniotwórczość: co to takiego?

W jaki sposób możemy dowiedzieć się, czym jest promieniotwórczość? Cząstki są tak maleńkie!

Promieniotwórczość pojawia się, gdy niewyobrażalnie małe atomy wysyłają jeszcze mniejsze cząstki lub tajemnicze fale. Te cząstki i fale są całkowicie niewidoczne dla ludzkiego oka.

W rzeczywistości, jak odkryjemy, to właśnie jądro w centrum atomu emituje cząstki, a każde jądro jest około 10 tysięcy razy mniejsze niż atom.

Jak więc można się dowiedzieć, czym jest promieniotwórczość?

Czym są emitowane cząstki i fale, które nazywamy "promieniowaniem jądrowym", ponieważ pochodzi z jądra atomowego?

Co się dzieje w atomach (w istocie - w jądrach atomowych każdego atomu), kiedy emitują one cząstki?

Wiedzę o naturze czerpiemy z doświadczeń – promieniotwórczość jest częścią natury.

Zacznijmy od pytania:

Czym jest promieniowanie jądrowe?

Cała wiedza naukowa pochodzi z eksperymentów i obserwacji.

Zacznijmy więc od obserwacji poczynionych wkrótce po odkryciu promieniotwórczości. Właśnie wtedy dokonano wiele istotnych odkryć dotyczących promieniotwórczości i substancji promieniotwórczych.

Wyobraź sobie, że bierzesz bryłkę uranu, lub kryształ związku zawierającego uran, i umieszczasz je wprost na błonie fotograficznej. Błona jest zawinięta w czarny papier dla ochrony przed światłem. Potem błonę wywołamy tak, jak każdą inną, zawierającą np. zdjęcia z wakacji.

Co zobaczymy?

Wykonaliście mniej więcej taki eksperyment, jak ten który doprowadził Henryka Becquerela do odkrycia promieniotwórczości!

I cóż znajdziecie na błonie po wywołaniu?

Na błonie zobaczycie ślad odpowiadający rozmieszczeniu soli uranowej.

Niektóre z promieni wysyłanych przez uran przejdą przez papier. Zabierając uran i silnie oświetlając zawiniętą w czarny papier błonę możemy wykazać, że czarny papier zatrzyma światło - po wywołaniu filmu nie zobaczymy śladu zaczernienia. Światło nie mogło przejść przez papier, ale promieniowanie z uranu mogło!

Promienie X przestają wychodzić z lampy rentgenowskiej, gdy wyłączymy napięcie zasilające. Z promieniotwórczością jest inaczej – strumień promieniowania wydobywa się z uranu w sposób ciągły ... nie potrzeba do tego żadnej energii elektrycznej!

Możemy jednak znaleźć taki rodzaj promieniowania jądrowego, który bardzo przypomina promienie X.

W normalnych warunkach powietrze nie jest najlepszym przewodnikiem elektryczności. Możemy to sprawdzić ładując urządzenie zwane elektroskopem, który pokazuje obecność na nim ładunku elektrycznego. Elektroskop pozostaje z reguły naładowanym przez jakiś czas, co pokazują rozsunięte złote listki.

Kiedy jednak zbliżymy do niego źródło promieniotwórcze, ładunki elektryczne odpłyną przez powietrze, listki rozładują się i zejdą się.

Promienie X mogą również uczynić powietrze przewodzącym. Licznik Geigera (Autor, dla uproszczenia, nie korzysta z pełnej nazwy Licznika Geigera-Müllera - przyp.tłum.) pozwala na wzmocnienie tego efektu i zarejestrowanie nawet pojedynczej cząstki jonizującej.

Promieniowanie, gdy padnie na pewne substancje, powoduje czasem powstawanie delikatnych błysków światła. Aby je zobaczyć trzeba przez pewien czas przebywać w ciemności, aby przyzwyczaić do niej oczy. To, co widać, to nie blask, lecz pojedyncze błyski! Wygląda na to, że promieniowanie z materiału promieniotwórczego składa się z cząstek, z których każda powoduje powstanie jednego błysku.

Czasami takie cząstki mogą zostawiać ślady w komorze wypełnionej wilgotnym powietrzem – komorze mgłowej.

Wszystkie opisane wcześniej zjawiska mają coś wspólnego. Promieniowanie oddziałuje z atomami w błonie światłoczułej, z powietrzem lub parą w komorze mgłowej, itd. i odłącza elektrony od atomów. Elektrony są małymi składnikami atomów przenoszącymi ładunek elektryczny – prąd elektryczny w przewodzie jest przenoszony przez poruszające się elektrony.

Potem powiemy więcej o elektronach, ale istotne jest, że odłączone elektrony czynią powietrze przewodzącym prąd oraz to, że wywołują inne efekty.

Atom z wybitym elektronem nazywamy „jonem”, a o takim atomie mówi się, że jest „zjonizowany”. Oto dlaczego słyszycie czasami, że promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie jądrowe są 'promieniowaniem jonizującym'.

Elektron ma ładunek ujemny, a atom pozbawiony elektronu ma ładunek dodatni. Jeżeli elektron dołącza do dodatniego jonu, ładunki ujemny oraz dodatni znoszą się i otrzymujemy obojętny elektrycznie atom.

Jeżeli atom elektrycznie obojętny traci elektrony, staje się jonem dodatnim, jeżeli przyłącza – jonem ujemnym.

Stwierdziliśmy, że promieniowanie jądrowe jest jonizującym.

Jakie dalsze właściwości posiada? Czy istnieje tylko jeden rodzaj promieniowania jądrowego?

Są trzy główne rodzaje promieniowania jądrowego, nazwane od trzech pierwszych liter alfabetu greckiego:

Pierwszą cechą jaka je odróżnia jest to, jak silnie są pochłaniane:

Promienie alfa przebiegają w powietrzu tylko kilka centymetrów i są pochłaniane nawet przez pojedynczą kartkę papieru - nie są one w stanie przejść przez skórę.

Promienie beta są nieco bardziej przenikliwe i przejdą przez kilka kartek papieru.

Promienie gamma są dużo bardziej przenikliwe, przejdą przez 10-centymetrową warstwę wody (czasem dużo grubszą), a nawet przez względnie grubą blachę. Później stwierdzimy, że zależy to od energii promieniowania gamma.

Czym są promienie alfa, beta i gamma?

Czy promieniowanie jądrowe tworzone jest przez strumień cząstek naładowanych, jak np. elektrony? Jeśli by tak było, to w jaki sposób mielibyśmy się o tym dowiedzieć?

Jeżeli naładowana cząstka porusza się w polu magnetycznym, między biegunami magnesu, to będzie na nią działała siła zakrzywiająca tor cząstki. To ta sama siła, która działa na elektrony poruszające się w przewodzie, i która odpowiedzialna jest za wprawienie w ruch silnika elektrycznego.

Cóż więc będzie się działo jeśli cząstki alfa i beta oraz promienie gamma będą przechodziły przez silne pole magnetyczne?

Dla danego pola magnetycznego i danej prędkości cząstki, siła działająca na cząstkę naładowaną jest proporcjonalna do jej ładunku. Z faktu, że cząstka alfa ma ładunek 2-krotnie większy niż elektron (ale przeciwnego znaku) wynika, że dla określonych wartości natężenia pola magnetycznego i prędkości cząstki, elektron ma 8000:2=4000 większe przyspieszenie niż cząstka alfa (masa cząstki alfa jest około 8000 razy większa niż masa elektronu - przyp. tłum).

Kiedy cząstki alfa, beta i gamma wydostawszy się ze źródła promieniotwórczego trafią w silne pole magnetyczne, będą odchylane przez to pole w różny sposób.

Wyobraź sobie pole magnetyczne skierowane prostopadle do płaszczyzny ekranu, na który właśnie patrzysz.

Cząstki alfa są odchylane nieco w lewą stronę, cząstki beta są silnie odchylane w prawą, a promienie gamma wcale się nie odchylają.

Tak więc promienie alfa i beta muszą być strumieniami cząstek naładowanych, natomiast promienie gamma nie mogą mieć ładunku elektrycznego.

Pionierzy badań promieniotwórczości stwierdzili, że cząstki alfa i beta są odchylane w polu magnetycznym w przeciwnych kierunkach. To dowodzi, że muszą mieć przeciwne ładunki elektryczne. Ustalono, że cząstki beta mają ujemny ładunek (jak elektrony) oraz że cząstki alfa mają ładunek dodatni. W istocie rzeczy, cząstki beta, to były elektrony!

Dużo później odkryto inny rodzaj cząstek beta, podobnych do opisywanych pierwotnie, ale o ładunku dodatnim. Te nowe cząstki są pozytonami – antycząstkami elektronów.

Mówimy o rozpadzie beta z elektronami jako o rozpadzie „beta minus”, a gdy w rozpadzie powstają pozytony – o rozpadzie „beta plus”.

Kiedy cząstka spotyka antycząstkę, wtedy obie znikają, a jednocześnie wyzwala się energia.

Na rysunku poniżej widzisz czystą energię zamienioną na materię! Kiedy foton (pakiet energii świetlnej) oddziałuje z materią, może dojść do przeciwnego zjawiska niż gdy elektron i jego antycząstka anihilują. Jeśli foton ma wystarczająco dużą energię, może zniknąć, a w jego miejsce mogą pojawić się elektron i pozyton. Na rysunku widzisz ślad elektronu zakręcający w polu magnetycznym w jedną stronę i pozytonu, z jego przeciwnym ładunkiem, zakręcający w drugą stronę. Obie te cząstki były zarejestrowane w komorze pęcherzykowej.

Ale dlaczego cząstki alfa tylko nieznacznie odchylają się w polu magnetycznym? Może mają bardzo mały ładunek, a może wielką masę?

Ciężka cząstka (taka o dużej masie) ma dużą bezwładność. Oznacza to, że potrzeba dużej siły aby wprowadzić ją w ruch lub zahamować, albo zmienić jej tor. Siła wywierana przez pole magnetyczne nie zakrzywi toru ciężkiej cząstki tak bardzo, jak w wypadku cząstki lżejszej.

Możesz pchać autobus aż zsiniejesz z wysiłku, ale go nie poruszysz ... jego bezwładność jest wielka. Ale lekkie kopnięcie piłki wyrzuca ją daleko w boisko. W ten sam sposób pole magnetyczne ma większe trudności ze zmianą toru cząstki alfa niż toru elektronu. Jak mówiliśmy, cząstka alfa ma masę około 8000 razy większą od masy elektronu.

Kolejnym świadectwem dużej masy cząstek alfa są bardzo wyraźne ślady w komorze mgłowej pozostawiane przez te cząstki. Ślady te sugerują, że cząstki alfa dają silny efekt jonizacji, kiedy zderzają się z atomami gazu. Elektrony zostawiają delikatniejsze ślady (które prawie nigdy nie są tak proste jak pozostawiane przez cząstki alfa - przyp. tłum.). Większość śladów ma tą samą długość w powietrzu (kilka cm), ponieważ cząstki alfa w większości mają taką samą energię, ale kilka dłuższych śladów wskazuje, że niektóre cząstki alfa mają energię większą niż pozostałe.

W ciągu kilkunastu lat od odkrycia promieniotwórczości nauczyliśmy się czym są promieniowania alfa, beta i gamma.

Cząstki alfa są jądrami atomów helu. Wyjaśnimy później co to znaczy. Na razie musimy przypomnieć, że większość masy atomu jest skupiona w maleńkim jądrze zlokalizowanym w środku atomu.

Cząstki alfa, lub jądra helu, mają dodatni ładunek dwukrotnie większy od ładunku cząstki beta i mają masę około czterech atomów wodoru.

W dalszej części będzie dużo więcej na temat atomu.

Obecnie wiemy, że istnieje elementarna (najmniejsza) ilość ładunku elektrycznego. Elektron przenosi taką jednostkę ujemnego ładunku, zaś cząstka alfa – dwie takie jednostki, tyle że ładunku dodatniego.

Atom wodoru jest najlżejszym ze wszystkich atomów. Hel jest drugi w kolejności.

Hel znajdujemy jako gaz uwięziony w skałach zawierających dużo uranu. Było to jednym z pierwszych wskazań, że cząstki alfa mają coś wspólnego z helem. I dzięki temu już w 1903 roku Rutherford określił wiek skał na miliardy lat.

Cząstki emitowane w promieniotwórczości typu beta-minus są elektronami: ujemnie naładowanymi cząstkami obecnymi w każdym atomie.

Są one DUŻO lżejsze niż cząstki alfa. Elektron jest około 2000 razy lżejszy od atomu wodoru, a więc około 8000 razy lżejszy od cząstki alfa.

Elektrony w rozpadzie beta-minus pochodzą z jądra a nie z chmury elektronów.

Drugą cząstką pojawiającą się w rozpadzie jest antyneutrino elektronowe.

Jądra nie mają wewnątrz elektronów ... elektrony w rozpadzie beta są tworzone wewnątrz jądra i następnie wyrzucane z niego z wielką energią! W rozpadzie beta-minus emitowana jest też inna cząstka zwana "neutrinem" (w istocie rzeczy jest to antyneutrino). Te tajemnicze cząstki spotkamy jeszcze. Mogą one łatwo przenikać przez Ziemię i to bez straty energii.

Jakkolwiek promieniowanie gamma wywołuje, podobnie jak strumień cząstek naładowanych, trzaski w liczniku Geigera, nie mówimy o cząstkach gamma, lecz o promieniach gamma. Wynika to z faktu, że promieniowanie gamma jest jednym z rodziny fal elektromagnetycznych, podobnie jak fale radiowe i mikrofale, podczerwień, światło i nadfiolet. Wszystkie one są falami, z których fale radiowe mają falę najdłuższą, a gamma – najkrótszą.

Długość fali to odległość między sąsiednimi wierzchołkami lub dolinami fali.

Promieniowanie elektromagnetyczne nie przenosi ładunku elektrycznego (np. antena TV nie odbiera ładunków elektrycznych z nadajnika!) i dlatego właśnie promienie gamma nie są odchylane przez magnes.

Diagram pokazuje, że między promieniami X i gamma nie ma jakiejś wyraźnej granicy. Niektóre promienie gamma z bryłki uranu mogą mieć falę dłuższą niż promienie rentgena używane np. do badania zębów. Ogólnie jednak biorąc, promienie gamma mają fale najkrótsze.

Światło widzialne lokalizuje się w widmie między podczerwienią i nadfioletem. Jest również jedną z form promieniowania elektromagnetycznego. Wszystkie one mają taką samą naturę, a różnią się tylko długością fali [m] i częstotliwością [Hz].

Jądro atomowe: opowieść o energii.

Niezwykłą cechą promieniotwórczości jest to, że energia pojawia się bez żadnego widocznego działania z zewnątrz.

Podczas gdy jedne substancje promieniotwórcze żyją krótko, inne – jak uran – były i są źródłem energii od miliardów lat.

Kawałek plutonu może zaopatrzyć w energię elektryczną statek kosmiczny na czas jego podróży przez Układ Słoneczny. Zwykłe chemiczne baterie nie nadają się do tego. Baterie z plutonem jednak mogą, a energię z nich pozyskuje się, jak we wszystkich procesach chemicznych, dzięki przemieszczeniom elektronów w zewnętrznych częściach atomów.

Wszystkie przedmioty zbudowane są z atomów pierwiastków (wodór, węgiel, żelazo, uran itd.), które wykazują odpowiednie własności chemiczne.

Jaka cecha odróżnia atomy żelaza od atomu wodoru lub tlenu?

Każdy z atomów zbudowany jest z jądra o dodatnim ładunku, otoczonego elektronami o ładunku ujemnym. Ujemne ładunki elektronów i dodatni ładunek jądra całkowicie równoważą się, więc atom jest elektrycznie obojętny. Każdy elektron obdarzony jest jednostką ujemnego ładunku, jeżeli zatem atom ma np. 6 elektronów, wtedy jądro ma 6 jednostek dodatniego ładunku.

Oto parę przykładów:

Każdy atom węgla ma jądro z sześcioma dodatnimi ładunkami i 6 elektronów na zewnątrz. Sposób organizacji składników atomu opisują specjalne zasady mechaniki kwantowej.

Te prawa, na przykład, decydują o rozmieszczeniu elektronów wtedy, gdy jest ich akurat sześć. Rozmieszczenie owych sześciu elektronów w atomie nadaje węglowi jego specyficzne własności, takie jak skłonność do spalania w tlenie i tworzenia dwutlenku węgla, a czasem również pozwala atomom na zorganizowanie się w strukturę pięknego diamentu.

Oto niezliczone tryliony atomów węgla łączą się z atomami tlenu tworząc dwutlenek węgla.

We właściwych warunkach atomy węgla układają się w piękne kryształy diamentu. Diament jest najtwardszą znaną substancją.

Usuwając pojedynczy ładunek ujemny z obojętnego atomu pozostawisz jon o pojedynczym dodatnim ładunku.

Liczba dodatnich ładunków w jądrze atomowym, która jest również liczbą elektronów w atomie, nazywa się liczbą atomową; jest ona oznaczana zawsze literą Z.

Dla węgla Z = 6. Dla najprostszego ze wszystkich atomów - atomu wodoru - Z = 1, dla helu zaś Z = 2.

Ale co powoduje, że atom węgla ma sześć dodatnich ładunków, atom wodoru jeden, a helu dwa?

Powyżej widzisz tabelę z liczbami atomowymi kilku pierwiastków chemicznych, od wodoru (H) do uranu (U).

Dodatnio naładowaną cząstkę, nadającą wszystkim jądrom atomowym ich ładunek elektryczny, nazwano protonem. Proton ma masę prawie 2000 razy większą od masy elektronu.

Protony twojego ciała stanowią około 2000 razy większą masę od masy elektronów, ponieważ ciało zawiera jednakową liczbę elektronów i protonów.

Co by się stało, gdyby liczby elektronów i protonów twojego ciała nie były równe?

Prócz protonów jądra atomowe zawierają cząstki innego rodzaju – neutrony. Te nie mają ładunku elektrycznego, są elektrycznie obojętne (neutralne) – stąd ich nazwa. Masa neutronu jest prawie taka sama jak protonu.

Jądra, zbudowane z protonów (czerwone) i neutronów (niebieskie), od lewej do prawej: wodór (1 proton), hel (2 protony,2 neutrony), węgiel (6 protonów, 6 neutronów), tlen (8 protonów, 8 neutronów), żelazo (26 protonów, 30 neutronów), cyna (50 protonów, 70 neutronów), ołów (82 protony, 126 neutronów).

Źródło: Behacker & Partner

Jądro atomu wodoru zwykle nie zawiera neutronów, a tylko jeden proton (później wyjaśnimy, o co chodzi), hel zaś ma zwykle 2 protony i 2 neutrony. Oto dlaczego mogliśmy powiedzieć, że cząstka alfa ma 4 razy większą masę od jądra wodoru.

Większość jąder atomów wodoru nie ma neutronów, niektóre jednak mają jeden, a nawet dwa neutrony. To liczba protonów wyznacza dodatni ładunek jądra, a więc również liczbę elektronów w atomie. Własności chemiczne atomu bardzo mało zależą od liczby neutronów. To liczba Z, liczba protonów, decyduje, z atomem jakiego pierwiastka mamy do czynienia. Jądra atomowe o tej samej liczbie Z, lecz o różnej liczbie neutronów N, nazywamy izotopami (pierwiastka o liczbie atomowej Z). Poniższa tabela pokazuje różne liczby protonów i neutronów dla wybranych, ważnych izotopów.

W każdym przypadku podajemy trzecią liczbę - A, liczbę masową, która jest równa łącznej liczbie protonów i neutronów; A=Z+N

Oto jeszcze kilka innych izotopów bardzo ważnych w medycynie i przemyśle: ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O, ¹⁸F, ⁶⁰Co, ⁹⁹Tc. Ich liczby atomowe wynoszą odpowiednio: 6, 7, 8, 9, 27 i 43. Cztery pierwsze izotopy oraz ostatni są używane w diagnostyce medycznej, piąty zaś jako silne źródło promieni gamma o różnych zastosowaniach.

Żaden izotop spośród ratujących życie jąder atomowych, ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O, ¹⁸F, ⁶⁰Co lub ⁹⁹Tc, nie występuje w ziemskich minerałach. Muszą być one wytworzone w urządzeniach zwanych cyklotronami lub w reaktorach jądrowych. Powodem tego, że nie mogą być znalezione w minerałach jest to, że są wszystkie niestabilne, to znaczy ulegają rozpadowi promieniotwórczemu. Niektóre z nich rozpadają się tak szybko, że szpitale potrzebują cyklotronów do produkcji ich na miejscu - nie trwają dość długo, by mogły być dowożone z większych odległości.

Kiedy jądro emituje cząstki alfa lub beta, zmienia się w jądro innego rodzaju. Mówimy, że ulega transmutacji (przemianie). Przez setki lat alchemicy próbowali przemienić jedne pierwiastki w inne, przeważnie ołów w złoto. Ale jądra promieniotwórcze zmieniają się jedne w drugie przez cały czas. Oto dlaczego ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O, ¹⁸F, ⁶⁰Co lub ⁹⁹Tc nie występują na Ziemi w stanie naturalnym.

Te konkretne izotopy znikają i zamieniają się w izotopy innych pierwiastków emitując cząstki beta.

Pacjent diagnozowany z użyciem PET (Pozytonowej Tomografii Emisyjnej). W tej technice badawczej używa się często niestabilnego izotopu ¹⁸F, który istnieje godzinę lub dwie (dokładnie jego okres połowicznego zaniku wynosi 110 minut) i jest przeważnie wytwarzany w szpitalnym cyklotronie.

Słowniczek: Photomultiplier tube - fotopowielacz; Crystal - kryształ scyntylatora

Jeżeli jądro atomowe ma 26 protonów, innymi słowy jego liczba atomowa Z=26, wtedy jest to atom żelaza. Gdybyś badał żelazo w rudzie żelaza z kopalni, lub jakiekolwiek żelazo znalezione na Ziemi (lub w przestrzeni pozaziemskiej!) możesz być pewnym, że jądra atomów znalezionego żelaza będą miały 28, 30, 31 lub 32 neutrony. Innymi słowy, możesz znaleźć jedynie te cztery izotopy żelaza.

Jakie są liczby masowe tych czterech izotopów żelaza? W jaki sposób napiszesz ich symbole?

W każdym przypadku należy dodać do liczby protonów atomu żelaza (26) odpowiednią liczbę neutronów. Liczba masowa wyniesie odpowiednio 54, 56, 57 i 58.

Możesz je zapisać jako ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe i ⁵⁸Fe.

Inne izotopy żelaza mogą istnieć, ale tylko przez krótki czas. Izotopy te są promieniotwórcze i zanikają bardzo szybko po wytworzeniu. Te zaś, które istniały wtedy i były promieniotwórcze, kiedy powstawała Ziemia, zanikły dawno temu.

Na przykład izotop ⁵⁹Fe ma zbyt wiele neutronów. ⁵⁸Fe z 32 neutronami jest O’K, ale 33 neutrony w ⁵⁹Fe, to zbyt wiele.

W ostatnich latach uczeni wytworzyli izotopy żelaza zawierające zaledwie 19 neutronów lub aż 43 neutrony, oba jednak mają bardzo krótki czas życia.

Żelazo jest dość typowym pierwiastkiem chemicznym. Jeżeli jego jądro ma trochę więcej neutronów (28, 30, 31 lub 32) niż protonów (26), to jest zadowolone.

Jeżeli zaś tych neutronów jest dużo więcej lub dużo mniej niż 26, to jądro szybko wyemituje jakieś cząstki, aby poprawić równowagę między ilością protonów i neutronów. Innymi słowy – będzie promieniotwórcze.

Jądro ołowiu na 82 protony. Następujące izotopy ołowiu nie są promieniotwórcze: ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb.

Czym by byli hydraulicy bez ołowiu? Na ten ołów składa się 1,4% ²⁰⁴Pb, 24,1% ²⁰⁶Pb, 22,1% ²⁰⁷Pb i 52,4% ²⁰⁸Pb.

Jeżeli w jądrze jest zbyt wiele protonów lub neutronów, ma ono zbyt wiele energii i używa jej do wytworzenia nowych cząstek, a jednocześnie poprawia równowagę między liczbą protonów i neutronów w jądrze. Dla przykładu, jądro o zbyt wielu neutronach wytwarza elektron i wyrzuca go na zewnątrz – to rozpad beta. Kiedy elektron jest wyemitowany, ubywa z jądra ładunek ujemny a elektrycznie obojętny neutron staje się dodatnio naładowanym protonem. Odebranie ujemnego ładunku daje taki efekt, jak dodanie ładunku dodatniego.

Rozpad beta, w którym emitowany jest elektron (mający ładunek ujemny) jest często nazywany promieniotwórczością „beta-minus”. Z promieniotwórczością „beta-plus” spotkamy się wkrótce.

W międzyczasie, czy możesz odgadnąć, w jakich jądrach przydarza się rozpad beta-plus?
To jądra ze zbyt wieloma protonami w stosunku do liczby neutronów.

To jądro cezu (Z=55) ma zbyt wiele neutronów (82), co daje A=137. Ostatecznie powstaje i jest emitowany elektron o ładunku ujemnym, zaś jeden z neutronów zamienia się w proton. W tym samym czasie jest wysłane niemal niewykrywalne antyneutrino.

W rezultacie powstałe jądro ¹³⁷Ba, izotop baru, powstaje z nadmiarem energii, której pozbywa się przez emisję kwantu gamma.

Oto przykład promieniotwórczości beta-minus, która jest ważna w medycynie i przemyśle.

Izotop ⁶⁰Co ma 27 protonów i 33 neutrony. To zbyt wiele neutronów jak na jądro z 27 protonami. W efekcie końcowym jeden neutron zamienia się w proton, przy jednoczesnej kreacji i emisji wysokoenergetycznego elektronu (cząstki beta).

W rozpadzie beta łączna liczba protonów i neutronów, czyli liczba masowa atomu (A), nie zmienia się.

Promienie beta nie wnikają głęboko w materię i nie są bardzo użyteczne w medycynie i przemyśle (w przeciwieństwie do promieni gamma - przyp. tłum.). ⁶⁰Co nie jest ważny z powodu swoich cząstek beta, lecz z powodu wysokiej energii promieniowania gamma emitowanych z jąder ⁶⁰Ni, powstających w rozpadzie beta ⁶⁰Co.

Jądra ⁶⁰Ni powstają z wielkim nadmiarem energii. Jedynym sposobem na pozbycie się tej energii jest wysłanie jej w postaci promieniowania gamma. Promieniowanie to jest tak potężne, że może sterylizować sprzęt medyczny, wykrywać usterki w łopatach turbin silników odrzutowych lub niszczyć nowotwory. 

Sprzęt medyczny, jak gumowe rękawiczki, bandaże, strzykawki, soczewki kontaktowe itp., może być sterylizowane przy użyciu intensywnych wiązek promieni gamma. Często do tego celu używamy, jako źródła, izotopu ⁶⁰Co wyprodukowanego w reaktorze jądrowym.

Węgiel, z liczbą atomową Z=6, ma dwa izotopy stabilne: ¹²C i ¹³C. Azot (Z=7) ma również dwa stabilne izotopy – ¹⁴N i ¹⁵N.

Izotopy ¹¹C i ¹³N są ważnymi izotopami w medycynie.

¹¹C ma 5 neutronów, a to zbyt mało jak na jądro o 6 protonach, a ¹³N ma tylko 6 neutronów, co też jest za mało jak na jądro z 7 protonami. Jeżeli wyemitują elektron, ich jądra staną się jeszcze bardziej dodatnie (neutron zamieni się w proton), a przecież one już wcześniej miały zbyt mało neutronów. Owe jądra przejdą rodzaj rozpadu beta zwanego rozpadem „beta-plus”. Zjawisko to było odkryte w 1934 roku przez Irenę i Fryderyka Joliot-Curie. Irena była córką Marii Skłodowskiej-Curie i Piotra Curie.

Pozyton odkryto w 1932 roku. Pozyton jest antycząstką elektronu – jest dokładnie taki jak elektron, lecz przenosi jednostkę dodatniego ładunku elektrycznego, a nie ujemnego jak elektron. W rozpadzie beta-plus proton zamienia się w neutron, a z jądra wyrzucany jest pozyton.

Pierwszy dowód istnienia pozytonu - antycząstki elektronu. Ślad w komorze mgłowej zagięty jest w polu magnetycznym w niewłaściwą stronę, aby był on wywołany elektronem. To niespotykane odkrycie Andersona było wysoce kontrowersyjne - do czasu potwierdzenia go w późniejszych latach. (zdjęcie dzięki uprzejmości C.D.Andersona)

W rozpadzie beta-plus izotopu ¹¹C jeden z protonów zamienia się w neutron i pozyton (anty-elektron), a w zasadzie niewykrywalne neutrino unosi energię rozpadu. W wyniku rozpadu powstaje stabilny izotop ¹¹B.

Wszystkie cząstki, nie tylko elektrony, mają swoje antycząstki. Proton i neutron również. Jeżeli wymienisz uścisk dłoni z anty-osobą z anty-galaktyki, zamienicie się obaj w równoważną energię i unicestwicie otaczające was miasto!

Są granice dopuszczalnej liczby neutronów i protonów w jądrze atomowym.

Żadne z jąder występujących na Ziemi nie ma więcej niż 238 nukleonów (składników jądra). Największe jądro jest jądrem uranu-238: zawiera ono 92 protony i 146 neutronów. Nawet to jądro zawiera zbyt wiele protonów i neutronów, aby mogło trwać wiecznie. Jądra ²³⁸U stale rozpadają się emitując cząstki alfa, czyli jądra helu-4.

Często zdarza się, że gdy jądro A emituje cząstkę alfa, pochodne jądro B nie ma nadmiaru energii. Mówimy wtedy, że jest ono w "stanie podstawowym"; cząstka alfa ma wtedy energię maksymalną. Jednak czasami, jak na ilustracji, nowe jądro występuje w stanie wzbudzonym. W tym przypadku nadmiar energii jest wyrzucany z jądra w postaci kwantów promieniowania gamma (γ).

Kiedy jądro ulega rozpadowi alfa liczba A maleje o 4, zaś liczba Z o 2.

Jądro powstające w wyniku emisji przez ²³⁸U cząstki alfa jest również niestabilne. W rezultacie, nim powstanie stabilny izotop ²⁰⁶Pb nastąpi cała seria rozpadów alfa i beta. Informacja o zawartości ²⁰⁶Pb jest użyteczna przy datowaniu skał o wieku miliardów lat. W czasie schodzenia w dół z liczbą masową, od ²³⁸U do ²⁰⁶Pb, mamy do czynienia z wysyłaniem wielu cząstek alfa i beta, a także promieniowania gamma. Właśnie promieniowanie gamma jest tym, które powoduje większość trzasków w liczniku Geigera znajdującym się w pobliżu granitu lub rudy uranowej.

Podane czasy oznaczają okresy połowicznego rozpadu dla danej przemiany jądrowej.

Niesamowite: te niewyobrażalnie małe cząstki alfa wysyłane z jąder atomowych zostawiają widoczne ślady kropelek wody w przesyconej parze wodnej. Tak się dzieje dlatego, że bardzo szybkie i niosące ładunek cząstki jonizują cząsteczki powietrza. Jony stają się ośrodkami kondensacji, na których powstają kropelki.

Kiedy jądro się rozpada?

Jak długo jądro może trwać pomiędzy rozpadami?

Nawet jeżeli duża liczba jąder ¹⁴C powstanie w tym samym czasie, nie ulegną one jednocześnie rozpadowi beta do ¹⁴N mimo, że są całkowicie identyczne. Nie mają one bowiem wmontowanych małych zegarów, mówiących im, kiedy nadejdzie czas rozpadu.

Wszystko, co możemy powiedzieć, to tylko to, że po określonym czasie, zwanym okresem połowicznego zaniku, połowa z nich się rozpadła. Nie możemy przewidzieć kiedy dane jądro rozpadnie się. Dla każdego jądra jest to rodzaj loterii.

Powiedzmy, że uruchamiamy stoper w chwili, którą przyjmujemy za zero, a w naszej próbce mamy wtedy dużą liczbę N identycznych jąder promieniotwórczych.

Po czasie równym okresowi połowicznego zaniku zostanie ich średnio połowa, a więc N/2. Po dwóch okresach połowicznego zaniku pozostanie znów połowa, a więc N/4. Po trzech okresach - N/8, itd.

A ile jąder zostanie, jeśli na początku było np. 9 jąder ¹⁴C? Czy otrzymamy 4½ jądra? Nie! Rozpad promieniotwórczy jest procesem statystycznym. Tylko średnio połowa jąder zostanie po okresie połowicznego zaniku. Rzeczywista liczba będzie bliska połowie jeśli jest ich bardzo wiele.

Fakt, że nie można powiedzieć kiedy rozpadnie się dane jądro, lecz jedynie ile jąder rozpadnie się, gdy będzie ich bardzo wiele, przypomina sytuację z rzutem kostką do gry. Jeżeli rzucisz 600 razy, jest całkiem prawdopodobne, że otrzymasz około 100 „szóstek”. Ale nie masz żadnej gwarancji, że rzucając 6 razy, otrzymasz jedną „szóstkę”!

Okres połowicznego zaniku ²³⁸U wynosi około 4,5 miliarda lat, co odpowiada dość dokładnie wiekowi Ziemi, od kiedy uformowała się z chmur pyłu i gazu.

Tak więc, około połowa pierwotnego ²³⁸U rozpadła się ostatecznie do ²⁰⁶Pb i pewnej ilości helu powstałego z cząstek alfa. Nie wszystkie nuklidy mają jednak tak długi okres połowicznego zaniku. Izotop polonu, ²¹²Po, ulega rozpadowi alfa zanikając o połowę co około jednej milionowej części sekundy. (Pierwiastek polon był odkryty przez Marię Skłodowską-Curie i nazwany tak od jej kraju pochodzenia – Polski).

Mamy wielki zakres długości okresów połowicznego zaniku - od kilku miliardów lat do mniej niż jednej milionowej sekundy – i wiele tych charakterystycznych czasów leży pomiędzy tymi granicami. Tablica obok pokazuje okresy połowicznego zaniku dla izotopów o ważnych zastosowaniach w medycynie, przemyśle i pracach badawczych.

Widzimy całkiem szeroki zakres okresów połowicznego zaniku! Tabela ta pomoże Ci odpowiedzieć na następujące pytania: