Radioaktywność to emisja promieniowania przez niestabilne jądra. Promieniowanie to może występować w postaci cząstek subatomowych (przede wszystkim cząstek alfa i beta) lub w postaci energii (przede wszystkim promieni gamma).
Radioaktywność została odkryta przypadkowo w 1896 roku przez francuskiego fizyka Henri Becquerela (1852-1908). W ciągu dziesięcioleci, które nastąpiły po odkryciu Becquerela, badania nad promieniotwórczością przyniosły rewolucyjne przełomy w naszym rozumieniu natury materii i doprowadziły do wielu ważnych zastosowań praktycznych. Zastosowania te obejmują wiele nowych urządzeń i technik, począwszy od broni jądrowej i elektrowni jądrowych do technik medycznych, które mogą być wykorzystywane do diagnozowania i leczenia poważnych chorób.
Stabilne i niestabilne jądra
Jądra wszystkich atomów (z wyjątkiem wodoru) zawierają jeden lub więcej protonów i jeden lub więcej neutronów. Jądro większości atomów węgla, na przykład, zawiera sześć protonów i sześć neutronów. W większości przypadków jądra atomów są stabilne, to znaczy, że nie ulegają samoistnym zmianom. Jądro węgla będzie wyglądało dokładnie tak samo za sto lat (lub za milion lat) jak dzisiaj.
Ale niektóre jądra są niestabilne. Niestabilne jądro to takie, które ulega pewnej wewnętrznej zmianie spontanicznie. Podczas tej zmiany, jądro wydziela cząstkę subatomową, lub wybuch energii, lub jedno i drugie. Na przykład izotop węgla, węgiel-14, ma jądro składające się z sześciu protonów i ośmiu (a nie sześciu) neutronów. Mówi się, że jądro, które wydziela cząstkę lub energię, ulega rozpadowi promieniotwórczemu lub po prostu rozpadowi.
Słowa, które warto znać
Cząstka alfa: Jądro atomu helu, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów.
Cząstka beta: Elektron emitowany przez jądro atomu.
Promień gamma: Wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego.
Izotopy: Dwie lub więcej form pierwiastka o tej samej liczbie protonów, ale różnej liczbie neutronów w jądrach atomowych.
Jądro (atomowe): Rdzeń atomu, zwykle składający się z jednego lub więcej protonów i neutronów.
Rozpad promieniotwórczy: Proces, w którym jądro atomowe wydziela promieniowanie i zmienia się w nowe jądro.
Rodzina promieniotwórcza: Grupa izotopów promieniotwórczych, w której rozpad jednego izotopu prowadzi do powstania innego izotopu promieniotwórczego.
Jądro stabilne: Jądro atomowe, które nie ulega samorzutnie żadnym zmianom.
Cząstka subatomowa: Podstawowa jednostka materii i energii (proton, neutron, elektron, neutrino, pozyton) mniejsza od atomu.
Niestabilne jądro: Jądro atomowe, które ulega pewnym wewnętrznym zmianom spontanicznie.
Naukowcy nie są całkowicie pewni, co sprawia, że jądro jest niestabilne. Wydaje się, że niektóre jądra zawierają nadmierną liczbę protonów lub neutronów albo nadmierną ilość energii. Jądra te przywracają właściwą równowagę pomiędzy protonami, neutronami i energią poprzez uwolnienie cząstki subatomowej lub wybuchu energii.
W tym procesie, jądro zmienia swój skład i może rzeczywiście stać się inny jądro całkowicie. Na przykład, starając się osiągnąć stabilność, jądro węgla-14 wydziela cząstkę beta. Po utracie cząstki beta jądro węgla-14 składa się z siedmiu protonów i siedmiu neutronów. Ale jądro składające się z siedmiu protonów i siedmiu neutronów nie jest już jądrem węgla. Jest to teraz jądro atomu azotu. Wydzielając cząstkę beta, atom węgla-14 zmienił się w atom azotu.
Rodzaje promieniowania
Formy promieniowania najczęściej emitowane przez jądro promieniotwórcze nazywamy cząstkami alfa, cząstkami beta i promieniami gamma. Cząstka alfa to jądro atomu helu. Składa się ono z dwóch protonów i dwóch neutronów. Rozważmy przypadek atomu radu-226. Jądro atomu radu-226 składa się z 88 protonów i 138 neutronów. Jeśli to jądro wyemituje cząstkę alfa, musi stracić dwa protony i dwa neutrony, z których zbudowana jest cząstka alfa. Po wyemitowaniu cząstki alfa pozostałe jądro zawiera tylko 86 protonów (88 – 2) i 136 neutronów (138 – 2). Takie jądro jest jądrem atomu radonu, a nie atomu radu. Emitując cząstkę alfa, atom radu-226 zmienił się w atom radonu.
Emisja cząstek beta z jąder była przez wiele lat źródłem nieporozumień dla naukowców. Cząstka beta jest elektronem. Problem polega na tym, że elektrony nie istnieją w jądrach atomów. Można je znaleźć poza jądrem, ale nie w nim. Jak to więc możliwe, że niestabilne jądro może wydzielić cząstkę beta (elektron)?
Odpowiedź jest taka, że cząstka beta jest produkowana, gdy neutron wewnątrz jądra atomowego rozpada się tworząc proton i elektron:
neutron → proton + elektron
Przypomnijmy, że proton niesie ze sobą pojedynczy ładunek dodatni, a elektron pojedynczy ładunek ujemny. Oznacza to, że neutron, który nie posiada żadnego ładunku elektrycznego, może się rozpaść, tworząc dwie nowe cząstki (proton i elektron), których ładunki elektryczne sumują się do zera.
Wróćmy do przykładu węgla-14, wspomnianego wcześniej. Jądro węgla-14 rozpada się wydzielając cząstkę beta. Oznacza to, że jeden neutron w jądrze węgla-14 rozpada się, tworząc proton i elektron. Elektron zostaje wyrzucony jako promień beta, a proton pozostaje w jądrze. Nowe jądro zawiera siedem protonów (jego pierwotne sześć plus jeden nowy proton) i siedem neutronów (jego pierwotne osiem zredukowane przez rozpad jednego).
Utracie cząstki alfa lub cząstki beta z niestabilnego jądra często towarzyszy utrata promienia gamma. Promień gamma jest formą promieniowania wysokoenergetycznego. Jest ono podobne do promieniowania X, ale ma nieco większą energię. Niektóre niestabilne jądra mogą rozpadać się wyłącznie poprzez emisję promieni gamma. Kiedy stracą energię przenoszoną przez promienie gamma, stają się stabilne.
Promieniotwórczość naturalna i syntetyczna
Wiele pierwiastków promieniotwórczych występuje w przyrodzie. W rzeczywistości wszystkie pierwiastki cięższe od bizmutu (liczba atomowa 83) są promieniotwórcze. Nie mają one stabilnych izotopów.
Najcięższe z pierwiastków radioaktywnych są zaangażowane w sekwencje znane jako rodziny radioaktywne. Rodzina promieniotwórcza to grupa pierwiastków, w której w wyniku rozpadu jednego pierwiastka promieniotwórczego powstaje inny pierwiastek, również promieniotwórczy. Przykładowo, izotopem macierzystym jednej z rodzin promieniotwórczych jest uran-238. Kiedy uran-238 ulega rozpadowi, powstaje tor-234. Ale tor-234 jest również radioaktywny. Kiedy się rozpada, tworzy protaktyn-234. Protaktyn-234, z kolei, jest również radioaktywny i rozpada się tworząc uran-234. Proces ten trwa przez kolejnych jedenaście etapów. W końcu izotop polonu-210 rozpada się na stabilny ołów-206.
Wiele lżejszych pierwiastków ma również radioaktywne izotopy. Niektóre przykłady obejmują wodór-3, węgiel-14, potas-40 i tellur-123.
Izotopy promieniotwórcze mogą być również wytwarzane sztucznie. Zwykle proces ten polega na bombardowaniu stabilnego jądra protonami, neutronami, cząstkami alfa lub innymi cząstkami subatomowymi. Proces bombardowania może być realizowany za pomocą akceleratorów cząstek (atom-smashers) lub w reaktorach jądrowych. Kiedy jedna z bombardujących cząstek (pocisków) trafi w stabilne jądro, może spowodować, że stanie się ono niestabilne i w związku z tym stanie się radioaktywne.