STRONA GŁÓWNA WSTĘP ENCYKLOPEDIA FAKTY I LUDZIE CO POWINNIŚMY WIEDZIEĆ REFERENCJE
W skorupie ziemskiej występuje szereg izotopów promieniotwórczych. Obecność pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej jest związana z bardzo długimi okresami półtrwania ich członów. Okresy te są rzędu 108-1010 lat, a więc 235U, 238U oraz 232Th należą do pierwotnych izotopów promieniotwórczych. Dalsze człony szeregów stanowią izotopy wtórne. Obecność tych izotopów jest zachowana dzięki ciągłym procesom ich powstawania.
Badania nad składem produktów przemian promieniotwórczych zostały zapoczątkowane przez Marię Skłodowską-Curie i jej męża Piotra Curie [6,11,12].
Cząstki elementarne są produktami rozpadu jąder atomowych, które następują samorzutnie lub są spowodowane przez reakcje jądrowe. Istotną cechą charakterystyczną każdego izotopu promieniotwórczego, obok rodzaju i rozkładu (widma) energii emitowanych cząstek, jest szybkość tego rozpadu. Ilość substancji promieniotwórczej maleje z upływem czasu, przy czym szybkość spadku intensywności promieniowania nie zależy od czynników zewnętrznych, tzn. temperatury, ciśnienia, itp.[11,12].
Aktywność substancji promieniotwórczej maleje w czasie w sposób wykładniczy:
λ - stała rozpadu; określa stosunek liczby atomów rozpadających się w ciągu 1 sekundy do wszystkich atomów próbki danego pierwiastka radioaktywnego w danej chwili.
Całkując powyższe równanie otrzymujemy prawo rozpadu promieniotwórczego:
N0 - liczba atomów w chwili początkowej.
Gdy liczba atomów zmaleje do połowy to równanie przyjmie postać:
T½ - okres półtrwania; jest to czas, po którym połowa substancji promieniotwórczej ulega rozpadowi.
Do podstawowych typów przemian promieniotwórczych, w trakcie których powstaje promieniowanie jonizujące należą:
Promieniowanie α - strumień jąder atomów helu; cząstki α - stabilna struktura składająca się z dwóch protonów i dwóch neutronów [6,11,12].
Rys. str.9: [6] Państwowa Agencja Atomistyki, "Setna Rocznica Odkrycia Promieniotwórczości", 1998.
Promieniowanie β odpowiada przeobrażeniu w jądrze:
- neutronu w proton; jest to promieniowanie β- charakteryzujące się emisją elektronu e-;
- protonu w neutron; jest to promieniowanie β+, które charakteryzuje się emisją antyelektronu, czyli pozytonu e+ [6,11,12].
Takie przeobrażenie zachodzi jedynie w sztucznych jądrach promieniotwórczych powstających w reakcjach jądrowych.
Wychwyt elektronu.
Wychwyt elektronu został wykryty w 1938 roku przez amerykańskiego fizyka Alvareza. Polega on na wchłonięciu przez jądro atomu elektronu z własnej powłoki elektronowej. Wychwytowi towarzyszy emisja promieni X, co umożliwiło doświadczalne wykrycie tego zjawiska. Promieniowanie X, towarzyszące wychwytowi elektronu, odpowiada przejściu elektronów w atomach (A,Z-1) z wyższych stanów energetycznych na miejsca w powłokach zwolnionych przez elektrony wychwycone. Wychwyt elektronu jest zjawiskiem częstszym dla jąder ciężkich, u których powłoka K znajduje się blisko jądra (jednak możliwe są również wychwyty z powłok dalszych) [12].
Promieniowanie γ.
Promieniowanie γ jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali krótszej od promieniowania X. Jest ono emitowane przez jądra znajdujące się w stanie wzbudzonym, które powstają przy rozpadzie α lub β. Przy rozpadzie α są emitowane przeważnie fotony o niedużej energii (<0,5 MeV), natomiast energia fotonów emitowanych przy rozpadzie β jest dużo większa (do 2,5 MeV).
Widmo energetyczne promieniowania γ jest widmem liniowym, podobnie jak widmo cząstek α . Wskazuje to na to, że jądra atomowe mają pewne poziomy energetyczne, podobnie jak całe atomy. Mogą więc znajdować się w jednym ze wzbudzonych stanów energetycznych. Przejściu jądra z jednego do drugiego takiego stanu towarzyszy emisja kwantów γ. Nie może ona jednak wyprzedzać emisji cząstki α czy β, ponieważ dopiero po ich wydzieleniu może powstać jądro wzbudzone, które poprzez emisję kwantu γ przechodzi w stan podstawowy. Dzieje się to w bardzo krótkim czasie rzędu 10-14s [6,11,12].
Trzy sposoby oddziaływania promieniowania gamma z materią:
Rys.53, str.61: [11] Andrzej Czerwiński, "Energia jądrowa i promieniotwórczość", 1998 Oficyna Edukacyjna.
Rys. str.9: [6] Państwowa Agencja Atomistyki, "Setna Rocznica Odkrycia Promieniotwórczości", 1998.
Rozpad promieniotwórczy.
Rozpad promieniotwórczy. Gdy jądro atomu się rozpada, wysyła promienie α lub β, a czasem promienie γ. Promienie α są najsłabsze i nie przechodzą przez papier. Promienie β przechodzą przez papier, ale pochłaniane są przez warstwę aluminium. Promienie γ przechodzą przez papier i aluminium, ale pochłaniane są przez gruby blok ołowiany [12].
Rys.: [12] Internet.
Reguła przesunięć - reguła określająca liczbę masową i położenie w układzie okresowym pierwiastka powstającego w wyniku rozpadu promieniotwórczego α lub β głosi, że: wskutek rozpadu α powstaje pierwiastek o liczbie masowej A mniejszej o 4, znajdujący się w układzie okresowym pierwiastków o 2 miejsca przed pierwiastkiem wyjściowym, wskutek zaś rozpadu β - pierwiastek o takiej samej liczbie masowej znajdujący się w układzie okresowym pierwiastków o jedno miejsce za pierwiastkiem wyjściowym [12].
Pierwiastki promieniotwórcze tworzą rodziny (szeregi) promieniotwórcze. Każdy człon rodziny jest potomkiem pierwiastka macierzystego rodziny i powstaje wskutek rozpadu promieniotwórczego α lub β. Kwanty γ mogą być emitowane w danej rodzinie jeśli na skutek rozpadu powstanie jądro wzbudzone.
Jeżeli rodzina promieniotwórcza zaczyna się od pierwiastka o liczbie masowej A0 i liczbie porządkowej Z0, to pierwiastek, który powstaje po Na rozpadach α, Nb rozpadach β i dowolnej liczbie rozpadów γ, ma liczbę masową A i liczbę porządkową Z określone związkami:
Z = Z0 - 2Na + Nb
Z powyższych związków widać, że można znaleźć dwie liczby całkowite n i m takie, że liczbę masową danej rodziny można zapisać w postaci: A = 4n + m, przy czym dla każdego pierwiastka danej rodziny liczba stała m ma tę samą wartość (0,1,2 lub 3). Zatem znane są cztery rodziny promieniotwórcze: torowa (A = 4n), neptunowa (A = 4n + 1), uranowa (A = 4n + 2) i aktynowa (A = 4n + 3) [10,12].
Rys.: Szeregi promieniotwórcze [12].
Rys.: Szereg promieniotwórczy izotopu (238U) [12].
W latach 1896-1919 znano jedynie samorzutnie przebiegające reakcje jądrowe. Oprócz szeregu uranowego zbadano dwa pozostałe - aktynowy i torowy. Wiedziano również o istnieniu kilku pierwiastków nie należących do żadnej z tych rodzin, a wykazujących słabą promieniotwórczość naturalną.
W 1919 roku E. Rutherford dokonał jako pierwszy sztucznej reakcji jądrowej. Wyszedł on z założenia, że nukleony muszą się bardziej silnie przyciągać. W związku z tym, żeby móc rozbić jądro atomowe należy działać siłami tak samo wielkimi, jak siły oddziaływania nukleonów. W praktyczny sposób należałoby więc pokonać siłę przyciągania składników jądra atomowego, np. poprzez bombardowanie jądra pociskami o energii większej niż energia przyciągania nukleonów. Takimi pociskami, które byłyby na tyle małe, aby móc precyzyjnie trafiać w jądro atomowe oraz na tyle silne energetycznie aby to jądro móc rozbić, są cząstki α. Cząstki α można było uzyskać z naturalnych rozpadów promieniotwórczych, a odpowiednią energię nadać im zwiększając ich prędkość. Pierwszą reakcję jądrową przeprowadzoną przez E. Rutherforda można przedstawić w następujący sposób:
Podczas bombardowania atomów azotu cząstkami α (jądrami atomów helu), dochodzi do rozbicia jego jąder w wyniku czego powstają jądra atomów tlenu i wodoru.
Duży wpływ na zwiększenie wydajności jądrowych miały dwa fakty: zastosowanie innych cząstek jako pocisków jądrowych - protonów i neutronów oraz skonstruowanie urządzeń służących do ich przyspieszania - akceleratorów [12].
Atomy zawierające taką samą liczbę protonów w jądrze, a różną liczbę neutronów są izotopami tego samego pierwiastka.
Historycznie pierwszą metodą rozdzielania izotopów spektografia mas. Natomiast do oddzielenia wodoru od jego izotopu - deuteru wybitny fizykochemik amerykański - Harold Urey - zastosował metodę destylacji. Wykorzystał różnicę temperatur wrzenia izotopów. Odparował on kilkulitrowe porcje ciekłego wodoru do objętości 1 mililitra. W pierwszej kolejności odparowaniu wodór zwykły, który ma niższą temperaturę wrzenia, a zatężaniu ulegał deuter - izotop dwa razy cięższy. Otrzymaną jednomililitrową próbkę Urey analizował w spektrometrze mas. Wynik potwierdził wcześniejsze przypuszczenia badacza o występowaniu dwa razy cięższego izotopu wodoru [11,12].
Rys. str.8: [6] Państwowa Agencja Atomistyki, "Setna Rocznica Odkrycia Promieniotwórczości", 1998.
Po około czterdziestu latach, które upłynęły od odkrycia promieniowania naturalnego, Irena Curie wraz z mężem Fryderykiem Joliot-Curie odkryli możliwość otrzymywania pierwiastków promieniotwórczych w warunkach laboratoryjnych.
Oddziałując na określony pierwiastek, np cząstkami α można uzyskać inny pierwiastek. Bombardując cząstkami α płytkę z glinu 2713Al otrzymuje się nietrwały izotop fosforu 3015P oraz strumień neutronów. Nietrwały izotop fosforu rozpada się na stabilne jądra krzemu 3014Si i cząstki o masie elektronu posiadające ładunek dodatni - tzw. pozytony.
Obecnie do produkcji sztucznych izotopów wykorzystuje się cząstki α, neutrony, protony, deuterony, przyspieszone ciężkie jony oraz reakcje rozszczepienia, reakcje fotojądrowe i inne. W chwili obecnej można wytworzyć około 1200 różnych izotopów [11,12].
PROMIENIOWANIE KOSMICZNE
ZASTOSOWANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
ENERGIA JĄDROWA I ENERGIA TERMOJĄDROWA
