Podwójna Jonizacja Pierwiastków Promieniotwórczych: Definicja i Charakterystyka
- Szczegóły
Badania nad promieniotwórczością naturalną nierozerwalnie związane są z nazwiskami Piotra Curie i Marii Skłodowskiej‑Curie. Maria Skłodowska‑Curie jest dwukrotną noblistką. W 1903 r. wraz z mężem Piotrem otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, a 1911 r. - w dziedzinie chemii (za odkrycie pierwiastka promieniotwórczego - polonu).
Odkrycie Promieniotwórczości Naturalnej
Wróćmy na chwilę do końca XIX wieku. Wiadomo już, że istnieją cząstki mniejsze od atomów, naładowane dodatnio lub ujemnie i że atomy jako obojętne elektrycznie muszą się składać zarówno z cząstek naładowanych dodatnio jak i cząstek naładowanych ujemnie. Naukowcy badają jaki te mniejsze cząstki mają ładunek oraz masę oraz w jaki sposób są rozmieszczone w atomach. Badane jest promieniowanie ciał stałych i gazów.
W latach 90. XIX wieku dokonano dwóch ważnych odkryć: odkrycia promieni X przez W. Röntgena i odkrycia naturalnej promieniotwórczości niektórych ciał.
Dzięki doświadczeniom przeprowadzonym przez Henryka Becquerela, Ernesta Rutherforda oraz Marię Skłodowską‑Curie i Piotra Curie odkryto, że substancje zawierające pewne pierwiastki, zwane pierwiastkami promieniotwórczymi, emitują promieniowanie zdolne zaczernić kliszę fotograficzną.
Zjawisko polegające na zaczernianiu klisz fotograficznych przez sole uranu odkrył Henri Becquerel w 1896 r. przy okazji badań nad świeceniem tych związków po ich uprzednim naświetleniu światłem słonecznym. Stwierdził jednak, że klisza ulega zaczernieniu nawet wtedy, gdy sole uranu nie zostały wcześniej naświetlone. Dalsze doświadczenia doprowadziły Becquerela do wniosku, że jest to promieniowanie mające charakter falowy.
Przeczytaj także: Wszystko o filtrze RO10 GRAPHITE
Sytuacja zmieniła się diametralnie, gdy pracę nad zagadnieniem naturalnej promieniotwórczości podjęła Maria Skłodowska‑Curie. Uwieńczeniem jej pracy naukowej było odkrycie obecności nowych pierwiastków w związkach uranu, które to pierwiastki były odpowiedzialne za emisję badanego promieniowania. Te pierwiastki to polon i rad.
Mimo że Maria Skłodowska‑Curie większość swojego życia spędziła poza granicami Polski podzielonej zaborami, czuła się zawsze mocno związana z ojczyzną. Aby dać temu wyraz, pierwiastek odkryty przez siebie i męża nazwała polonem. Polon jest metalem promieniotwórczym o srebrzystobiałej barwie, który roztacza wokół siebie niebieską aurę, będącą skutkiem oddziaływania emitowanego promieniowania alfa z powietrzem. Gęstość tego pierwiastka wyrażona w jednostkach układu SI wynosi 9400 kgm3. Ze względu na dużą energię, jaką polon wydziela w krótkim czasie, stosowany jest on jako źródło zasilania w satelitach i pojazdach kosmicznych. Śladowe ilości tego metalu znajdują się w dymie papierosowym.
Badania Ernesta Rutherforda i innych fizyków dowiodły, że promieniowanie to nie ma natury jednorodnej. Ze względu na jego przenikliwość wyróżniono trzy rodzaje, które nazwano promieniowaniem alfa, beta i gamma - zgodnie z pierwszymi literami alfabetu greckiego.
Okazało się, że promienie uranowe (tak je wtedy nazywano), nazwane literami α i β, ulegają odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym. Oznacza to, że mają ładunek elektryczny. Badania wykazały, że składowa nazwana literą γ jest zarówno bardzo przenikliwa, jak i niewrażliwa na wpływ wyżej wspomnianych pól. Było to jednoznaczne z tym, że nie przenosi ona ładunku elektrycznego.
Charakterystyka Promieniowania
Promieniowanie Alfa (α)
Promieniowanie alfa charakteryzuje się najmniejszą przenikliwością ze wszystich rodzajów promieniownania jądrowego, o wiele mniejszą niż promieniowanie beta i gamma. W powietrzu zasięg promieniowania α ogranicza się do kilku (maksymalnie dziesięciu) centymetrów. Jest całkowicie pochłaniane przez kartkę papieru czy zwykłą odzież. Dlatego też substancje, które emitują ten typ promieniowania, mogą być przechowywane np. w zwykłych szklanych ampułkach. Jednak nie można bagatelizować jego wpływu na żywe organizmy, zwłaszcza gdy promienie alfa trafią na nieosłoniętą tkankę lub dostaną się do wnętrza organizmu drogą oddechową lub pokarmową. Promieniowanie alfa ma silne właściwości jonizujące i może prowadzić do choroby popromiennej.
Przeczytaj także: Odwrócona osmoza i podwójna wylewka - co warto wiedzieć?
Kiedy promieniowanie alfa przechodzi przez obszar pola elektrycznego, zmienia kierunek rozchodzenia się. Musi zatem mieć ładunek elektryczny. Stosunkowo łatwo można wykazać, że przenosi ładunek dodatni.
Już na przełomie XIX i XX w. fizycy podejrzewali, że promieniowanie alfa składa się z cząstek. Śledzili dokładnie zachowanie cząstek alfa w polach magnetycznym i elektrycznym, dzięki czemu wyznaczyli wartość ładunku i masę cząstki. Okazało się, że ładunek cząstki alfa jest dwa razy większy od ładunku zjonizowanego atomu wodoru (czyli protonu). Cząstka alfa jest też cztery razy cięższa od zjonizowanego atomu wodoru.
W 1908 r., a więc znacznie później, odkryto, że cząstki alfa są tożsame z jądrami helu He24. Rutherford jeszcze do końca lat dwudziestych XX w. uważał, że cząstki alfa są niepodzielne.
Promieniowanie Beta (β)
Kolejnym produktem rozpadu niestabilnych jąder jest promieniowanie beta. Promieniowanie beta jest znacznie bardziej przenikliwe niż promieniowanie alfa o tej samej energii. Bez trudu przechodzi przez kartkę papieru, ale pochłaniane jest przez folię aluminiową. W zależności od swojej energii potrafi w powietrzu rozchodzić się nawet na dystans kilku metrów. Szkło o grubości ponad czterech milimetrów stanowi jednak dla tych promieni zaporę nie do pokonania.
Kiedy promieniowanie beta przechodzi przez obszar, w którym występuje pole elektryczne, zmienia kierunek rozchodzenia się, jednak w przeciwną stronę, niż promieniowanie alfa. Promieniowanie beta musi więc przenosić ze sobą ładunek elektryczny o przeciwnym znaku - skoro cząstki α naładowane są dodatnio, to cząstki β mają ładunek ujemy.
Przeczytaj także: Korzyści z ozonowania twarzy
Podobnie jak w przypadku promieniowania α fizycy śledzili zachowanie promieniowania β w polach magnetycznym i elektrycznym. Wykazali, że promieniowanie beta jest strumieniem naładowanych cząstek. Wyznaczyli wartość ładunku cząstki β i jej masę, które okazały się takie same jak w przypadku elektronu.
Dzisiaj wiemy, że istnieją dwa rodzaje promieniowania beta - strumień elektronów (rozpad β-) i pozytonów (rozpad β+).
Promieniowanie Gamma (γ)
Promieniowanie gamma w 1900 r. odkrył Paul Villard, który współpracował z Marią Skłodowską‑Curie i Piotrem Curie.
Na drodze doświadczalnej dowiedziono później, że trzeci rodzaj promieniowania jądrowego, który nie występuje samodzielnie, lecz towarzyszy promieniowaniu alfa i beta, wykazuje największą przenikliwość.
Promieniowanie gamma dzięki dużej energii przenika zarówno przez cienką kartkę papieru, jak i przez folię aluminiową, a częściowo pochłonięte może zostać dopiero przez np. płytę ołowianą o grubości minimum 7 cm lub też przez warstwę betonu o grubości 5 metrów. Stanowi silny czynnik jonizujący i jest szkodliwe dla organizmu ludzkiego. Odpowiednio duże dawki promieniowania gamma prowadzą do choroby popromiennej.
Kiedy promieniowanie gamma przechodzi przez obszar pola elektrycznego, w ogóle się nie zakrzywia, nie ma więc żadnego ładunku. Dalsze badania wykazały, że promieniowanie gamma to fale elektromagnetyczne o bardzo małych długościach - krótszych od fal promieniowania rentgenowskiego.
Metody Wykrywania i Badania Torów Cząstek Naładowanych - Detektory
Protony, cząstki α czy cząstki β są zbyt małe, by móc je zobaczyć gołym okiem. W jaki sposób zatem fizycy dowiedzieli się o nich tak wiele - poznali ich masę, ładunek i tor, po których te cząstki poruszają się w przestrzeni?
Bardzo ważnym zjawiskiem towarzyszącym ruchowi cząstek naładowanych w danym ośrodku jest jonizacja tego ośrodka. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym kiedy przemieszczają się w pobliżu atomów lub cząsteczek związków chemicznych, powodują odrywanie elektronów. Tym samym tworzy się para jonów, jeden naładowany dodatnio i jeden naładowany ujemnie. Na drodze toru ruchu takich naładowanych cząstek powstaje wiele takich par jonów. Istnienie jonów można wykryć i tym samym stwierdzić istnienie cząstki jonizującej, a nawet zobaczyć ślad jej przelotu.
Urządzeniem służącym do wykrywania cząstek jonizujących jest komora jonizacyjna. Może ona mieć kształt cylindra wypełnionego gazem. Wzdłuż osi cylindra umieszczona jest elektroda (cienki drut odizolowany od ścianek komory). Drugą elektrodę może tworzyć układ drutów położonych bliżej ścianek komory lub cylindryczna elektroda umieszczona dookoła puszki.
Jeżeli cząstka jonizująca przeleci przez cylinder, to na swojej drodze spowoduje powstanie wielu par jonów, z któtych zawsze jeden jest naładowany dodatnio, a drugi ujemnie. Między elektrodami nastąpi wówczas przepływ prądu, który będzie zarejestrowany przez układ pomiarowy.
Do badania torów cząstek jonizujących wykorzystuje się komoręWilsona. Komora jest wypełniona powietrzem z dużą zawartością pary wodnej lub pary alkoholowej. Przelatująca przez komorę cząstka tworzy na swoim torze jony, na których powstają kropelki wody lub alkoholu. Taką komorę pierwszy zbudował Charles Wilson w 1900 r. W II połowie XX w. skonstruowano urządzenie zwane komorą pęcherzykową. Wewnątrz takiej komory znajduje się ciecz w stanie tzw. przegrzania (czyli w temperaturze wyższej niż temperatura wrzenia). Przelot jonizującej cząstki powoduje jonizację cieczy i w miejscach, w których znajdują się jony, następuje gwałtowne przejście wody w stan pary. Ślad przelatującej cząstki - podobnie jak w komorze Wilsona - można sfotografować.
Podsumowanie
Promieniowanie α to strumień cząstek majacych taką samą budowę jak jądra helu, czyli składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Charakteryzuje się niską przenikliwością, jego zasięg w powietrzu nie przekracza 10 cm. Ma właściwości jonizujące. Promieniowanie β to strumień elektronów lub pozytonów. Jego przenikliwość jest większa niż cząstek α, a zasięg w powietrzu sięga nawet do kilku metrów. Największą przenikliwość i zasięg ma promieniowanie γ, które jest falą elektromagnetyczną o długości fali mniejszej niż długość fali promieni rentgenowskich.
tags: #podwojna #jonizacja #pierwiastkow #promieniotworczych #definicja
