Właściwości Promieniowania Alfa, Beta i Gamma: Zasięg, Jonizacja, Przenikanie

Szczegóły: Opublikowano: 07. March 2026

Badania nad promieniotwórczością naturalną są nierozerwalnie związane z nazwiskami Piotra Curie i Marii Skłodowskiej-Curie. Maria Skłodowska-Curie jest dwukrotną noblistką. W 1903 r. wraz z mężem Piotrem i Henri Becquerelem otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, a w 1911 r. - Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii (za odkrycie pierwiastków promieniotwórczych - polonu i radu). W tym rozdziale spróbujemy odpowiedzieć na pytanie, na czym polega zjawisko promieniotwórczości i jakie substancje określamy mianem promieniotwórczych.

Promieniowanie jądrowe obecne wokół nas pochodzi zarówno ze źródeł naturalnych, jak i sztucznych. Te pierwsze otaczają nas zawsze i wszędzie - powszechnie występujące skały granitowe są silnym źródłem promieniowania.

Cofnijmy się na chwilę do końca XIX wieku, aby zrozumieć odkrycie promieniotwórczości naturalnej (promieniowania uranowego). 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 też 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.

Przeczytaj także: Dlaczego Wybrać Saguaro NieGazowaną?

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.

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 kg/m³. 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.

Przeczytaj także: Woda aloesowa: Zdrowy napój

Promieniowanie Alfa (α)

Promieniowanie alfa charakteryzuje się najmniejszą przenikliwością ze wszystkich rodzajów promieniowania 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.

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 He²⁺₄. 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.

Przeczytaj także: Woda destylowana - zamarzanie

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 ujemny.

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 Promieniowania

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.

Komora Jonizacyjna

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 których zawsze jeden jest naładowany dodatnio, a drugi ujemnie. Między elektrodami nastąpi wówczas przepływ prądu, który będzie zarejestrowany przez układ pomiarowy.

Komora Wilsona

Badanie torów cząstek jonizujących oparte jest na zjawisku, które często oglądamy na niebie. Samolot przelatujący na dużej wysokości zostawia za sobą ślad w postaci tzw. smugi kondensacyjnej. Na wysokości rzędu 10 km od powierzchni Ziemi temperatura jest bardzo niska. Para wodna w tych warunkach może się skroplić tylko wtedy, jeśli pojawią się tzw. jądra kondensacji. Ze względu na to, że powietrze na tak dużej wysokości jest czyste, nie może wystąpić kondensacja pary wodnej. Przelatujący samolot zostawia jednak za sobą spaliny, które są częściowo zjonizowane. Powoduje to, że para wodna skrapla się w miejscach, w których są takie jony. Powstające krople natychmiast zamarzają i tworzą smugę zbudowaną z kryształków lodu. Zależnie od temperatury i stopnia zawartości pary wodnej na danej wysokości, na której leci samolot, taka smuga znika szybko lub dopiero po dłuższym czasie.

Do badania torów cząstek jonizujących wykorzystuje się komorę Wilsona. 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.

Podsumowując, promieniowanie α to strumień cząstek mających 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.

Promieniowanie Jonizujące i Jego Wpływ

Organizm człowieka narażony jest na skutki wywołane promieniowaniem jonizującym, które może pochodzić zarówno ze źródeł sztucznych, jak i naturalnych. Promieniowanie jonizujące jest promieniowaniem korpuskularnym lub elektromagnetycznym, powodującym jonizację ośrodka, przez który przechodzi. Dzięki odpowiednio dużej energii jest zdolne oderwać elektron od obojętnych atomów lub cząsteczek. Promieniowaniem jonizującym jest promieniowanie jądrowe (α, β i γ), neutronowe, X i kosmiczne.

Źródłem naturalnego promieniowania jonizującego jest m.in. przestrzeń kosmiczna. Promienie kosmiczne, które składają się głównie z jąder atomów o wielkich energiach (są to głównie protony), zostało odkryte na początku XX w. Przed promieniowaniem kosmicznym częściowo chroni nas atmosfera ziemska, która pochłania energię padających cząstek. W wyniku zderzeń cząsteczek z jądrami gazów (azot, tlen) w atmosferze emitowane jest promieniowanie wtórne. Im grubszą warstwę atmosfery musi pokonać promieniowanie, tym słabsze się ono staje. W związku z tym ludzie przyjmują dużo mniejszą dawkę promieniowania na poziomie morza niż osoby wspinające się w wysokich górach. Osoby latające samolotami na trasach transkontynentalnych otrzymają dawkę promieniowania równą mniej więcej dawce towarzyszącej prześwietleniu rentgenowskiemu płuc.

Źródłem promieniowania jonizującego są również powierzchnia i wnętrze Ziemi, które zawierają bogate zasoby pierwiastków radioaktywnych. Na terenie Polski po zakończeniu drugiej wojny światowej wydobywano rudy uranu m.in. w Kletnie i Kowarach (Sudety). Z kopalni w Kletnie uzyskano łącznie 20 ton uranu.

Oprócz źródeł naturalnych promieniowania jonizującego istnieją także jego źródła sztuczne. Promieniowanie jonizacyjne wytworzone przez człowieka powstaje jako rezultat przemian zachodzących we wnętrzach jąder atomowych. Tym zmianom towarzyszy zmiana energii jąder, a często także liczby nukleonów. Podatne na to są zwłaszcza izotopy pierwiastków, w których znajduje się nieodpowiednia liczba neutronów.

Do źródeł sztucznych promieniowania jonizującego zaliczamy aparaturę medyczną (aparaty rentgenowskie, bomby kobaltowe), elektrownie jądrowe (reaktory) i urządzenia badawcze, np. akceleratory cząstek. Promieniowanie jonizujące powoduje określone skutki biologiczne, które ze względu na podstawowe mechanizmy ich powstawania możemy podzielić na deterministyczne i stochastyczne.

Skutki deterministyczne są konsekwencją pochłonięcia przez organizm ludzki na tyle dużej dawki promieniowania jonizującego, że powoduje ona zniszczenie lub bezpowrotne uszkodzenie pewnej liczby komórek. Przejawem skutków deterministycznych jest choroba popromienna.

Skutki stochastyczne (losowe) są rezultatem uszkodzenia materiału genetycznego pojedynczej komórki i przejawiają się w postaci nowotworów lub chorób dziedzicznych.

Promieniowanie α stanowią duże cząstki, które mimo swojego krótkiego zasięgu mają silne własności jonizacyjne (nawet 20‑krotnie większe niż promieniowanie β lub γ). Kiedy cząstka α o energii 4 MeV porusza się w powietrzu, może wytworzyć nawet 120 000 par jonów. Prawie cała energia cząstek alfa zużywana jest na jonizację ośrodka.

Źródłem promieniowania α są przemiany promieniotwórcze niektórych jąder tzw. pierwiastków ciężkich (uranu, toru, radu). Szkło, kilkucentymetrowa warstwa powietrza (4,37 cm dla energii cząstek 6 MeV), skóra ludzka lub zwykły papier stanowią dla tego promieniowania zaporę nie do przebycia. Gdyby jednak cząstki α dostały się w jakiś sposób do organizmu, np. drogą pokarmową, to ich jonizujące działanie mogłoby się okazać tragiczne dla zdrowia (choroba popromienna, białaczka) i zakończyć nawet śmiercią. Promieniowanie α nie wymaga stosowania specjalnych osłon.

Promieniowanie β (strumień elektronów) w porównaniu z promieniowaniem α ma znacznie większy zasięg (zależny od energii cząstek; w powietrzu rozchodzi się ono na odległość kilku metrów) oraz większą przenikliwość. Źródłem promieniowania β są procesy zachodzące wewnątrz jąder pierwiastków promieniotwórczych, gdzie następuje przemiana neutronu w proton (β^-) lub protonu w neutron (β⁺). Cząstki β, których zarówno ładunek, jak i masa są mniejsze w porównaniu z cząstkami α, wywołują znacznie mniejszą jonizację ośrodka. W powietrzu mogą mieć zasięg nawet kilku metrów (2,3 m dla 6,0 MeV).

Biologiczne skutki oddziaływania promieniowania β na żywą tkankę są jednak znacznie mniejsze w porównaniu z promieniowaniem α. Przed promieniowaniem β chroni cienka warstwa aluminium lub tworzywa sztucznego a także szklana płyta o grubości 1 cm. Aby zabezpieczyć się przed promieniowaniem β, musimy korzystać z osłony. Wykorzystanie tarcz ołowianych (lub wykonanych z innych metali ciężkich) nie jest wskazane, ponieważ wychwycenie elektronu przez jądra osłony może stać się źródłem promieniowania wtórnego.

Niebezpieczne dla zdrowia jest przyjęcie dawki promieniowania β znajdującej się w skażonej żywności.

Promieniowanie γ oraz promieniowanie neutronowe stanowią pośredni czynnik jonizujący. Nie zawierają ładunku elektrycznego, ale są odpowiedzialne za powstawanie cząstek naładowanych, które z kolei wywołują jonizację.

Promieniowanie γ jest najbardziej przenikliwą formą promieniowania jonizującego. Są to fale elektromagnetyczne krótsze od promieni rentgenowskich.

Źródłem promieniowania γ są wzbudzone jądra, które podczas powrotu do stanu podstawowego, emitują nadmiar energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie γ nigdy nie występuje samo - zawsze towarzyszy emisji cząstek α lub β. Liczba masowa jądra pozostaje niezmieniona.

Częściową (najczęściej jednak w pełni wystarczającą) ochronę przed tym promieniowaniem stanowią płyty ołowiane (które mogą być także wykonane z innych metali ciężkich, np. stali albo zubożonego uranu) lub wielometrowa warstwa betonu. Promieniowanie γ nie ma zasięgu maksymalnego i po napotkaniu odpowiedniej przeszkody ulega pochłanianiu, którego stopień zależy od tego, jak gruba jest ta przeszkoda i z jakiego materiału została ona wykonana. Energia promieniowania γ może zmieniać się liniowo w bardzo szerokim zakresie - od kilkuset keV do kilku MeV.

Promieniowanie neutronowe to kolejny rodzaj promieniowania jonizującego, który nie przenosi ładunku elektrycznego. Powstaje w wyniku rozszczepienia jąder atomowych lub rozpadu niektórych izotopów promieniotwórczych. Ze względu na prędkość (a tym samym energię), którą osiągają neutrony, dzielimy je na termiczne i szybkie.

Neutrony termiczne (o ich znaczeniu przeczytacie w następnych podrozdziałach) osiągają prędkość ok. 2 km/s oraz energię poniżej 1 eV. Neutrony termiczne pochłaniane są przez tarcze wykonane z materiałów takich jak kadm lub bor.

Z kolei proces pochłaniania neutronów szybkich przebiega dwustopniowo. Przed wychwyceniem muszą zostać spowolnione do prędkości charakterystycznej dla neutronów termicznych. Moderatorami (spowalniaczami) w tym wypadku mogą być materiały zbudowane z jąder o niskich liczbach atomowych (zawierające wodór), np. ciężka woda, parafina bądź grafit.

Ochrona przed Promieniowaniem Jonizującym

Promieniowanie jonizujące niekorzystnie wpływa na organizm ludzki. Napromieniowanie dużymi dawkami promieniowania może prowadzić do śmierci lub choroby popromiennej. Małe dawki promieniowania mogą skutkować chorobami nowotworowymi, a jeśli został uszkodzony materiał genetyczny, mogą się one ujawnić dopiero w następnym pokoleniu. Uszkodzenia organizmu zależą głównie od energii i rodzaju padającego promieniowania (w przypadku cząstek - od masy i ich ładunku elektrycznego). Najbardziej przenikliwe są promieniowanie gamma oraz promieniowanie beta (strumień elektronów) - powodują one największe uszkodzenia organizmu.

Nieustannie nasze organizmy narażone są na działanie promieniowania jonizującego dobiegającego do nas z przestrzeni otaczającej Ziemię. Promieniowanie to nazywamy promieniowaniem naturalnym.

Zdolności jonizacyjne promieniowania alfa, beta, gamma i neutronowego zdecydowanie się od siebie różnią. Najbardziej szkodliwe, biorąc pod uwagę wywierane skutki, są promieniowanie α i neutronowe. Jeden grej promieniowania gamma (wysoka przenikliwość) wpływa na organizm ludzki zupełnie inaczej niż jeden grej promieniowania alfa.

tags: #właściwości #promieniowania #alfa #beta #gamma #zasięg