Ćwiczenie 76

Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42 EHz, a długości fali mniejszej od 124 pm. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. W wielu publikacjach rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie, w wyniku zderzeń elektronów z atomami. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery γ.

Źródła promieniowania gamma

• Przemiana jądrowa - jądra atomowe izotopów promieniotwórczych po rozpadzie znajdują się w stanie wzbudzonym. Powrót do stanu podstawowego, o niższej energii, powoduje emisję fotonu gamma.

• Reakcja syntezy - dwa jądra atomowe zderzają się, tworząc nowe jądro w stanie wzbudzonym. Jego przejściu do stanu podstawowego może towarzyszyć emisja jednego lub wielu kwantów gamma.

• Anihilacja - zderzenie cząstki i antycząstki, np. elektronu i pozytonu, powoduje zniknięcie obu tych cząstek i emisję co najmniej dwóch fotonów gamma

Oddziaływanie z materią

Zależność absorpcji promieniowania gamma od energii dla aluminium

Promieniowanie gamma przechodząc przez materię ulega pochłanianiu (wielkość pochłaniania zależy od energii promieniowania). Za pochłanianie promieniowania gamma odpowiadają następujące zjawiska:

1. wewnętrzny efekt fotoelektryczny (Photo) w wyniku którego promieniowanie gamma oddaje energię elektronom odrywając je od atomów lub przenosząc na wyższe poziomy energetyczne,

2. rozpraszanie komptonowskie (Compton) słabo związane lub swobodne elektrony doznają przyspieszenia w kierunku rozchodzenia się promieniowania. W pojedynczym akcie oddziaływania następuje niewielka zmiana energii kwantu gamma. W wyniku oddziaływania z wieloma elektronami kwant gamma wytraca swą energię. Jest to najważniejszy sposób oddawania energii przez promieniowanie gamma.

3. kreacja par elektron-pozyton (Pair), kwant gamma uderzając o jądro atomowe powoduje powstanie par cząstka-antycząstka (warunkiem zajścia zjawiska jest energia kwantu gamma > 1,02 MeV - dwukrotnej wartości masy spoczynkowej elektronu),

4. reakcje fotojądrowe - niezwykle rzadkie, występuje przy odpowiednio dużej energii promieniowania (E_γ>18,6 MeV). W tym oddziaływaniu promieniowanie gamma oddaje energię jądrom atomowym wzbudzając je. Wzbudzone jądro atomowe może wypromieniować kwant gamma, ulec rozpadowi lub rozszczepieniu.

W wybuchu jądrowym

Grubość warstwy materiału redukującej natężenie promieniowania gamma o połowę
Materiał	Grubość mm
		Energia 662 keV	Energia 284 keV
Ołów	63,5	35,6
Stal	172,7	94,0
Beton	533,4	355,6

Podczas wybuchu jądrowego bomby atomowej około 5% energii wybuchu zamienia się na promieniowanie jonizujące w tym i na promieniowanie gamma. Skutki oddziaływania promieniowania gamma powstałego podczas wybuchu są mniejsze niż efekty wywołane falą uderzeniową i promieniowaniem cieplnym. Większym problemem jest skażenie promieniotwórcze, powstaje opad radioaktywny, który wprowadza promieniotwórcze substancje do wody i żywności. Promieniowanie gamma powstające podczas rozpadu pochłoniętych przez istoty żywe izotopów promieniotwórczych niemalże w całości jest pochłaniane przez organizm powoduje wzrost dawki promieniowania. W związku z tym miejsce eksplozji jest skażone i przez długi czas nie nadaje się do życia. Szacuje się, że w Hiroszimie liczba osób, które umarły w wyniku napromieniowania, jest porównywalna z liczbą osób jakie zmarły w wyniku wybuchu.

Detekcja promieniowania gamma

Człowiek nie posiada narządów zmysłów pozwalających mu na postrzeganie promieniowania gamma, którego detekcja stała się konieczna wraz z rozwojem technologii jądrowej. Ogólnie detektory promieniowania gamma wykorzystują własności jonizacyjne tego promieniowania i można je podzielić na:

• detektor barwnikowy

• detektory gazowe, do których należą:

• komora jonizacyjna

• licznik Geigera-Müllera

• licznik proporcjonalny

• detektor półprzewodnikowy

• emulsja fotograficzna

• licznik scyntylacyjny

Zastosowania

Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji sprzętu medycznego, jak również produktów spożywczych. W medycynie używa się ich w radioterapii (tzw. bomba kobaltowa) do leczenia raka, oraz w diagnostyce np. pozytonowa emisyjna tomografia komputerowa. Ponadto promieniowanie gamma ma zastosowanie w przemyśle oraz nauce, np. pomiar grubości gorących blach stalowych, pomiar grubości papieru, wysokości ciekłego szkła w wannach hutniczych, w geologii otworowej (poszukiwania ropy i gazu ziemnego), w badaniach procesów przemysłowych (np. przepływu mieszanin wielofazowych, przeróbki rudy miedzi).

Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) - rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się promieniowania. Oba pola indukują się wzajemnie - zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, a zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. Źródłem zmiennego pola elektromagnetycznego jest przyspieszający ładunek elektryczny. Najczęściej źródłem tego promieniowania jest ładunek wykonujący drgania.

Historia

• Istnienie fali elektromagnetycznej przewidział James Clerk Maxwell w roku 1861.

• Pierwszej emisji i odbioru fal elektromagnetycznych dokonał Heinrich Hertz w roku 1886.

Podstawy teoretyczne

Z równań Maxwella w przestrzeni nie zawierającej ładunków (w próżni) wynika:

gdzie

H - wektor natężenia pola magnetycznego,

E - wektor natężenia pola elektrycznego.

Równania te są liniowymi równaniami różniczkowymi fali rozchodzącej się z prędkością

gdzie: ε to przenikalność elektryczna, a μ to przenikalność magnetyczna ośrodka, w którym rozchodzi się fala. W próżni prędkość ta jest prędkością światła w próżni i określa ją wzór:

gdzie przenikalności z indeksem 0 odnoszą się do próżni. Rozwiązaniem różniczkowych równań Maxwella są równania fali biegnącej. Dla fali płaskiej rozchodzącej się w kierunku x równania te mają postać:

gdzie

E₀ - amplituda natężenia pola elektrycznego,

H₀ - amplituda natężenia pola magnetycznego,

ν - częstotliwość fali elektromagnetycznej,

λ - długość fali.

Równania Maxwella i ich rozwiązanie pozwoliło połączyć pole elektryczne i magnetyczne w jedno pole elektromagnetyczne i pokazało bezpośredni związek tego pola ze światłem.

Promieniowanie elektromagnetyczne, choć jest falą, jak wynika z równań Maxwella, jest równocześnie strumieniem kwantów - fotonów. Im mniejsza długość fali, tym bardziej ujawnia się cząsteczkowa natura promieniowania elektromagnetycznego. Energia kwantu zależy od długości fali zgodnie ze wzorem:

Własności promieniowania

Promieniowanie elektromagnetyczne rozchodząc się objawia swe własności falowe zachowując się jak każda fala, ulega interferencji, dyfrakcji, spełnia prawo odbicia i załamania.

Rozchodzenie się fali w ośrodkach silnie zależy od ośrodków oraz częstotliwości fali. Fala rozchodząc się w ośrodku pobudza do drgań cząsteczki, atomy i elektrony zawarte w ośrodku, które są źródłami fal wtórnych, zmieniając tym samym warunki rozchodzenia się fali w stosunku do próżni.

Powstawanie i pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego wiąże się ze zmianą ruchu ładunku elektrycznego.

Własności promieniowania elektromagnetycznego silnie zależą od długości fali (częstotliwości promieniowania) i dlatego dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego ze względu na jego częstotliwość.

Widmo fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne zależnie od długości fali (częstotliwości) przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych):

Pasmo	Długość [m]
Fale radiowe	>10^-4
Mikrofale	3·10^-1 - 3·10^-3
Podczerwień	10^-3 - 7,8·10^-7
Światło widzialne	7,8·10^-7 - 4·10^-7
Ultrafiolet	4·10^-7 - 10^-8
Promieniowanie rentgenowskie	10^-8 - 10^-11
Promieniowanie gamma	<10^-11

Granice poszczególnych zakresów promieniowania elektromagnetycznego są umowne i nieostre. Dlatego promieniowanie o tej samej długości może być nazywane falą radiową lub mikrofalą - w zależności od zastosowania. Graniczne promieniowanie gamma i promieniowanie rentgenowskie rozróżnia się z kolei ze względu na źródło tego promieniowania. Najdokładniej określone są granice dla światła widzialnego. Są one zdeterminowane fizjologią ludzkiego oka.

Radioaktywność (promieniotwórczość) - zdolność jąder atomowych do rozpadu promieniotwórczego, który najczęściej jest związany z emisją cząstek alfa, cząstek beta oraz promieniowania gamma (promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo dużej energii).

Szczególnym rodzajem promieniotwórczości jest rozszczepienie jądra atomowego, podczas którego radioaktywne jądro rozpada się na dwa fragmenty oraz emituje liczne cząstki, między innymi neutrony, które mogą indukować kolejne rozszczepienia. Zjawisko takiej reakcji łańcuchowej jest wykorzystane w elektrowniach jądrowych oraz w bombach jądrowych.

Promieniowanie towarzyszące przemianom jądrowym (zarówno elektromagnetyczne jak i w postaci strumienia cząstek) przechodząc przez substancję ośrodka powoduje jonizację (wybijanie elektronów z atomów). Promieniowanie to, po przekroczeniu pewnego poziomu, ma szkodliwy wpływ na organizm ludzki. Pochłonięcie jego dużej dawki może spowodować chorobę popromienną.

Źródłami radioaktywności są niestabilne izotopy pierwiastków, zarówno występujących w naturze, jak i wytworzonych przez człowieka. Do najbardziej znaczących należą:

• ³H, wytwarzany m.in. w wyniku eksperymentów termojądrowych, a także w wyniku reakcji jądrowych zachodzących w atmosferze

• ¹⁴C, stale produkowany przez promieniowanie kosmiczne w górnych warstwach atmosfery, obecny we wszystkich organizmach żywych, w tym w ciele człowieka

• ⁴⁰K, obecny m.in. w minerałach i kościach, stanowiący 0,0117% całej zawartości potasu

• Rn, krótko żyjący element tzw. szeregów promieniotwórczych; jest gazem, więc może uwalniać się z miejsca powstania, np. z gleby, materiałów budowlanych itp.; największe znaczenie ma ²²²Rn, pochodzący z szeregu ²³⁸U, jego okres połowicznego zaniku wynosi 3,8 dnia

• Ra, także pierwiastek występujący w szeregach promieniotwórczych; największe znaczenie ma izotop ²²⁶Ra z szeregu ²³⁸U, którego okres połowicznego zaniku wynosi 1620 lat

• ²³²Th, długo żyjący izotop obecny w niektórych minerałach i w glebie

• U, występujący w minerałach i w glebie; największe znaczenie mają: ²³⁸U, mniej obfity izotop ²³⁵U oraz sztucznie uzyskany ²³³U - dzięki podatności na rozszczepienie są wykorzystywane w reaktorach i bombach jądrowych

• Pu, uzyskiwany sztucznie z uranu; izotop ²³⁹Pu, także podatny na rozszczepienie, stosowany jest podobnie jak uran.

Radioaktywność tych i wielu innych izotopów ma zastosowania w medycynie (diagnostyka, terapia nowotworów), archeologii i geologii (datowanie izotopowe), technice oraz badaniach naukowych.

Historia odkrycia radioaktywności [edytuj]

Zjawisko promieniotwórczości odkrył francuski fizyk Henri Becquerel w 1896 roku, badając zjawisko fosforescencji. Jego doświadczenia polegały na naświetlaniu światłem słonecznym minerałów, a potem zawijaniu ich w kliszę światłoczułą w celu zbadania, czy występuje zjawisko fosforescencji, czyli indukowane światłem słonecznym świecenie badanej substancji (zaczerniające kliszę). Z powodu niepogody nie zdążył naświetlić światłem słonecznym próbki rudy uranowej, włożył ją więc do swojego fartucha laboratoryjnego. Klisza i próbka rudy były przechowywane w ten sposób przez kilka dni, po czym Becquerel przypomniał sobie o kliszy i ją wywołał. Okazało się, że uległa prześwietleniu, ale tylko w miejscach, gdzie stykała się z próbką rudy. Zainteresowany tym zjawiskiem Becquerel przetestował działanie innych soli o właściwościach fosforescencyjnych na klisze fotograficzne i zauważył, że nie tylko rudy uranu, ale też jego sole powodują to zjawisko, tak więc zjawisko prześwietlania klisz okazało się niezwiązane z samą fosforescencją. Becquerel zaczął studiować to zagadnienie głębiej, starając się dociec przyczyn tego zjawiska. Jego badania dowiodły, że źródłem nowego promieniowania nie jest tylko sól uranu, lecz każdy związek chemiczny zawierający wystarczającą ilość uranu oraz uran metaliczny. Becquerel zbadał naturę tego promieniowania i doszedł do wniosku, że jest to promieniowanie elektromagnetyczne o zbliżonej charakterystyce do promieni X (dziś wiemy, że jest to błędna interpretacja, bowiem promieniowanie to składa się z promieniowania alfa, beta i gamma emitowanego przez uran i produkty jego rozpadu). Udało mu się także znaleźć półilościowe zależności między mocą tego promieniowania a zawartością uranu w próbce. Becquerel nie mógł prawidłowo zinterpretować obserwowanego nowego zjawiska, bowiem był, tak jak jego ojciec, znawcą zjawiska fosforescencji. Sugerował więc istnienie tzw. fosforescencji opóźnionej, występującej po kilku dniach od naświetlania. Nie dysponował również wystarczająco dokładną metodą pomiarową, miał do dyspozycji bowiem tylko klisze fotograficzne.

W przypadku jednej z posiadanych przez Becquerela rud uranu zależność ta jednak nie była z jakichś powodów spełniona. Zadanie wyjaśnienia tego problemu Becquerel powierzył Marii Skłodowskiej-Curie w ramach jej pracy doktorskiej. Maria, ze swoim mężem Piotrem, zauważyła, że niektóre rudy uranowe wykazują znacznie wyższą radioaktywność, niżby to wynikało z obecności samego uranu. Korzystnym zbiegiem okoliczności było niedawne odkrycie przez jej męża Piotra i jego brata Jacques'a zjawiska piezoelektryczności kwarcu, co umożliwiło skonstruowanie bardzo czułego przyrządu do pomiaru prądu jonizacji powietrza wywołanej promieniowaniem. Nie musiała już oceniać stopnia zaczernienia kliszy fotograficznej, ale mogła podać dokładne, zmierzone elektrometrem wartości prądu jonizacji. W ten sposób ustaliła, że rudy uranowe wykazują dużo większą radioaktywność niż sam uran, co może świadczyć o istnieniu jakichś innych promieniotwórczych związków. Podjęła więc żmudne badania polegające na wydzieleniu tych związków z rudy uranowej na drodze operacji chemicznych. Maria odkryła i wydzieliła w ten sposób nowy pierwiastek rad, który był wielokrotnie bardziej radioaktywny od uranu. Wyodrębnienie tego pierwiastka umożliwiło dokładniejsze zbadanie zależności ilościowych emisji energii od zawartości pierwiastka promieniotwórczego w próbce i odkrycie, że radioaktywność polega w istocie na emisji trzech różnych rodzajów promieniowania oraz przemianie jednego pierwiastka w drugi (radu w gazowy radon) na skutek zjawiska rozpadu promieniotwórczego. Wydzielenie mierzalnych ilości nowego pierwiastka było wymagane, aby określić jego właściwości oraz otrzymać widmo emisyjne, co było niezbędne do zgłoszenia tego pierwiastka jako nowego. Dziś pierwiastki radioaktywne oznaczamy na podstawie rodzaju i energii emitowanego promieniowania. W podobny sposób wcześniej, przed odkryciem radu, Maria Skłodowska-Curie wydzieliła polon.

W tym samym mniej więcej czasie zjawiskiem radioaktywności zainteresował się Ernest Rutherford, odkrywca jądra atomu. Rutherford dostał próbkę czystego uranu od Becquerela w celu zbadania emitowanego promieniowania. Rutherford rozłożył to promieniowanie na 3 składowe, nazwane promieniowaniem alfa, beta i gamma. Najważniejszym dokonaniem Rutherforda w tej dziedzinie było ustalenie, że promieniowanie alfa to strumień jonów He²⁺ (jąder ⁴He), co wytłumaczyło przejście radu w radon jako zjawisko odrywania się dwóch protonów z jądra radu.

Jednostką radioaktywności w układzie SI jest bekerel (Bq), 1 Bq = 1 rozpad na sekundę. Dawniej używaną, obecnie nie zalecaną jednostką był kiur (Ci), 1 Ci = 3,7
10¹⁰ Bq.

Szereg promieniotwórczy - zespół pierwiastków promieniotwórczych powstający w wyniku następujących po sobie rozpadów promieniotwórczych. Kolejne produkty rozpadów promieniotwórczych tworzą szereg, który rozpoczyna się izotopem promieniotwórczym o długim okresie półtrwania, a kończy izotopem trwałym (niepromieniotwórczym).

Przemiany w wyniku których powstaje szereg promieniotwórczy to przemiany typu alfa α i beta β^-. W pierwszym przypadku następuje przesunięcie pierwiastka w układzie okresowym o dwa miejsca w lewo (zmniejszenie liczby atomowej o 2 i liczby masowej o 4), w drugim przypadku o jedno miejsce w prawo (wzrost wartości liczby atomowej o1 i brak zmiany liczby masowej). Zasady te, wyrażają tzw. prawo przesunięć Soddy'ego i Fajansa z 1913 - mające dziś już tylko charakter historyczny.

Przynależność nuklidów do szeregów promieniotwórczych

O tym, do którego szeregu należy dany nuklid decyduje wartość jego liczby masowej A. W rozpadzie promieniotwórczym liczba masowa zmienia się o 4 poprzez emisję cząstki α; można to przedstawić wzorem:

gdzie:

• n - liczba całkowita,

• m - przyjmuje wartości 0, 1, 2, 3.

W ten sposób otrzymujemy 4 szeregi promieniotwórcze:

• występujące naturalnie w przyrodzie:

• (m = 2) uranowo-radowy - ²³⁸U → ²⁰⁶Pb

• (m = 3) uranowo-aktynowy - ²³⁵U → ²⁰⁷Pb

• (m = 0) torowy - ²³²Th → ²⁰⁸Pb

• sztuczny

• (m = 1) neptunowy - ²³⁷Np → ²⁰⁹Bi

Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy

Szereg rozpoczyna się rozpadem izotopu uranu ²³⁸U o okresie półtrwania wynoszącym 4,5 miliarda lat a kończy na stabilnym ołowiu ²⁰⁶Pb. Szereg opisuje wzór 4n + 2 i należy do niego 16 nuklidów, między innymi: ²³⁸U, ²³⁴U, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁰Po, ²¹⁰Pb.

Szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy

Szereg rozpoczyna się rozpadem izotopu uranu ²³⁵U o okresie półtrwania wynoszącym 700 milionów lat a kończy na stabilnym ołowiu ²⁰⁷Pb. Szereg opisuje wzór 4n + 3 i należy do niego14 nuklidów, między innymi: ²³⁵U, ²³¹Pa, ²²³Ra.

Szereg promieniotwórczy torowy

Szereg rozpoczyna się rozpadem izotopu toru ²³²Th o okresie półtrwania 14 miliardów lat a kończy na stabilnym ołowiu ²⁰⁸Pb. Szereg jest opisanym wzorem 4n + 0 i należy do niego 12 nuklidów, między innymi: ²³²Th, ²²⁸Th, ²²⁸Ra, ²²⁰Rn.

Szereg promieniotwórczy neptunowy

Szereg rozpoczyna się rozpadem izotopu neptunu ²³⁷Np o okresie półtrwania 2,1 miliona lat a kończy na stabilnym bizmucie ²⁰⁹Bi. Szereg opisany jest wzorem 4n + 1 i należy do niego 13 nuklidów, między innymi: ²³⁷Np, ²³³U, ²²⁹Th.

Szereg neptunowy występuje jedynie w wyniku sztucznego otrzymywania (naświetlanie uranu strumieniem neutronów). Okres półtrwania neptunu jest około 2000 razy krótszy od wieku Ziemi przez co zostały jedynie niewykrywalne jego ilości. Obecnie w rudach uranowych występuje go ok. 1,8∙10^-12% (2 atomy neptunu na bilion atomów uranu).

Izotop ²⁰⁹Bi, choć często opisywany jako trwały, ma okres połowicznego rozpadu 1,9·10¹⁹ lat, a produktem rozpadu jest ²⁰⁵Tl. Tak długi okres rozpadu (setki milionów razy dłuższy od wieku wszechświata) pozwala traktować bizmut jako praktycznie trwały.

Promieniowanie alfa to rodzaj promieniowania jonizującego cechującego się małą przenikalnością. Promieniowanie alfa jest to strumień jąder helu.

Cząstka alfa (helion) składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem atomu izotopu ⁴He, więc często oznacza się ją jako He²⁺. Nazwa pochodzi od greckiej litery α.

Cząstki alfa są wytwarzane przez jądra pierwiastków promieniotwórczych, jak uran (pierwiastek) i rad (pierwiastek). Proces ten określa się jako rozpad alfa. Przykładowa reakcja rozpadu alfa:

Jądro, które wyemituje cząstkę alfa pozostaje zwykle w stanie wzbudzonym, co wiąże się z dodatkową emisją kwantu gamma. W rozpadzie alfa udział biorą oddziaływania silne.

Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane. Nawet kilka centymetrów powietrza stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru, albo naskórek pochłania całkowicie promienie alfa. Jednak w przypadku pokarmów lub wdychanego powietrza promieniowanie alfa może być zabójcze. Kiedy już radioaktywny materiał znajdzie się w ciele człowieka wytwarzane przez niego cząstki alfa bardzo silnie jonizują tkanki. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej.

Większość detektorów dymu zawiera niewielkie ilości wytwarzającego promieniowanie alfa izotopu promieniotwórczego ²⁴¹Am. Jest to bardzo toksyczny materiał, jeżeli zostanie wchłonięty z powietrzem. Jednak w zamknięciu nie stanowi żadnego zagrożenia. Osoba, która zetknęła się z materiałem wytwarzającym promieniowanie alfa, powinna poddać się dekontaminacji.

Absorpcja promieniowania alfa - pochłanianie promieniowanie alfa przez substancję przez którą przechodzi promieniowanie. Absorpcja zachodzi wskutek wzbudzania i jonizacji atomów napromieniowywanego ciała. Zachodzi głównie przez oddziaływanie kulombowskie między cząstkami α a elektronami substancji przenikanej. Rzadziej, przez reakcje jądrowe i rozpraszanie na jądrach atomowych. Podczas absorpcji, z uwagi na dużą masę czątki α, jej tor pozostaje praktycznie niezmieniony. Stratę energii na jednostkę długości przez cząstkę α (zdolność hamowania materiału) określa proporcja:

.

Gdy cząstka α utraci całą swoją energię kinetyczną, zwykle przyłącza do siebie dwa elektrony i staje się atomem helu.

Promieniowanie beta (promieniowanie β) - to jeden z rodzajów promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej.

Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Zostaje ono silnie pochłaniane przez materię, przez którą przechodzi. Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę.

Przykład przemiany, w której następuje emisja promieniowania beta:

Absorpcja promieniowania beta - proces pochłaniania promieniowania β, czyli strumienia elektronów lub pozytonów, przez napromieniowywaną substancję. Jest skutkiem oddziaływania promieniowania beta z materią: wzbudzania i jonizacji atomów, oddziaływania kulombowskiego z elektronami substancji, emisji promieniowania hamowania. Straty energii cząstek beta dzielimy zwykle na cześć kolizyjną (c, straconą w wyniku zderzeń) i radiacyjną (r, wypromieniowaną):

,
,

gdzie: W - energia potrzebna na wytworzenie pary jonów, I - liczba wytworzonych par jonów, Z - liczba atomowa pochłaniającej substancji, E - energia cząstki β, N - gęstość atomów substancji pochłaniającej.

Ze względu na małą masę elektronów i pozytonów, podczas absorpcji tracą one nie tylko energię, ale także zmienia się ich tor ruchu. Oznacza to, że wiązka równoległych cząstek beta po wniknięciu w substancję ulega znacznemu rozproszeniu, a każda z cząstek ma inny tor, często o bardzo różnej długości.

Należy także zaznaczyć, że tor antyelektronów (tzn. pozytonów) w normalnej substancji będzie zawsze dłuższy od toru elektronu. Jest to spowodowane jednoimiennością ładunków antyelektronu i jądra atomowego - odpychają się one powodując mniejszą utratę energii kinetycznej przez antyelektron. Pochłanianie antyelektronu w normalnej materii kończy się jego anihilacją przy zetknięciu z elektronem.

Promieniowaniem jonizującym określa się wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Za promieniowanie elektromagnetyczne jonizujące uznaje się promieniowanie, którego fotony mają energię większą od energii fotonów światła widzialnego.

Promieniowanie może jonizować materię dwojako: bezpośrednio lub pośrednio. Promieniowanie jonizujące bezpośrednio to obiekty posiadające ładunek elektryczny - jonizują głównie przez oddziaływanie kulombowskie.

Najważniejsze przykłady: promieniowanie alfa (α, jądra helu; ładunek elektryczny +2e), promieniowanie beta (β^-, β⁺, elektron i antyelektron, ładunek elektryczny -e, +e, odpowiednio). Promieniowanie jonizujące pośrednio to promieniowanie składające się z obiektów nieposiadających ładunku elektrycznego. Jonizuje ono materię poprzez oddziaływania inne niż kulombowskie (np. rozpraszanie komptonowskie, efekt fotoelektryczny, kreację par elektron - pozyton). Najważniejsze przykłady: promieniowanie neutronowe (n), promieniowanie elektromagnetyczne (promieniowanie rentgenowskie (X), promieniowanie gamma (γ); o energiach wyższych od energii promieniowania ultrafioletowego).

Promieniowanie jonizujące, ze względu na jego destrukcyjne oddziaływanie z żywą materią, jest przedmiotem zainteresowania radiologii - w celu ochrony przed nim (ochrona radiologiczna), w celach leczniczych i diagnostycznych (radioterapia, medycyna nuklearna).

Substancje emitujące promieniowanie jonizujące nazywamy promieniotwórczymi.

Skutki biologiczne wywoływane przez dany rodzaj promieniowania jonizującego opisuje bezwymiarowa wielkość zwana współczynnikiem jakości Q (ang. Quality Factor, QF).

Promieniowanie jonizujące można wykrywać jedynie metodami pośrednimi. Detektory promieniowania jonizującego rejestrują zmianę energii promieniowania na formę mierzalną (reakcje chemiczne, światło, prąd elektryczny, ciepło).

Promieniowanie jonizujące jest stale obecne w środowisku człowieka, zawsze i wszędzie. Jest to spowodowane głównie wszechobecnością radioizotopów różnych pierwiastków w przyrodzie oraz promieniowaniem kosmicznym. Jest wysoce prawdopodobne, że naturalne promieniowanie jonizujące środowiska jest głównym sprawcą mutacji w genach organizmów żywych, czyli jednym z czynników ewolucyjnych, którym zawdzięczamy faunę i florę taką, jaką znamy.

Statystyczna roczna dawka promieniowania naturalnego wynosi 2,4 mSv (wg. UNSCEAR, 1988).

Promieniowanie niejonizujące to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego (fali elektromagnetycznej), które nie wywołuje jonizacji^[1] ośrodka, przez który przechodzi. Podział ten związany jest także z rodzajami oddziaływań na zdrowie ludzi i zwierząt w obszarze występowania tego rodzaju promieniowania.

Granica pomiędzy promieniowaniem jonizującym a niejonizującym przyjęta została na granicy widma światła widzialnego i ultrafioletu (zakres UV-A, długość fali 320-380 nanometrów). Czyli fala elektromagnetyczna o częstotliwości mniejszej od 8x10¹⁴ Hz, to promieniowanie niejonizujące, a o częstotliwości większej, to promieniowanie jonizujące.

Źródła promieniowania [edytuj]

Źródła promieniowania niejonizującego z uwagi na ich rodzaje dzieli się na naturalne i sztuczne źródła pól elektromagnetycznych.

Źródła naturalne [edytuj]

Najważniejszymi naturalnymi źródłami fal elektromagnetycznych są takie zjawiska jak:

• promieniowanie termiczne ciał na Ziemi,

• promieniowanie słoneczne,

• naturalne zmiany pola magnetycznego np. ziemskiego pola magnetycznego,

• naturalne zmiany pola elektrycznego np.wyładowania atmosferyczne,

• fale radiowe pochodzenia pozaziemskiego, nie pochłonięte przez atmosferę.

Źródła sztuczne

Podstawowe sztuczne źródła promieniowania elektromagnetycznego niejonizującego to:

• elektroenergetyczne linie napowietrzne wysokiego napięcia,

• stacje radiowe i telewizyjne,

• łączność radiowa, w tym CB radio, radiotelefony i telefonia komórkowa,

• stacje radiolokacyjne i radionawigacyjne,

• stacje transformatorowe,

• sprzęt gospodarstwa domowego i powszechnego użytku oraz instalacje elektryczne.

Charakterystyka [edytuj]

Rozwój infrastruktury technicznej w otoczeniu człowieka związany jest ze wzrostem tła elektromagnetycznego w środowisku, a zarazem z pojawianiem się obszarów o podniesionym poziomie pola elektromagnetycznego. Gęstość promieniowania niejonizującego poza miastami jest jeszcze w Polsce mała ze względu na opór mieszkańców w lokalizacji nowych stacji bazowych telefonii komórkowej. Według obliczeń w pracy Nie bo NIE str. 9 "nasycenie nadajnikami" ^[2]nasycenie nadajnikami w Polsce na podstawie danych z urzędu komunikacji z 2 września 2007 r. wynosiło 23 259 nadajników GSM i UMTS czyli 1 nadajnik/ 13 km². To znaczy na powierzchni 13 km² lub co 2 km znajdował się 1 nadajnik GSM lub UMTS.

Promieniowanie jądrowe - emisja cząstek lub promieniowania elektromagnetycznego (promieniowanie gamma) przez jądra atomów. Promieniowanie zachodzi podczas przemiany promieniotwórczej lub w wyniku przejścia wzbudzonego jądra do stanu o niższej energii. Rodzaj wysyłanego promieniowania oraz jego energia zależy od rodzaju przemiany jądrowej.

Do promieniowania jądrowego zalicza się m.in:

• promieniowanie alfa

• promieniowanie beta

• promieniowanie gamma

Izotopy - odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu (z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze). Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze).

Izotopy tego samego pierwiastka na ogół mają zbliżone własności fizyczne i chemiczne. Jednak im większa jest różnica mas atomowych izotopów, tym większe mogą być różnice ich własności fizycznych lub chemicznych. Izotopy danego pierwiastka mogą mieć inną gęstość, temperaturę wrzenia, topnienia i sublimacji. Różnice te występują także w związkach chemicznych tworzonych przez te izotopy.

Różnice mas atomowych izotopów powodują występowanie niewielkich różnic w reaktywności izotopów. Nie ma ona wpływu na kierunek reakcji chemicznych, w których one uczestniczą, ale wpływa na szybkość przebiegu tych reakcji. Zjawisko to nazywa się efektem izotopowym i wykorzystuje się w badaniu mechanizmów reakcji chemicznych. Te niewielkie różnice w szybkości reakcji wywołują zmiany w składzie izotopowym związków chemicznych powstających w różnych reakcjach (zjawisko to wykorzystywane jest np. do rozróżniania, czy węgiel zawarty w danym związku chemicznym brał udział w reakcji fotosyntezy).

Izotopy dzielą się na:

• trwałe (nie ulegają samorzutnej przemianie na izotopy tego samego lub innych pierwiastków),

• nietrwałe, zwane izotopami promieniotwórczymi (ulegają samorzutnej przemianie na inne izotopy, zazwyczaj innego pierwiastka).

Pierwiastki występują naturalnie zwykle jako mieszanina izotopów. Jest to główna przyczyna, dla której masy atomowe pierwiastków nie są liczbami całkowitymi (zob. też deficyt masy).

Izotopy nie mają oddzielnych nazw, z wyjątkiem izotopów wodoru. Oznacza się je symbolem pierwiastka chemicznego z liczbą masową u góry po lewej stronie, np. ²⁰⁸Pb.

Pierwiastki mogą mieć po kilka, a nawet kilkanaście izotopów. Przykładowo wodór ma trzy izotopy:

• prot: ¹H - ma jeden proton i nie ma neutronów; trwały,

• deuter: ²H (D) - ma jeden proton i jeden neutron; trwały,

• tryt: ³H (T) - ma jeden proton i dwa neutrony; nietrwały.

---