Promieniotwórczość naturalna

Przemianom jąder atomowych towarzyszy promieniowanie wykryte w 1895 r. przez Henri Becquerela. H. Becquerel badał promieniowane wysyłane przez rudę uranu, stwierdzając, iż charakteryzuje się ono następującymi właściwościami:

1. wywołuje jonizację cząstek substancji przez które przechodzi

2. powoduje zaczernienie kliszy fotograficznej

3. wywołuje świecenie ekranu z siarczku cynku (luminescencję)

Dalsze badania nad tym promieniowaniem prowadzili: Maria Skłodowska-Curie, Piotr Curie, E. Rutherford.

W polu magnetycznym promieniowanie wysyłane przez źródło promieniotwórcze dzieli się na trzy wiązki: promieniowanie α, β i γ.

Rozpad α

Rozpad α zachodzi w przypadku większości jąder o liczbie masowej A > 209. Wewnątrz jądra następuje związanie dwóch protonów i dwóch neutronów w układ tworzący cząstkę α (jądro helu). Jądro macierzyste emitując cząstkę α ulega przemianie w jądro pochodne. W zjawisku rozpadu α spełniona jest zasada zachowania ładunku i zasada zachowania energii.

gdzie:

Z_w - liczba atomowa jądra wyjściowego

Z_i - liczby atomowe elementów rozkładu

gdzie:

M_w - masa jądra wyjściowego

 - energia wydzielana w czasie rozpadu

m_i - masy elementów rozpadu

Rozważmy rozpad α jądra

Masa jądra radu		225,9778 u
Masa jądra radonu		221,9711 u
Masa cząstki α		+ 4,0015 u
		225,9726 u

Różnica m między masą jądra radu i suma mas elementów rozpadu wynosi:

m = 225,9778 u - 225,9726 u = 0,0052 u

Ponieważ jednostce masy atomowej odpowiada energia 931 MeV / u, zatem wartość wydzielonej energii w tym rozpadzie jest równa:

Energię tę uzyskuje cząstka α w formie energii kinetycznej. Cząstka α jonizując cząsteczki substancji, przez którą przechodzi, traci energię. Zasięg cząstki α o energii ok. 5 MeV wynosi w powietrzu 6,5 cm.

Efekt tunelowy w rozpadzie α

Cząstka α o energii 7,7 MeV zderzając się z jądrem Ra nie wnika do jądra ze względu na wyższą barierę energii potencjalnej, wynoszącej około 9 MeV. Cząstka α ulega rozproszeniu.

Przy rozpadzie jądra Ra emitowana jest cząstka α o energii 4,8 MeV ! - znacznie mniejsza od wysokości bariery potencjalnej.

W mechanice kwantowej tłumaczy się ten fakt istnieniem określonego prawdopodobieństwa znalezienia cząstki α o energii 4,8 MeV poza jądrem w tzw, efekcie tunelowym. Wiąże się to z przypisaniem cząstce α funkcji falowej, która przebiega w sposób ciągły do obszaru poza barierą. W obszarze bariery potencjalnej fala zanika wykładniczo. Jeżeli obszar bariery ma małą szerokość to fali przechodzi na drugą stronę bariery.

Promieniowanie β

W czasie przemiany
jądro emituje elektrony. Liczba masowa jądra nie ulega zmianie.

W jądrze następuje przemiana neutronu w proton i elektron. Ciągły rozkład energii emitowanych elektronów (cząstek
) wskazuje na występowanie w tej przemianie jeszcze jednej cząstki zwanej antyneutrinem elektronowym
.

Również zasada zachowania pędu wymaga wprowadzenia cząstki
.

W czasie przemiany β z jądra może być wyrzucona cząstka
(
 pozyton). Wówczas w jądrze następuje przemiana protonu w neutron.

Przykłady przemian β :

Wychwyt K

Przemiany protonu w neutron może nastąpić w czasie tzw. wychwytu K (zjawisko odkryte w 1937 r. przez Alvareza). Jeśli elektron z powłoki K zostanie wychwycony przez jądro, następuje w jądrze przemiana protonu w neutron: np. . Neutrino unosi cała energię rozpadu. Zjawisku towarzyszy promieniowanie X.

Promieniowanie γ

Jest to promieniowanie elektromagnetyczne o energii kwantów rzędu MeV. Jądra pochodne, powstające w wyniku rozpadu α lub β są na ogół jądrami wzbudzonymi. Przechodząc do niższego stanu energii emitują promieniowanie γ.

Promieniotwórczość naturalna • Fizyka 2002 - 2003

1