4.1. Promieniowanie jądrowe α, β i γ

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). W tym rozdziale spróbujemy odpowiedzieć na pytanie, na czym polega zjawisko promieniotwórczości i jakie substancje określamy mianem promieniotwórczych.

Już potrafisz: 

  • opisać jądrowy model budowy atomu;
  • przewidywać, jak pole elektryczne wpływa na tor ruchu naładowanej cząstki.

Nauczysz się: 

  • podawać definicję promieniotwórczości naturalnej;
  • opisywać właściwości promieniowania , i ;
  • opisywać wybrany sposób wykrywania promieniowania jonizującego.

1. Odkrycie promieniotwórczości naturalnej (promieniowania uranowego)

Wróćmy na chwilę do końca XIX wieku. Nie istnieją jeszcze planetarne modele atomu przedstawione przez Rutherforda i Bohra (z małym jądrem atomowym i elektronami krążącymi wokół niego). Za kilka lat J.J. Thomson opracuje model atomu zwany modelem „ciasta z rodzynkami” (1904 r.). Badane jest promieniowanie ciał stałych i gazów. Znany jest wzór Balmera. Mimo że wyniki uzyskiwane za pomocą tego wzoru są zgodne z danymi doświadczalnymi, to nadal nie wiadomo, dlaczego ma on właśnie taką postać.
Wiadomo jednak, że istnieją cząstki mniejsze od atomów, naładowane dodatnio lub ujemnie. Atomy są obojętne elektrycznie, a więc muszą się znajdować w nich zarówno jedne, jak i drugie cząstki. To, w jaki sposób są one rozmieszczone w atomach, jaki mają ładunek i jaką masę, jest tematem dalszych dociekań naukowców.
W latach 90. XIX wieku dokonano dwóch ważnych odkryć: pierwsze dotyczy promieni X (czego dokonał W. Röntgen), a drugie – 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. Odkrycie to sprawiło, że naukowcy przestali się interesować tym zagadnieniem. Wynikało to z sytuacji, jaka powstała po odkryciu promieni X (zwanych obecnie rentgenowskimi) przez W. Röntgena, co miało miejsce pod koniec 1895 r. Właściwości tego promieniowania były wówczas tak niesamowite, że zepchnęły na dalszy plan inne badania – ich wyniki nie były nagłaśniane.
Sytuacja zmieniła się diametralnie, gdy pracę nad zagadnieniem naturalnej promieniotwórczości podjęła Maria Skłodowska-Curie. Ciekawie pisze o tym A.K. Wróblewski w „Historii fizyki”, do której odsyłamy wszystkich tych, którzy chcą poznać wysiłek, jaki Polka włożyła w swoje badania. Uwieńczeniem jej pracy naukowej było odkrycie obecności nowych pierwiastków w związkach uranu, które to pierwiastki były odpowiedzialne za emisję badanego promieniowania. Te pierwiastki to polonrad.
 

Ciekawostka

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 i powietrza. Gęstość tego pierwiastka wyrażona w jednostkach układu SI wynosi . 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, betagamma – zgodnie z pierwszymi literami alfabetu greckiego.
 
Okazało się, że promienie uranowe (tak je wtedy nazywano), nazwane literami , ulegają odchyleniu w polu elektrycznym i magnetycznym. Oznacza to, że mają ładunek elektryczny. Badania wykazały, że składowa nazwana literą jest zarówno bardzo przenikliwa, jak i niewrażliwa na wpływ wyżej wspomnianych pól. Było to jednoznaczne z tym, że nie przenosi ona ładunku elektrycznego. O tym, dlaczego cząstka mająca ładunek elektryczny zmienia kierunek swojego ruchu podczas poruszania się w polu magnetycznym i jaki jest tor takiej cząstki w obu polach, będziesz mógł się dowiedzieć w następnych klasach, gdy wybierzesz fizykę jako przedmiot rozszerzony.
 

Polecenie 4.1.1.

Skorzystaj z biogramu lub dowolnego źródła i opisz osiągnięcia naukowe Marii Skłodowskiej-Curie w dziedzinie promieniotwórczości.

2. Promieniowanie alfa (α)

Promieniowanie alfa charakteryzuje się o wiele mniejszą przenikliwością niż promieniowanie beta i gamma. W powietrzu zasięg promieniowania ogranicza się do kilku (maksymalnie dziesięciu) centymetrów; zwykła odzież całkowicie je pochłania. 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.
Promieniowanie alfa po napotkaniu bariery, którą może być zwykła kartka papieru, zostaje pochłonięte – jego przenikliwość jest bardzo niska. Jakie są jego inne właściwości fizyczne?
Kiedy promieniowanie alfa przechodzi przez obszar pola elektrycznego, zmienia kierunek rozchodzenia się i 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. Czym są tajemnicze cząstki alfa?
W 1908 r., a więc znacznie później, odkryto, że są one tożsame z jądrami helu (). Rutherford jeszcze do końca lat dwudziestych XX w. uważał, że cząstki alfa są niepodzielne.
 

3. Promieniowanie beta (β)

Kolejnym produktem rozpadu niestabilnych jąder jest promieniowanie beta.
Promieniowanie beta jest znacznie bardziej przenikliwe niż cząstek promieniowania 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. Jakie efekty dało badanie promieniowania beta w polu elektrycznym?
Kiedy promieniowania beta przechodzi przez obszar, w którym występuje pole elektryczne, zmienia kierunek rozchodzenia się, jednak w przeciwną stronę, niż działo się to w przypadku cząstek alfa. Promieniowanie beta musi więc przenosić ze sobą ładunek elektryczny o przeciwnym znaku – skoro cząstki naładowane są dodatnio, to cząstki mają ładunek ujemy. Czy promieniowanie beta jest strumieniem cząstek?
Podobnie jak w przypadku cząstek  fizycy śledzili zachowanie cząstek w polach magnetycznym i elektrycznym. Wykazali, że promieniowanie beta jest strumieniem naładowanych cząstek. Wyznaczyli wartość ładunku cząstki i jej masę, które okazały się takie same jak w przypadku elektronu.

Ważne

Dzisiaj wiemy, że istnieją dwa rodzaje promieniowania beta – strumień elektronów (rozpad ) i pozytonów (rozpad ).

4. 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 lub też -metrową warstwę betonu. Stanowi silny czynnik jonizujący i jest szkodliwe dla organizmu ludzkiego. Odpowiednio duże dawki promieniowania gamma prowadzą do choroby popromiennej.
Spróbujmy teraz odpowiedzieć na pytanie, co się stanie, gdy promieniowanie gamma będzie rozchodzić się w zewnętrznym polu elektrycznym.
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.

Polecenie 4.1.2.

Znajdź w internecie przykłady praktycznego zastosowania promieniowania gamma.
 

5. Metody wykrywania i badania torów cząstek naładowanych – detektory

Z oczywistych względów nie możemy zobaczyć cząstek takich jak proton, cząstka czy cząstka . 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 ważną właściwością poruszających się cząstek naładowanych jest jonizacja ośrodka, w którym się one przemieszczają. Ponieważ cząstki te są obdarzone ładunkiem elektrycznym, to kiedy przemieszczają się w pobliżu atomów lub cząsteczek związków chemicznych, powodują odrywanie elektronów, a na drodze toru ruchu tych cząstek powstaje ślad w postaci łańcuszka jonów. Ich obecność 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 odizolowanego 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 (jonizacja sprawia, że zawsze mamy ładunek dodani i ujemny). Między elektrodami nastąpi wówczas przepływ prądu, który będzie zarejestrowany przez układ pomiarowy.
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.
 
Jeśli tory cząstek badamy w tzw. komorze Wilsona, nie zaobserwujemy kryształków lodu, a jedynie kropelki wody lub alkoholu. Taką komorę pierwszy zbudował Charles Wilson w 1900 r. Jeżeli umieścimy ją w zewnętrznym polu magnetycznym, to tory cząstek będą zakrzywione w zależności od ładunku i masy cząstki, a zatem można te wielkości wyznaczyć. O tym, w jaki sposób kształt toru zależy od masy i ładunku, będziesz mógł się dowiedzieć w następnych klasach.
 
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. Jeżeli będzie tam pole elektryczne, to można również badać zakrzywienia torów cząstek.

Podsumowanie

  • Promieniotwórczość naturalna (bez udziału człowieka) to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder atomowych w pierwiastkach promieniotwórczych występujących w przyrodzie, któremu towarzyszą promieniowania: alfa, beta i gamma.
  • Odkrywcami promieniotwórczości i jej pierwszymi badaczami byli Henri Becquerel oraz Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie.
  • Małżeństwo Curie w 1898 r. odkryło dwa nieznane wówczas pierwiastki promieniotwórcze: rad i polon.
  • Promieniowanie to strumień cząstek majacych taką samą budowę jak jądra helu. Charakteryzuje się niską przenikliwością, jego zasięg w powietrzu nie przekracza 10 cm. Ma właściwości jonizujące. Kontakt promieniowania z żywą tkanką prowadzi do jej uszkodzeń.
  • Promieniowanie to strumień elektronów lub pozytonów. Jego przenikliwość jest większa niż cząstek , a zasięg w powietrzu sięga nawet do kilku metrów. Ma właściwości jonizujące.
  • Największą przenikliwość i zasięg ma promieniowanie , które jest falą elektromagnetyczną o zakresie fal krótszych od promieni rentgenowskich. Emisji cząstek alfa i beta towarzyszy promieniowanie gamma.
  • Cząstki naładowane powodują jonizację ośrodka, co pozwala na wykrycie ich ruchu i obserwację śladu takiego przejścia.
  • Promieniowanie jądrowe emitują niestabilne jądra atomów podczas ich samorzutnego rozpadu.

Zadania podsumowujące moduł

Zadanie 4.1.1.

Zadanie 4.1.2.

Praca domowa

Praca domowa

Polecenie 4.1.3.

Narysuj wiązkę promieniowania alfa, beta i gamma pomiędzy płytkami naładowanego kondensatora.

Słowniczek

komora jonizacyjna

– detektor slużący do wykrywania przelatującej cząstki; jest to możliwe dzięki wywołanej przez nią jonizacji ośrodka (gazu) wypełniajacego komorę.

komora pęcherzykowa

– urządzenie badawcze, którego celem jest obserwacja śladów cząstek promieniowania jonizującego. Wewnątrz 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 gazowy (parę wodną). Dzięki temu możemy fotografować ślady przelatujących cząstek.

komora Wilsona (komora mgłowa)

– detektor promieniowania jonizującego. Kiedy cząstki jonizujące przelatują przez gaz zawierający tzw. parę nasyconą, wzdłuż toru ich ruchu następuje kondensacja kropelek cieczy. Dzięki temu możemy śledzić i rejestrować, jaką drogę cząstki przebyły w komorze.

polon (Po)

– naturalny pierwiastek promieniotwórczy o srebrzystobiałej barwie, który w powietrzu jarzy się na niebiesko na wskutek oddziaływania emitowanego promieniowania i powietrza; gęstość polonu wynosi .

promieniowanie

– strumień cząstek wyrzucanych przez jądra atomów. Sa one tożsame z podwójnie zjonizowanymi atomami helu, tj. składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów.

promieniowanie

– jeden z rodzajów promieniowania jądrowego; strumień elektronów lub pozytonów.

promieniowanie

– promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo małej długości fali, czyli o bardzo dużej częstotliwości i energii.

promieniotwórczość naturalna

– samorzutne wysyłanie cząstek , i promieniowania przez atomy. Obecnie wiemy, że ten proces zachodzi podczas rozpadu jąder pierwiastków promieniotwórczych pochodzenia naturalnego.

rad (Ra)

– miękki metal o srebrzystej barwie, naturalny pierwiastek radioaktywny o dużej aktywności promieniotwórczej.

Biogram 

Antoine Henri Becquerel
Data urodzenia 
15.12.1852
Miejsce urodzenia 
Paryż
Data śmierci 
25.08.1908
Miejsce śmierci 
Croisic
Henri Becquerel zajmował się wieloma zagadnieniami z pogranicza fizyki i chemii – należały do nich optyka, elektryczność, magnetyzm, fotochemia, elektrochemia, a nawet meteorologia. Jednak prawdziwa sławę przyniosło Becquerelowi odkrycie tzw. promieni Becquerela. Było to promieniowanie emitowane przez sole uranu, które kiedy padało na kliszę fotograficzną, prowadziło do jej zaczernienia (1896 r.). Miało również zdolność przenikania przez materię. Dziś wiemy, że były to cząsteczki alfa, beta i kwanty elektromagnetycznego promieniowania gamma.

Biogram 

Piotr Curie
Data urodzenia 
15.05.1859
Miejsce urodzenia 
Paryż
Data śmierci 
19.04.1906
Miejsce śmierci 
Paryż
Piotr Curie odkrył zjawisko piezoelektryczne i razem ze swoją żoną Marią Skłodowską-Curie stworzył podstawy nauki o promieniotwórczości. Maria i Piotr Curie w 1898 r. odkryli także pierwiastki promieniotwórcze – rad i polon. Piotr Curie zmarł wskutek tragicznego wypadku pod kołami wozu konnego na jednej z ulic Paryża.

Biogram 

Maria Skłodowska-Curie
Data urodzenia 
7.11.1867
Miejsce urodzenia 
Warszawa
Data śmierci 
4.07.1934
Miejsce śmierci 
Passy
Maria Skłodowska-Curie swoją karierę naukową rozpoczęła na paryskiej Sorbonie, gdzie zdobyła licencjat z fizyki i matematyki. W 1898 r. zespół badawczy (kierowany przez Henri Becquerela), w skład którego wchodziło małżeństwo Curie, odkrył dwa nieznane dotąd pierwiastki promieniotwórcze – rad i polon. W 1903 r. trójka badaczy za swoją pracę naukową została uhonorowana Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki. Po tragicznej śmierci męża w 1906 r. Maria Skłodowska-Curie objęła po nim katedrę fizyki na Sorbonie. W 1911 r. ponownie otrzymała Nagrodę Nobla, tym razem w dziedzinie chemii, za badania nad właściwościami uprzednio odkrytych pierwiastków, m.in. za wyodrębnienie metalicznego radu. W 1912 r. była jednym ze współzałożycieli paryskiego Instytutu Radowego w Paryżu, który od jej nazwiska nosi obecnie nazwę Instytutu Curie. Z powodu prowadzonych badań nad substancjami promieniotwórczymi stan zdrowia noblistki się pogorszył i ostatecznie w lipcu 1934 r. roku Maria Skłodowska-Curie umarła na białaczkę. W dowód uznania jej wielkich zasług dla nauki prochy uczonej w roku 1955 r. zostały przeniesione z rodzinnego grobowca rodziny Curie do paryskiego Panteonu.

Biogram 

Wilhelm Conrad Röntgen
Data urodzenia 
27.03.1845
Miejsce urodzenia 
Remscheid w Niemczech
Data śmierci 
10.02.1923
Miejsce śmierci 
Monachium
Odkrywca i badacz nowego rodzaju promieniowania przenikliwego, nazwanego od jego imienia promieniami Röntgena (promienie X). Znalazło ono szerokie zastosowanie w medycynie i technice. Badacz skonstruował także przenośne źródło promieniowania rentgenowskiego – lampę rentgenowską.

Biogram 

Charles Thomson Rees Wilson
Data urodzenia 
14.02.1869
Miejsce urodzenia 
Midlothain, Wielka Brytania
Data śmierci 
15.11.1959
Miejsce śmierci 
Edynburg, Wielka Brytania
Konstruktor detektora i rejestratora promieniowania jonizującego – urządzenia nazywanego dzisiaj komorą Wilsona. Za to właśnie osiągnięcie został uhonorowany Nagrodą Nobla.