Przemiany promieniotwórcze i okres połowicznego rozpadu

Jądra atomowe składają się z protonów i neutronów. Niektóre z nich są niestabilne, dlatego dążą do osiągnięcia większej stabilności poprzez emisję cząstek lub energii. Proces ten nazywamy rozpadem promieniotwórczym. Pierwiastki posiadające niestabilne jądra nazywamy promieniotwórczymi. Przykładami takich pierwiastków są uran, rad i polon.

Przemiany promieniotwórcze możemy podzielić na naturalne i sztuczne.

Promieniotwórczość naturalna to zjawisko fizyczne polegające na samorzutnym rozpadzie niestabilnych jąder atomowych. W wyniku tych przemian powstają jądra innych pierwiastków lub jądra o niższej energii, a procesowi temu towarzyszy emisja promieniowania.Zjawisko to zostało odkryte przez przypadek przez Henriego Becquerela w 1896 roku i odegrało ogromną rolę w rozwoju współczesnej fizyki oraz medycyny.

Sztuczne przemiany promieniotwórcze są wywoływane przez człowieka poprzez bombardowanie jąder atomowych odpowiednimi cząstkami, na przykład neutronami lub protonami. W wyniku takich reakcji powstają sztuczne izotopy promieniotwórcze, które często nie występują w naturze. Przemiany sztuczne wykorzystuje się między innymi w medycynie nuklearnej, badaniach naukowych oraz energetyce jądrowej. Przykładem sztucznej przemiany jest otrzymywanie promieniotwórczego izotopu kobaltu używanego w radioterapii.

Wyróżniamy trzy podstawowe rodzaje promieniowania emitowanego podczas samorzutnych przemian promieniotwórczych: promieniowanie α, promieniowanie β oraz promieniowanie γ.

Promieniowanie α to strumień jąder helu, składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Cząstkę α zapisujemy jako . Promieniowanie to charakteryzuje się małą przenikliwością, ponieważ cząstki α (jądra He) zatrzymują się na kartce papieru. W wyniku rozpadu alfa liczba masowa jądra zmniejsza się o 4, a liczba atomowa o 2.

Promieniowanie β występuje w dwóch odmianach: β^– i β⁺. Promieniowanie β^– to strumień elektronów i dlatego cząstki β przedstawia się symbolem β^– lub . Emisja elektronu prowadzi do przejścia neutronu w proton. Jednocześnie z elektronem zostaje wyemitowane antyneutrino elektronowe . W tym przypadku liczba masowa nie zmienia się, natomiast liczba atomowa wzrasta o 1. Promieniowanie β charakteryzuje się większą przenikalnością niż promieniowanie α, lecz można je zatrzymać cienką warstwą aluminium.

Promieniowanie β⁺ polega na emisji pozytonu. Zachodzi w jądrach, w których występuje nadmiar protonów względem neutronów. W czasie tej przemiany proton przekształca się w neutron, a emitowane są pozyton i neutrino elektronowe.

Promieniowanie γ to promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez jądro atomowe podczas przejścia ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii. Promieniowanie to charakteryzuje się dużą energią i dużą przenikliwością, można je osłabić np. grubą warstwą ołowiu lub betonu. Emisji promieniowania γ nie towarzyszy zmiana liczby atomowej, ani liczby masowej, ale następuje utrata nadmiaru energii przez jądro atomowe.

Promieniotwórczość znajduje wiele zastosowań w różnych dziedzinach życia. Izotopy promieniotwórcze wykorzystuje się do diagnostyki i leczenia chorób np. w radioterapii niszczy się komórki nowotworowe za pomocą promieniowania. W elektrowniach jądrowych energia uzyskana podczas rozpadu jąder atomowych wykorzystywana jest do wytwarzania energii elektrycznej. Pomimo wielu korzyści promieniowanie może być również niebezpieczne dla organizmów żywych. Duże dawki promieniowania uszkadzają komórki i mogą prowadzić do chorób nowotworowych lub mutacji genetycznych, dlatego podczas pracy z substancjami promieniotwórczymi stosuje się odpowiednie zabezpieczenia (np. fartuch ołowiany stosowany podczas obrazowania rentgenowskiego).

Czas połowicznego rozpadu

Ważnym pojęciem w przemianach promieniotwórczych jest czas połowicznego rozpadu. Jest to czas, po którym rozpadowi ulega połowa początkowej ilości jąder promieniotwórczych danej substancji. Po jednym cyklu czasu połowicznego rozpadu pozostanie połowa atomów promieniotwórczych, natomiast po dwóch takich cyklach zostanie już 1/4 itd. Znajomość czasu połowicznego rozpadu izotopu węgla ¹⁴C jest wykorzystywana w datowaniu radiowęglowym, co umożliwia oszacowanie wieku szczątków organicznych.

Zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Ile cząstek α i β wypromieniuje atom uranu , jeśli ulegnie przemianie w atom ołowiu ?

Rozwiązanie:

8 przemian α i 6 przemian β^–.

Zadanie 2.

W radioterapii do leczenia chorób nowotworowych stosuje się tzw. bombę kobaltową, w której wykorzystuje się izotop kobaltu – ⁶⁰Co. Izotop ten ulega rozpadowi β^– w wyniku czego jest emitowane promieniowanie γ stosowane do napromieniowywania komórek nowotworowych. Czas połowicznego rozpadu ⁶⁰Co wynosi ok. 5,3 lat. Izotop ⁶⁰Co otrzymuje się poprzez napromieniowanie neutronami naturalnego izotopu kobaltu  – ⁵⁹Co w reaktorze jądrowym.

a) Po jakim czasie w bombie kobaltowej zawierającej 52 g izotopu ⁶⁰Co pozostanie ok. 1,6 g?

b) Zapisz równanie otrzymywania izotopu kobaltu ⁶⁰Co.

c) Zapisz równanie opisanej przemiany, której ulega izotopu kobaltu  ⁶⁰Co.

Rozwiązanie:

a)

b)

c) Po 26,5 latach.

Komentarz:

52 gà 26 g à 13g à 6,5 g à 3,25 g à 1,6 g

Następuje 5 przemian, τ_1/2 = 5,3 lat

5 · 5,3 = 26,5 lat