Dalsze badania prmieniotwórczości

DALSZE BADANIA PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
Niestabilny atom emituje cząsteczkę alfa lub beta zamieniając się w inny atom. Oznaczmy przez A liczbę masową atomu przed rozpadem, a przez Z liczbę atomową przed rozpadem. Jądro helu (cząsteczka alfa) niesie ze sobą dwa protony i dwa neutrony. Jeżeli więc rozpadający się atom emituje cząsteczkę alfa jego liczba masowa wynosi A-4, a liczba atomowa Z-2. Przemianę tą można zapisać schematycznie:

[A |Z] X => [A-4 | Z-2] Y + [4 | 2] He

        (1)

    Przemiana ta zachodzi oczywiście zgodnie z zasadą zachowania ładunku i energii. Ładunek jądra wyjściowego równy jest ładunkowi jądra pochodnego i cząstki emitowanej. Natomiast masa jądra wyjściowego równa jest masie jądra pochodnego, masie cząstki wyemitowanej oraz, zgodnie z równaniem Einsteina E=mc², energii wydzielonej podczas rozpadu podzielonemu przez c². Cząstki alfa wydzielone w czasie rozpadu mogą następnie zderzać się z atomami ośrodka jonizując je. Efekt ten wykorzystywany był często przy wielu doświadczeniach. W końcu cząstka alfa ulega zobojętnieniu i przechodzi w atom helu.
    Przy okazji badań nad emisją cząsteczek alfa odkryto dziwne zjawisko. Obserwowano cząstki alfa o energii 7,7 MeV, które zderzały się z jądrami radu. Nie wnikały jednak do wnętrza jąder lecz były rozpraszane podobnie jak w doświadczeniu Rutherforda. Z drugiej jednak strony wiedziano, iż jądro radu może emitować cząsteczki alfa o energii równej 4,8 MeV. Jak to się dzieje, że cząsteczki alfa o danej energii mogą pokonać "barierę potencjału" i wyrwać się z jądra, a inne o wyższej energii nie mogą pokonać tej samej "bariery potencjału" i się do niego dostać? Odpowiedzi na to pytanie udzielił fizyk amerykański George Anthony Gamow (1904-1968) przypisując cząsteczce alfa pewną funkcję falową, która przebiega w sposób ciągły do obszaru poza barierą potencjału. Tak więc jest pewne niezerowe prawdopodobieństwo znalezienia się cząstki poza tą barierą. Zjawisko to nazwane zostało efektem tunelowym. (zobacz też ELEKTRON FALĄ)
Efekt tunelowania się cząsteczek alfa

Drugiego typu przemianami są przemiany beta. W czasie tych przemian jądro emituje elektron. Można zapisać je schematycznie:

[A | Z] X => [A | Z+1] Y + [0 | -1] e

        (2)
    Skąd w jądrze elektron? Jak w ogóle zachodzi ta przemiana? Naukowcy w latach dwudziestych starali się odpowiedzieć na to zagadnienie. Jednak odkryli tylko kolejne sprzeczności i niewiadome. Dopiero w 1931 roku Wolfgang Pauli wytłumaczył ten proces. Stwierdził on, iż w czasie przemiany beta w jądrze jeden z neutronów zmienia się w proton, elektron i neutrino (dziś zwane antyneutrinem). Ono również wylatuje z atomu. Cząstka ta nie ma masy spoczynkowej i ładunek równy zeru. Teorią tą zajął się Enrico Fermi. Pierwsze próby doświadczalnego potwierdzenia tej teorii miały miejsce dopiero w roku 1953.
    Fizycy stwierdzili, iż liczba rozpadających się jąder na jednostkę czasu jest wprost proporcjonalna do liczby wszystkich jąder w próbce. Wielkość, która oznaczała ilość rozpadów na czas, w którym te rozpady nastąpiły nazywamy aktywnością źródła promieniotwórczego:

A =N/t

(3)
Jednostką A jest 1 bekerel (1 Bq). Źródło ma aktywność jednego bekerela, gdy w ciągu jednej sekundy ulega rozpadowi jedno jądro. Dalsze badania wykazały, iż aktywność źródła promieniotwórczego maleje wraz z upływem czasem zgodnie z zależnością:

A = A0*e-k*t0

(4)
gdzie: A₀ - aktywność na początku, e - liczba Eulera, A - aktywność po upływie czasu t, k - wielkość nazwana stałą rozpadu, która jest różna dla różnych źródeł promieniotwórczych. Wykorzystując fakt tego, iż aktywność źródła jest proporcjonalna do liczby jąder w próbce jest:

N = N0*e^(-k*t)

(5)
Liczba jąder promieniotwórczych w wyniku rozpadu alfa maleje wykładniczo z upływem czasu. Czas, po którym dwukrotnie maleje liczba jąder promieniotwórczych danego pierwiastka, nazywamy połowicznym czasem rozpadu (T) danego pierwiastka promieniotwórczego. Czas ten można policzyć ze wzoru:

T = ln2/k