Promieniotwórczość

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ
    W ostatnich latach XIX wieku wielu naukowców zajmowło się badaniami własności promieni X. Jednym z nich był Henry Becquerel. W roku 1896 przeprowadzał on doświadczenie, którego celem miało być zbadanie, czy pobudzane do fluorescencji światłem nadfioletowym różne materiały są również źródłem jakiś cząsteczek lub fal (naukowiec wiązał powstawanie promieni X z fluorescencją szkła pobudzanego przez promienie katodowe). W doświadczeniu używał płyty fotograficznej owiniętej dwoma arkuszami czarnego papieru. Papier ten był nieprzepuszczalny dla promieni świetlnych. Na tak przygotowanej płycie położył Becquerel substancję, która miała być pobudzana do fluoryzacji. Były nią kryształy siarczanu uranowo-potasowego. Następnie naukowiec naświetlał je przez kilka godzin promieniami słonecznymi. Po przeprowadzeniu doświadczenia wywołał płytę fotograficzną. Ujrzał na niej czarną sylwetkę substancji fluoryzującej.
    W następnych doświadczeniach umieszczał między kryształami, a płytą fotograficzną różne przedmioty (na przykład monetę). Uzyskiwał na negatywie obrazy tych przedmiotów. Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń Becquerel wysnuł wniosek, że badana substancja fluoryzując emituje promieniowanie, które przenika papier i oddziaływuje chemicznie na płytę fotograficzną.
    Jednakże w kilka dni po przeprowadzeniu pierwszego doświadczenia, Becquerel odkrył, że zdjęcie zostaje zaczernione także w momencie, gdy kryształki zawierające uran, nie są pobudzane do fluorescencji przez promieniowanie świetlne. Obrazy na negatywie pojawiały się również, gdy zestaw doświadczalny był przechowywany w ciemności. Badając to zjawisko, naukowiec przeprowadził kilka doświadczeń, w których bardzo dokładnie starał się odizolować próbki kryształów uranowych od wpływu promieni różnej długości. Jak się okazało substancja nadal emitowała promieniowani. Niedługo później Becquerel odkrył, że różne substancje zawierające domieszki uranu emitują takie promieniowanie, nie zależnie od tego czy mają one zdolność fluorescencji, czy nie. Tak, więc źródłem obserwowanego zjawiska jest uran. Becquerel odkrył zjawisko promieniotwórczości.
    Odkrycie Becquerela, które było właściwie odkryciem przypadkowym, poruszyło cały świat naukowy. Badacze starali się dociec jakie substancje emitują promieniowanie i jakie są cechy tego zjawiska.
    W latach 1895-1896 Thomson i Rutherford zajmowali się badaniem zjawiska jonizacji gazów naświetlanych promieniami odkrytymi przez Becquerela. W czasie doświadczenia Rutherford odkrył, że istnieją w zasadzie dwa rodzaje tego promieniowania - jedno, nazwane alfa, było łatwo absorbowane, nawet przez kartki papieru; i drugie, nazwane beta, mogło przenikać nawet przez grube blachy metalowe (na przykład przez 0,25 centymetrów aluminium).

    W latach 1898-1899 naukowcy Maria Skłodowska Curie, Pierre Curie (1859-1906) i G. Bemont odkryli nowe pierwiastki promieniotwórcze - rad i polon.
    Rutherford i Owens odkryli kolejny promieniotwórczy pierwiastek - tor.
    Rutherford i Frederic Soddy (1877-1956) zauważyli, że z radu wydzielana jest pewna substancja gazowa, nazwana "emanacją gazową". Gaz ten nie wykazywał aktywności chemicznej. Był więc podobny do gazów szlachetnych. Po jego przebadaniu za pomocą spektroskopu okazało się, że znajduje się w nim hel.

    Przez kolejne lata naukowcy podejmowali badania obu rodzaji promieniowania. Promienie alfa - mało przenikliwe, jak się okazało składają się z dodatnio naładowanych cząsteczek (odchylają się w polu magnetycznym w tą samą stronę co inne dodatnie cząsteczki). Okazało się że stosunek q/m tych cząsteczek wynosi około 4,8*10⁷ kulombów na kilogram. Stosunek ten jest dwa razy mniejszy niż stosunek q/m dla jonu wodoru. Naukowcy wysnuli wniosek, iż cząsteczki alfa składają się z atomów helu naładowanego podwójnym ładunkiem dodatnim - takie cząstki mają masę równą 4*(masa wodoru) i ładunek dodatni 2*(ładunek elementarny). Niedługo później Rutherford i Royds przeprowadzili następujące doświadczenie. Do bardzo cienkiej rurki kapilarnej, której grubość ścianek wynosiła tylko 0,01 mm wprowadzili mocne ciało promieniotwórcze. Po szczelnym zamknięciu rurki, umieszczono ją w innej obszerniejszej rurce, w której istniała próżnia. Przez cienkie ściany rurki kapilarnej mogły przenikać cząsteczki alfa, natomiast "emanacja gazowa" nie. Po kilku dniach w rurce zewnętrznej pojawiał się hel. Mógł on pochodzić tylko z cząsteczek alfa, które traciły dodatni ładunek (dołączane były elektrony) i zamieniały się w atomy helu.
    Cząsteczki beta, znacznie bardziej przenikliwe, dają się odchylać w polu elektrycznym i magnetycznym, w taki sposób iż cząstki te muszą mieć ładunek ujemny. Po dalszych badaniach naukowcy doszli do wniosku, iż cząsteczki beta to po prostu elektrony (przy okazji badacze zebrali obserwacje świadczące nowych prawach, prawach opisanych późniejszą teorią względności).
    Odkryto również trzeci rodzaj promieniowania wysyłany przez ciała promieniotwórcze - promieniowanie gamma. Okazało się, że są to fale elektromagnetyczne o długości fali na ogół mniejszej od 10^-11 metra.
Promieniowanie alfa, beta, gamma można rzdzielić używając pola magnetycznego

Promieniowanie alfa, beta, gamma można rzdzielić używając pola magnetycznego

Niedługo po odkryciu zjawiska promieniotwórczości wielu naukowców podjęło badania pierwiastków promieniotwórczych. Odkryli oni, iż uran, tor i aktyn dają poprzez kolejne rozpady początek licznej grupie pierwiastków promieniotwórczych. Pierwiastki te zostały zestawione przez badaczy w szeregi promieniotwórcze, w taki sposób, że każdy pierwiastek powstaje z pierwiastka poprzedzającego go w tablicy i przemienia się w substancję znajdującą się w tablicy pod nim. Ostatni pierwiastek wszystkich szeregów jest pierwiastkiem trwałym (jest nim ołów). W szeregu promieniotwórczym występowały często pierwiastki o tych samych własnościach chemicznych, ale o różnych masach atomowych (była to wskazówka mówiąca o istnieniu izotopów).
Szereg torowy