Dalsze badania prmieniotwórczo¶ci

DALSZE BADANIA PROMIENIOTWÓRCZO¦CI

Niestabilny atom emituje cz±steczkê alfa lub beta zamieniaj±c siê w inny atom. Oznaczmy przez A liczbê masow± atomu przed rozpadem, a przez Z liczbê atomow± przed rozpadem. J±dro helu (cz±steczka alfa) niesie ze sob± dwa protony i dwa neutrony. Je¿eli wiêc rozpadaj±cy siê atom emituje cz±steczkê alfa jego liczba masowa wynosi A-4, a liczba atomowa Z-2. Przemianê t± mo¿na zapisaæ schematycznie:

(1)

Przemiana ta zachodzi oczywi¶cie zgodnie z zasad± zachowania ³adunku i energii. £adunek j±dra wyj¶ciowego równy jest ³adunkowi j±dra pochodnego i cz±stki emitowanej. Natomiast masa j±dra wyj¶ciowego równa jest masie j±dra pochodnego, masie cz±stki wyemitowanej oraz, zgodnie z równaniem Einsteina E=mc², energii wydzielonej podczas rozpadu podzielonemu przez c². Cz±stki alfa wydzielone w czasie rozpadu mog± nastêpnie zderzaæ siê z atomami o¶rodka jonizuj±c je. Efekt ten wykorzystywany by³ czêsto przy wielu do¶wiadczeniach. W koñcu cz±stka alfa ulega zobojêtnieniu i przechodzi w atom helu.
Przy okazji badañ nad emisj± cz±steczek alfa odkryto dziwne zjawisko. Obserwowano cz±stki alfa o energii 7,7 MeV, które zderza³y siê z j±drami radu. Nie wnika³y jednak do wnêtrza j±der lecz by³y rozpraszane podobnie jak w do¶wiadczeniu Rutherforda. Z drugiej jednak strony wiedziano, i¿ j±dro radu mo¿e emitowaæ cz±steczki alfa o energii równej 4,8 MeV. Jak to siê dzieje, ¿e cz±steczki alfa o danej energii mog± pokonaæ "barierê potencja³u" i wyrwaæ siê z j±dra, a inne o wy¿szej energii nie mog± pokonaæ tej samej "bariery potencja³u" i siê do niego dostaæ? Odpowiedzi na to pytanie udzieli³ fizyk amerykañski George Anthony Gamow (1904-1968) przypisuj±c cz±steczce alfa pewn± funkcjê falow±, która przebiega w sposób ci±g³y do obszaru poza barier± potencja³u. Tak wiêc jest pewne niezerowe prawdopodobieñstwo znalezienia siê cz±stki poza t± barier±. Zjawisko to nazwane zosta³o efektem tunelowym. (zobacz te¿ ELEKTRON FAL¡)

Drugiego typu przemianami s± przemiany beta. W czasie tych przemian j±dro emituje elektron. Mo¿na zapisaæ je schematycznie:

(2)

Sk±d w j±drze elektron? Jak w ogóle zachodzi ta przemiana? Naukowcy w latach dwudziestych starali siê odpowiedzieæ na to zagadnienie. Jednak odkryli tylko kolejne sprzeczno¶ci i niewiadome. Dopiero w 1931 roku Wolfgang Pauli wyt³umaczy³ ten proces. Stwierdzi³ on, i¿ w czasie przemiany beta w j±drze jeden z neutronów zmienia siê w proton, elektron i neutrino (dzi¶ zwane antyneutrinem). Ono równie¿ wylatuje z atomu. Cz±stka ta nie ma masy spoczynkowej i ³adunek równy zeru. Teori± t± zaj±³ siê Enrico Fermi. Pierwsze próby do¶wiadczalnego potwierdzenia tej teorii mia³y miejsce dopiero w roku 1953.
Fizycy stwierdzili, i¿ liczba rozpadaj±cych siê j±der na jednostkê czasu jest wprost proporcjonalna do liczby wszystkich j±der w próbce. Wielko¶æ, która oznacza³a ilo¶æ rozpadów na czas, w którym te rozpady nast±pi³y nazywamy aktywno¶ci± ¼ród³a promieniotwórczego:

(3)

Jednostk± A jest 1 bekerel (1 Bq). ¬ród³o ma aktywno¶æ jednego bekerela, gdy w ci±gu jednej sekundy ulega rozpadowi jedno j±dro. Dalsze badania wykaza³y, i¿ aktywno¶æ ¼ród³a promieniotwórczego maleje wraz z up³ywem czasem zgodnie z zale¿no¶ci±:

(4)

gdzie: A₀ - aktywno¶æ na pocz±tku, e - liczba Eulera, A - aktywno¶æ po up³ywie czasu t, k - wielko¶æ nazwana sta³± rozpadu, która jest ró¿na dla ró¿nych ¼róde³ promieniotwórczych. Wykorzystuj±c fakt tego, i¿ aktywno¶æ ¼ród³a jest proporcjonalna do liczby j±der w próbce jest:

(5)

Liczba j±der promieniotwórczych w wyniku rozpadu alfa maleje wyk³adniczo z up³ywem czasu. Czas, po którym dwukrotnie maleje liczba j±der promieniotwórczych danego pierwiastka, nazywamy po³owicznym czasem rozpadu (T) danego pierwiastka promieniotwórczego. Czas ten mo¿na policzyæ ze wzoru:

(6)

Bo N = N₀/2. Czasy po³owicznego rozpadu dla ró¿nych ¼róde³ promieniotwórczych podane s± w tabeli.
Poznanie praw rz±dz±cych przemianami promieniotwórczymi doprowadzi³o do znacznego postêpu w ró¿nych dziedzinach nauki i techniki. Nied³ugo odkryto równie¿ zjawisko rozszczepiania j±der promieniotwórczych- rozpadu ich pod wp³ywem absorpcji neutronu na dwa fragmenty. Dziêki temu odkryciu mo¿liwe sta³o siê zbudowanie reaktora j±drowego, jak i bomby atomowej.