Promieniowanie

Promieniotwórczość to zdolność pewnych substancji, zwanych promieniotwórczymi do wysyłania promieniowania korpuskularnego i promieniowania elektromagnetycznego o bardzo małej długości fali, powstającego w wyniku samorzutnych przemian (rozpadów) jąder atomów tych substancji.

Pod koniec XIX w. intensywnie badano zjawisko luminescencji (m.in. świecenie ciał pod wpływem promieni katodowych). Prace w tym kierunku prowadził m.in. A.H. Becquerel. Wiedział on, że sole uranu świecą słabym światłem jasnozielonym. W podobny sposób świeciła szklana ścianka naczynia próżniowego wysyłająca promienie rentgenowskie (odkryte w 1895) pod wpływem padających na nią elektronów. Becąuerel podejrzewał, że nie jest wykluczone, iż sole uranu także mogą wysyłać promieniowanie rentgenowskie lub podobne. Doświadczenia przeprowadzone przezeń w 1896 wykazały, że istotnie sole uranu wysyłają oprócz światła jasnozielonego jeszcze inne promieniowanie, które bardzo silnie działa na kliszę fotograficzną. Późniejsze badania wykazały jednak, że nie było to promieniowanie rentgenowskie, lecz promieniowanie zupełnie nowego wtedy rodzaju.

Badaniem nowo odkrytego zjawiska zajęło się od razu wielu wybitnych uczonych tamtych czasów, jak E. Rutherford, P. Curie i przede wszystkim jego żona, a nasza rodaczka M. Skłodowska-Curie. Odkrycia następowały bardzo szybko jedne za drugimi i rychło ukazały wielką wagę zjawiska odkrytego przez Becąuerela, które M. Skłodowska-Curie nazwała promieniotwórczością (naturalną).

W 1897 E. Rutherford wykazał, że promieniowanie uranu nie jest jednolite, lecz zawiera dwa składniki; nazwano je promieniowaniem alfa i promieniowaniem beta. W 1998 M. Skłodowska-Curie i P. Curie odkryli i wyodrębnili dwa nowe pierwiastki promieniotwórcze. Pierwszy z nich, silnie promieniotwórczy, nazwany został przez naszą rodaczkę polonem, drugi, słabiej promieniotwórczy � radem (jest on stosunkowo trwały i dlatego znalazł szereg zastosowań praktycznych).

W 1899 A.H. Becąuerel, S. Meyer i E. Schweidler oraz F.O. Giesel, niezależnie, zaobserwowali odchylanie się promieni alfa i beta w polu magnetycznym. Wskazywało to, że i jedne, i drugie są strumieniami cząstek naładowanych elektrycznie (fale elektromagnetyczne i cząstki obojętne nie odchylają się w polu magnetycznym). Ponieważ promienie alfa odchylały się w przeciwną stronę niż promienie beta, więc wynikało stąd, że cząstki alfa niosą dodatni, cząstki beta zaś ujemny ładunek elektryczny.

W tym samym roku J. Elster i H. Geitel wyznaczyli na drodze doświadczalnej prawo rozpadu promieniotwórczego. W myśl tego prawa natężenie promieniowania wysyłanego przez daną ilość substancji promieniotwórczej maleje systematycznie z upływem czasu, przy czym szybkość spadku intensywności promieniowania nie zależy od jakichkolwiek czynników zewnętrznych ani od stanu skupienia tej substancji, ani też od tego, w skład jakiego związku chemicznego dana substancja wchodzi, lecz jedynie od rodzaju samej substancji promieniotwórczej. Stanowiło to przekonywające uzasadnienie hipotezy M. Skłodowskiej-Curie, że mamy tu do czynienia z wytwarzaniem promieniowania wewnątrz atomów substancji promieniotwórczej, czyli z promieniotwórczością.

W 1900 A.H. Becąuerel wykazał, że cząstki beta są identyczne z cząstkami promieni katodowych, czyli że są elektronami. Naturę cząstek alfa odkryli dopiero w 1909 E. Rutherford i T. Royds, stwierdzając, że są to podwójnie zjonizowane atomy helu (jądro atomowe zostało odkryte nieco później). W 1900 P. Villard odkrył trzeci składnik promieniowania emitowanego przez ciała promieniotwórcze, promieniowanie gamma. Nie niesie ono żadnego ładunku elektrycznego (nie odchyla się w polu magnetycznym) i, jak się rychło okazało, jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali jeszcze mniejszej niż promieniowanie rentgenowskie.

W 1903 Rutherford i F. Soddy wykazali, że w każdym procesie promieniotwórczym następuje przemiana pierwiastka promieniotwórczego w inny pierwiastek chemiczny, na ogół także promieniotwórczy, Prawa ilościowe określające charakter tych przemian tzw. prawa przesunięć sformułowali w 1913 F. Soddy i polski fizyk K. Fajans. Zgodnie z prawami przesunięć, przy przemianie alfa pierwiastek promieniotwórczy przechOdZi W pierwiastek O liczbie porządkowej o 2 mniniejszej i masie mniejszej o 4 jednostki atomowe, w wyniku natomiast przemiany beta powstaje pierwiastek o liczbie porządkowej o 1 większej i takiej samej masie atomowej jak pierwiastek promieniotwórczy.

Tak więc w ciągu zaledwie kilku lat okazało się, że promieniotwórczość naturalna jest procesem samorzutnym zachodzącym wewnątrz atomu. Fakt, że atom wyrzuca z siebie cząstki alfa i beta, wskazywał, iż sam atom musi być obiektem bardzo złożonym, który może ulegać różnym przemianom.

Z chwilą odkrycia jądra atomowego w 1911 zrozumiano, że promieniotwórczość naturalna jest wynikiem procesów zachodzących w samym jądrze atomowym. Nic też dziwnego, że badania w dziedzinie nabrały podstawowego znaczenia dla fizyki.

Zjawisko promieniotwórczości naturalnej dostarczyło nowych metod badania jądra atomowego przez bombardowanie różnych substancji cząstkami alfa (akceleratory cząstek naładowanych). Wynikiem takich badań było przede wszystkim: przeprowadzenie pierwszej reakcji jądrowej w 1919 przez E. Rutherforda (azot bombardowany cząstkami alfa ulegał przemianie w tlen), odkrycie neutronu w 1932 oraz odkrycie promieniotwórczości sztucznej w 1934 przez małżeństwo I. i F. Joliot-Curie. Bombardując glin cząstkami alfa wytworzyli oni promieniotwórczy fosfor; wypowiedzieli też myśl, że w sposób sztuczny można wytworzyć szereg innych izotopów promieniotwórczych. Badania w tym kierunku podjął w tym samym 1934 E. Fermi ze współpracownikami, stosując jednakże neutrony zamiast cząstek alfa. Zespół ten wytworzył bardzo wiele sztucznych izotopów promieniotwórczych. Odkrycie promieniotwórczości miało więc wielkie znaczenie nie tylko dla dalszego rozwoju fizyki, ale także dla innych dziedzin nauki oraz techniki i przemysłu, przede wszystkim ze względu na coraz szersze zastosowanie izotopów promieniotwórczych.