Radioaktywność

Znak ostrzegający przed substancjami promieniotwórczymi

Dodatkowy znak ostrzegawczy wprowadzony w 2007

Radioaktywność, promieniotwórczość – zdolność jąder atomowych do rozpadu promieniotwórczego, który najczęściej jest związany z emisją cząstek alfa, cząstek beta oraz promieniowania gamma.

Szczególnym rodzajem promieniotwórczości jest rozszczepienie jądra atomowego, podczas którego radioaktywne jądro rozpada się na dwa fragmenty oraz emituje liczne cząstki, między innymi neutrony, które mogą indukować kolejne rozszczepienia. Zjawisko takiej reakcji łańcuchowej jest wykorzystane w elektrowniach jądrowych oraz w broni jądrowej.

Promieniowanie towarzyszące przemianom jądrowym (zarówno elektromagnetyczne, jak i w postaci strumienia cząstek) przechodząc przez substancję ośrodka powoduje jonizację (wybijanie elektronów z atomów). Po przekroczeniu pewnego poziomu, wywiera ono szkodliwy wpływ na żywe organizmy (wg częściowo potwierdzonej hipotezy hormezy radiacyjnej, niskie dawki promieniowania są natomiast korzystne). Pochłonięcie jego dużej dawki może spowodować chorobę popromienną.

Źródłami radioaktywności są niestabilne izotopy pierwiastków, zarówno występujące naturalnie, jak i wytworzone przez człowieka. Do najbardziej znaczących należą:

• ³H, wytwarzany m.in. w wyniku eksperymentów termojądrowych, a także w wyniku reakcji jądrowych zachodzących w atmosferze
• ¹⁴C, stale produkowany przez promieniowanie kosmiczne w górnych warstwach atmosfery, obecny we wszystkich organizmach żywych, w tym w ciele człowieka
• ⁴⁰K, obecny m.in. w minerałach i kościach, stanowiący 0,0117% całej zawartości potasu
• ⁶⁰Co, otrzymywany przez aktywację neutronową naturalnego kobaltu
• Rn, krótko żyjący element tzw. szeregów promieniotwórczych; jest gazem, więc może uwalniać się z miejsca powstania, np. z gleby, materiałów budowlanych itp.; największe znaczenie ma ²²²Rn, pochodzący z szeregu ²³⁸U, jego okres połowicznego zaniku wynosi 3,8 dnia
• Ra, także pierwiastek występujący w szeregach promieniotwórczych; największe znaczenie ma izotop ²²⁶Ra z szeregu ²³⁸U, którego okres połowicznego zaniku wynosi 1599 lat
• ²³²Th, długo żyjący izotop obecny w niektórych minerałach i w glebie
• U, występujący w minerałach i w glebie; największe znaczenie mają: ²³⁸U, mniej obfity izotop ²³⁵U oraz sztucznie uzyskany ²³³U – dzięki podatności na rozszczepienie są wykorzystywane w reaktorach i bombach jądrowych
• Pu, uzyskiwany sztucznie z uranu; izotop ²³⁹Pu, także podatny na rozszczepienie, stosowany jest podobnie jak uran.

Radioaktywność tych i wielu innych izotopów ma zastosowania w medycynie (diagnostyka, terapia nowotworów), archeologii i geologii (datowanie izotopowe), technice oraz badaniach naukowych.

Znakiem ostrzegającym jest stylizowana koniczyna na żółtym bądź czerwonym tle.

Historia odkrycia radioaktywności

Becquerel

Zjawisko promieniotwórczości odkrył francuski fizyk Henri Becquerel w 1896 roku, badając zjawisko fosforescencji. Jego doświadczenia polegały na naświetlaniu światłem słonecznym minerałów, a potem zawijaniu ich w kliszę światłoczułą w celu zbadania, czy występuje zjawisko fosforescencji, czyli świecenie badanej substancji (zaczerniające kliszę), indukowane światłem słonecznym. Z powodu niepogody nie zdążył naświetlić światłem słonecznym próbki rudy uranowej, włożył ją więc do swojego fartucha laboratoryjnego. Klisza i próbka rudy były przechowywane w ten sposób przez kilka dni, po czym Becquerel przypomniał sobie o kliszy i ją wywołał. Okazało się, że uległa prześwietleniu, ale tylko w miejscach, gdzie stykała się z próbką rudy. Zainteresowany tym zjawiskiem Becquerel przetestował wpływ innych soli o właściwościach fosforescencyjnych na klisze fotograficzne i zauważył, że nie tylko rudy uranu, ale też jego sole powodują to zjawisko, tak więc zjawisko prześwietlania klisz okazało się niezwiązane z samą fosforescencją.

Becquerel zaczął studiować to zagadnienie głębiej, starając się dociec przyczyn zjawiska. Jego badania dowiodły, że źródłem nowego promieniowania nie jest tylko sól uranu, lecz uran metaliczny oraz każdy związek chemiczny, zawierający wystarczającą ilość uranu. Becquerel zbadał naturę tego promieniowania i doszedł do wniosku, że jest to promieniowanie elektromagnetyczne o zbliżonej charakterystyce do promieni X (jest to błędna interpretacja, bowiem promieniowanie to składa się z promieniowania alfa, beta i gamma, emitowanego przez uran i produkty jego rozpadu). Udało mu się także znaleźć półilościowe zależności między mocą tego promieniowania a zawartością uranu w próbce. Becquerel nie mógł prawidłowo zinterpretować zaobserwowanego nowego zjawiska, bowiem był, tak jak jego ojciec, znawcą zjawiska fosforescencji. Sugerował więc istnienie tzw. fosforescencji opóźnionej, występującej po kilku dniach od naświetlania. Nie dysponował również wystarczająco dokładną metodą pomiarową, miał bowiem do dyspozycji tylko klisze fotograficzne.

Małżeństwo Curie

W przypadku jednej z posiadanych przez Becquerela rud uranu zależność ta jednak nie była z jakichś powodów spełniona. Zadanie wyjaśnienia tego problemu Becquerel powierzył Marii Skłodowskiej-Curie w ramach jej pracy doktorskiej. Skłodowska-Curie, ze swoim mężem Pierre'em Curie, zauważyła, że niektóre rudy uranowe wykazują znacznie wyższą radioaktywność, niżby to wynikało z obecności samego uranu. Korzystnym zbiegiem okoliczności było niedawne odkrycie przez jej męża Pierre'a i jego brata Jacques'a zjawiska piezoelektryczności kwarcu, co umożliwiło skonstruowanie bardzo czułego przyrządu do pomiaru prądu jonizacji powietrza, wywołanej promieniowaniem. Nie musiała już oceniać stopnia zaczernienia kliszy fotograficznej, ale mogła podać dokładne wartości prądu jonizacji, zmierzone elektrometrem. W ten sposób ustaliła, że rudy uranowe wykazują dużo większą radioaktywność, niż sam uran, co może świadczyć o istnieniu jakichś innych związków promieniotwórczych.

Curie podjęła więc żmudne badania, polegające na wyizolowaniu tych związków z rudy uranowej na drodze operacji chemicznych. Maria odkryła i wydzieliła w ten sposób nowy pierwiastek, rad, który był wielokrotnie bardziej radioaktywny od uranu. Wyodrębnienie tego pierwiastka umożliwiło dokładniejsze zbadanie zależności ilościowych emisji energii od zawartości pierwiastka promieniotwórczego w próbce i odkrycie, że radioaktywność polega w istocie na emisji trzech różnych rodzajów promieniowania oraz przemianie jednego pierwiastka w drugi (radu w gazowy radon) na skutek zjawiska rozpadu promieniotwórczego. Wydzielenie mierzalnych ilości nowego pierwiastka było wymagane, aby określić jego właściwości oraz otrzymać widmo emisyjne, co było niezbędne do zgłoszenia tego pierwiastka jako nowego. Dziś pierwiastki radioaktywne oznacza się na podstawie rodzaju i energii emitowanego promieniowania. W podobny sposób wcześniej, przed odkryciem radu, Maria Skłodowska-Curie wydzieliła polon.

Rutherford

W tym samym mniej więcej czasie zjawiskiem radioaktywności zainteresował się Ernest Rutherford, odkrywca jądra atomu. Rutherford dostał próbkę czystego uranu od Becquerela w celu zbadania emitowanego promieniowania. Rutherford rozłożył to promieniowanie na 3 składowe, nazwane promieniowaniem alfa, beta i gamma. Najważniejszym dokonaniem Rutherforda w tej dziedzinie było ustalenie, że promieniowanie alfa to strumień jonów He²⁺ (jąder ⁴He), co wytłumaczyło przejście radu w radon jako zjawisko odrywania się dwóch protonów z jądra radu.

Opis ilościowy

Jednostką radioaktywności w układzie SI jest bekerel (Bq), 1 Bq = 1 rozpad na sekundę. Dawniej używaną, obecnie niezalecaną jednostką był kiur (Ci), 1 Ci = 3,7 $\cdot$ 10¹⁰ Bq.

Zobacz też

• aktywacja neutronowa

Linki zewnętrzne

• Państwowa Agencja Atomistyki

Nagrania na YouTube [dostęp 2023-11-30]:

• Kazimierz Bodek, Bliżej Nauki: Promieniotwórczość – bać się, czy nie?, kanał FAIS UJ, 8 lipca 2015.
• Karolina Głowacka, Renata Kierepko i Jerzy Mietelski, Promieniotwórczość taka powszechna, taka demonizowana, kanał „Radio Naukowe”, 16 grudnia 2021.