W XXI wieku nie znajdzie się żadnej osoby, która chociażby raz nie robiła zdjęcia rentgenowskiego. Natomiast w końcu XIX w. zdjęcie rentgenowskie dłoni człowieka (rys. 23.1) było sensacją dla fizyków całego świata. Uczeni rozpoczęli badania promieni rentgenowskich i poszukiwania ich źródeł. Jednym z takich uczonych był fizyk francuski A. Becquerel (rys. 23.2). W tym paragrafie dowiesz się, co zaobserwował podczas swoich badań.
Dowiadujemy się o historii odkrycia radioaktywności
Odkrycie promieni rentgenowskich stało się początkiem historii odkrycia radioaktywności, co wydarzyło się przez przypadek.
Początkiem badań było przepuszczenie uczonych, że promieniowanie rentgenowskie powstaje podczas krótkotrwałego świecenia się niektórych substancji, napromieniowanych światłem słonecznym*. Do takich substancji należą, na przykład niektóre sole Uranu. Aby sprawdzić swoje przepuszczenia, taką sól wykorzystał A. Becquerel.
Wiedząc, że promieniowanie rentgenowskie przenika przez czarny papier, uczony zawinął w taki papier kliszę fotograficzną**, położył na niej kryształki soli uranowej i pozostawił na kilka godzin w słońcu. Po wywołaniu zaobserwował, że na kliszy pojawiły się
ciemne plamy dokładnie w tych miejscach, gdzie leżała sól uranowa. W taki sposób udowodniono, że sól uranowa w rzeczywistości promieniuje promieniowaniem o dużej zdolności przenikania i działa na kliszę fotograficzną.
A. Becquerel postanowił kontynuować badania i przygotował doświadczenie, nieco różniące się od poprzedniego. Jednak uczonemu przeszkodziła w tym zła pogoda. Wtedy kliszę fotograficzną z solą uranową i krzyżem miedzianym pozostawił w szufladzie biurka. Po kilku dniach, nie czekając na słoneczną pogodę, wywołał ją. Wynik był nieoczekiwany: na kliszy utrwalił się obraz krzyża. Okazało się, że światło słoneczne nie wpływało na doświadczenie, lecz sól Uranu samodzielnie, bez wpływu czynników zewnętrznych, promieniuje niewidocznym promieniowaniem, któremu nie przeszkodziła nawet warstwa miedzi!
Później takie promieniowanie nazwano radioaktywnością (od łac. radio - promieniuję, actions - aktywny); nuklidy, jądra których posiadają taką właściwość - radionuklidami.
Albert Einstein porównywał odkrycie radioaktywności z odkryciem ognia, o ile uważał, że ogień i radioaktywność są jednakowo ważne odkrycia w historii ludzkości.
Dowiadujemy się o radionuklidach
M. Skłodowska-Curie (rys. 23.3) zadała sobie pytanie „Czy tylko Uran promieniuje „promienie Becquerele’a?” i szukając odpowiedzi na to pytanie, rozpoczęła swoje badania radioaktywności. Rzetelnie sprawdziwszy na radioaktywność prawie wszystkie znane na ten czas pierwiastki wykryła, że Tor również posiada właściwości radioaktywne. Oprócz tego, M. Składowska-Curie, wspólnie z mężem P. Curie (rys. 23.4) odkryli nowe pierwiastki radioaktywne, m.in. Polon i Rad.
Zastanów się, dlaczego małżeństwo Curie nazwało pierwiastki właśnie w taki sposób.
Z czasem okazało się, że radioaktywność jest właściwa wszystkim bez wyjątku nuklidom pierwiastków chemicznych, porządkowy numer których jest większy od 82 (Z > 82). Jednak i inne pierwiastki mają radionuklidy (wszystkie naturalne lub sztucznie otrzymane).
Badamy skład promieniowania radioaktywnego
Doświadczenia badania natury promieniowania radioaktywnego potwierdzają, że substancje radioaktywne mogą wypromieniowywać promienie trzech rodzajów: dodatnio naładowane cząstki (a-promieniowanie), ujemnie naładowane cząstki (β-promieniowanie) i neutralne promienie (y-promieniowanie). Na rys. 23.5 przedstawiono schemat jednego z takich doświadczeń: wiązka promieniowania radioaktywnego trafia najpierw w silne pole magnetyczne magnesu trwałego, następnie - na kliszę fotograficzną, po wywołaniu której na niej są widoczne trzy ciemne plamy.
Przypomnij, kierunek ruchu jakich cząstek jest przyjęty za kierunek prądu elektrycznego i stosując rys. 23.5 oraz regułę lewej dłoni, przekonaj się, że α-cząstki mają ładunek dodatni.
Największy wkład w badania α-promieniowania wniósł E. Rutherford. Jako jeden z pierwszych wyjaśnił, że α-promieniowanie — to strumień jąder atomów Helu igHej, poruszających się z prędkością ok. 107 m/s. Ładunek a-cząstki równa się dwóm ładunkom elementarnym:
β-promieniowanie, podobnie jak α-promieniowanie, jest odchylane przez pole magnetyczne, lecz w przeciwną stronę. Wykryto, że β-promieniowanie - jest to strumień elektronów
poruszających się z wielką prędkością (zbliżoną do prędkości rozchodzenia się światła).
Spodziewamy się, że zapisywanie ładunku i masy β-cząstki nie sprawi wam trudności.
Badanie γ-promieniowania pokazało, że są to fale elektromagnetyczne o bardzo wysokiej częstotliwości (powyżej 1018 Hz). Prędkość rozchodzenia się fal w próżni wynosi 3 108 m/s.
Ochrona przed radioaktywnym promieniowaniem
Większość ludzi kojarzy sobie słowo radiacja z niebezpieczeństwem. I słusznie. Człowiek nie odczuwa promieniowania radioaktywnego, jednak wiemy, że jest ono bardzo szkodliwe. Przed wpływem radiacji można się chronić, stawiając na drodze promieniowania przeszkody.
Najłatwiej chronić się przed a i β promieniowaniem. Chociaż a i β cząstki poruszają się z dużą prędkością, ich strumień łatwo zatrzymuje nawet cienka przeszkoda. Jak pokazują doświadczenia, wystarczy cienka kartka papieru (0,1 mm), aby
powstrzymać α-cząstki; β-promieniowanie całkowicie pochłania się, na przykład przez płytkę aluminiową o grubości 1 mm (rys. 23.6).
Najbardziej szkodliwe jest γ-promieniowanie - przenika ono przez grube warstwy substancji. W odrębnych przypadkach do ochrony od γ-promieniowania są niezbędne ściany betonowe o grubości kilku metrów.
Podajemy definicję radioaktywności
Badanie radioaktywności pokazało, że promieniowanie radioaktywne jest skutkiem przemian jąder atomów. Przy czym przemiany te zachodzą w sposób dowolny (bez żadnych przyczyn), nie można ich przyspieszyć czy spowolnić, nie zależą one od zewnętrznego wpływu, czyli nie wpływa na nie zmiana ciśnienia i temperatury, działanie pola magnetycznego i elektrycznego, reakcje chemiczne, zmiana naświetlenia itd.
Radioaktywność - to zdolność jąder radionuklidów samorzutnie przekształcać się w jądra innych pierwiastków z emisją mikrocząstek.
Jądro macierzyste, promieniując a- czy β-cząstki, przekształca się w jądro atomu innego pierwiastka; a- i β-rozpadom towarzyszy γ-promieniowanie. Udowodniono, że przekształcenia radioaktywne opisywane są za pomocą reguł przesunięcia.
1. Podczas a-rozpadu ilość nukleonów w jądrze zmniejsza się o 4, protonów -o 2, dlatego powstaje jądro pierwiastka, porządkowy numer którego jest o 2 mniejszy od numeru porządkowego początkowego pierwiastka (rys. 23.7):
2. Podczas β-rozpadu ilość nukleonów w jądrze nie zmienia się, ilość protonów zwiększa się o 1, dlatego powstaje jądro pierwiastka, porządkowy numer którego jest o 1 większy od numeru porządkowego początkowego pierwiastka (rys. 23.8):
Wiemy, że Radon
jest α-radioaktywny. Jądro którego pierwiastka powstaje w wyniku α-rozpadu Radonu?
Dowiadujemy się o radioaktywnych szeregach
Wygląda na to, że po wyjaśnieniu radioaktywności spełniły się marzenia alchemików Średniowiecza o przemianie substancji w złoto? W rzeczywistości tak nie jest. Uczeni wyjaśnili, że jądro macierzyste atomu radioaktywnego pierwiastka X może zaznawać szeregu przekształceń: jądro atomu pierwiastka X przekształca się w jądro atomu pierwiastka Y, następnie w jądro atomu pierwiastka Z itd., jednak w tym łańcuchu nie może być „gości” przypadkowych.
Ilość wszystkich izotopów, które powstają w wyniku kolejnych radioaktywnych przekształceń danego jądra nazywamy radioaktywnym szeregiem. Jeden z takich szeregów jest przedstawiony na rys. 23.9. Okazuje się, że istnieją cztery radioaktywne szeregi, które obejmują wszystkie znane w przyrodzie radioaktywne pierwiastki: szereg Toru (zaczyna się od Toru-232), szereg Uranu-Radu (zaczyna się od Uranu—238), szereg Uranu—Aktynu (zaczyna się od Uranu-235), szereg Neptunu (zaczyna się od Neptunu-237).
Podsumowanie
Promieniowanie radioaktywne odkrył fizyk francuski A. Becquerel.
Większość istniejących w przyrodzie i sztucznie otrzymanych nuklidów jest radioaktywna: ich jądra samorzutnie rozpadają się, wy-promieniowując mikrocząstki i przekształcają się w inne jądra.
Pytania kontrolne
1. W jaki sposób odkryto zjawisko radioaktywności? 2. Podaj przykłady naturalnych pierwiastków radioaktywnych. 3. Opisz doświadczenia badania natury radioaktywnego promieniowania. 4. Jakie znasz rodzaje radioaktywnego promieniowania? 5. Wyjaśnij naturę fizyczną α-, β- i γ-promieniowania. 6. Jak można zabezpieczyć się przed nadmiernym radioaktywnym promieniowaniem? 7. Podaj definicję radioaktywności. 8. Co dzieje się z jądrem atomu podczas promieniowania a-cząstki? β-cząstki?
Ćwiczenie nr 23
1. Jakie rodzaje radioaktywnego promieniowania działały na kliszę fotograficzną w doświadczeniach A. Becquerela? Rozglądnij dwa przypadki: a) kryształki soli Uranu położono bezpośrednio na czarnym papierze, w którym jest zawinięta klisza; b) sól Uranu położono na miedzianym krzyżu, który, z kolei, został położony na zawiniętej w czarny papier kliszy.
2. Długość fali γ-promieniowania wynosi 0,025 nm. Oblicz jej częstotliwość.
3. Za pomocą rys. 23.9 zapisz kilka równań reakcji rozpadu, które są charakterystyczne dla radioaktywnego szeregu Toru-232.
Podczas naturalnego radioaktywnego rozpadu Radu
z jego jądra jest
emitowana β-cząstka. W jądro jakiego pierwiastka przekształca się przy tym jądro atomu Radu? Zapisz równanie reakcji.
5. Oblicz masę α-cząstki wiedząc, że masa protonu i masa neutronu w przybliżeniu wynoszą 1,7 Ί0-27 kg. Jaka jest energia kinetyczna α-cząstki, jeżeli porusza się ona z prędkością 1,5 107 m/s?
6. „W zależności od dawki wszystko może być trucizną i wszystko może być lekiem” — twierdził znany lekarz epoki Oświecenia Paracelsus (właść. Theophrastus Bombastus von Hohenheim (1493—1541)). Wykorzystując dodatkowe źródła informacji dowiedział się, jak za pomocą szkodliwego radioaktywnego promieniowania można leczyć chorych.
7. Mamy 2 mole uranu i 2 mole helu. Ile atomów jest w każdej substancji?
Fizyka i technika na Ukrainie
Iwan Puluj (1845-1918) - ukraiński fizyk, elektrotechnik, wynalazca. 14 lat wcześniej niż Rentgen, skonstruował on rurkę, która później posłużyła wzorem dla współczesnych aparatów rentgenowskich. I. Puluj
0 wiele dokładniej od Rentgena przeanalizował istotę i mechanizm powstania X-promieni (późnie zostały one nazwane rentgenowskimi),
1 na przykładach wyjaśnił ich właściwości.
I. Puluj jako jeden z pierwszych skonstruował i stworzył przyrządy próżniowe, w tym luminescencyjną lampę gazową - przyrząd znany w technice jako „lampa Puluja" (pulujlampe). Zdjęcia w X-promieniach, wykonane przez I. Puluja za pomocą tej lampy, najczęściej były wykorzystywane w naukowych publikacjach do ilustracji tych promieni w medycynie.
Jeden z opatentowanych wynalazków uczonego pozwolił wykorzystywać linie przekazywania prądu zmiennego w jednoczesnej łączności telefonicznej.
Imieniem I.Puluja nazwano państwowy uniwersytet techniczny w Tarnopolu. PAN Ukrainy zapoczątkował premię im. I. Puluja - za wybitne osiągnięcia w dziedzinie fizyki stosowanej.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar