Od atomu po bombę – promieniotwórczość cz. I

Promieniotwórczość – czyli właściwie co?

Temat radioaktywności często pojawia się w mediach. Mówimy o elektrowniach jądrowych, często z lękiem czytając o ich awariach u naszych sąsiadów, czy też mając w pamięci katastrofę w Czernobylu. Krzyczymy o próbach jądrowych w Korei Północnej lub o zagrożeniu związanym z rozwijaniem programu jądrowego przez Iran. Mówimy wreszcie o promieniotwórczości w medycynie, czy to w diagnozowaniu, czy też w terapii nowotworów. Ale czym tak naprawdę jest promieniotwórczość, skąd się bierze, jak działa? Jak wpływa na nasze organizmy i środowisko? Dziś zaczynamy cykl artykułów, który odpowie na nurtujące Was pytania. Zaczniemy od tego, co to w ogóle jest promieniotwórczość. W przyszłości porozmawiamy o tym, jak to działa w praktyce i jakie ma konsekwencje biologiczne, a także o tym, jak wykorzystać reakcje jądrowe do produkcji energii. Nastawcie się też na obalanie popularnych mitów, które wokół zagadnienia promieniowania narosły. Żeby to wszystko dobrze zrozumieć, musimy zacząć od podstaw. 

Czym jest promieniotwórczość?

Żeby odpowiedzieć na pytanie, czym jest promieniotwórczość, musimy przypomnieć sobie, jak w ogóle zbudowane jest wszystko, co nas otacza. Jak wiemy, cała materia zbudowana jest z atomów. Pojęcie „atom” pojawiło się już w starożytnej Grecji i wywodzi się od greckiego słowa „atoma” – niepodzielny. Grecy nie byli w stanie w żaden sposób eksperymentalnie potwierdzić istnienia atomów. Potrafili natomiast wyobrazić sobie, że jeśli podzieli się materię, to w końcu dojdzie się do elementu tak małego, że bardziej się już go podzielić nie da.

Przez kolejne wieki teoria atomistyczna cieszyła się większym lub mniejszym uznaniem. Dziś nie ma już żadnych wątpliwości, że wszystko, co nas otacza, zbudowane jest z atomów. Okazuje się, że ostatecznie prawdziwości tej teorii dowiódł dopiero Einstein, tłumacząc znane ze szkolnych lekcji fizyki zjawisko ruchów Browna. Polega ono na losowych ruchach cząstek zawiesiny (np. pyłku) w płynie. Einstein zasugerował, że wynikają one ze zderzeń tych cząstek z cząsteczkami płynu.

Tyle że z tą niepodzielnością atomów to nie do końca prawda. Choć Grecy jeszcze tego nie wiedzieli, atomy składają się z mniejszych cząstek, z których większość zgrupowana jest w jądrze atomu. Wykazał to dopiero Rutherford w 1911 roku. Wokół jądra zbudowanego z protonów i neutronów krążą elektrony. My natomiast skupimy się dziś na jądrze atomu.

Powtórka z liceum

Krótkie przypomnienie z lekcji chemii: liczba protonów w jądrze (zwana liczbą atomową) mówi nam, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Na przykład, jeśli w jądrze jest jeden proton, jest to wodór; dwa to hel, trzy – lit i tak dalej. Według rosnącej liczby atomowej ułożone są pierwiastki w układzie okresowym. Z kolei jądra tego samego pierwiastka, zawierające różną liczbę neutronów, nazywamy izotopami. W przypadku wodoru, jeśli w jądrze występuje sam proton, jest to prot; jeśli jest tam jeden proton i jeden neutron, to jest to deuter, a jeśli jest tam jeden proton i dwa neutrony, to jest to tryt.

Neutrony i protony (wspólnie nazywane nukleonami) mają mniej więcej tę samą masę; wielokrotnie większą niż masa elektronu. To oznacza, że niemal cała masa atomu skupiona jest w jego jądrze. Protony naładowane są dodatnio; neutrony, jak nazwa wskazuje, są elektrycznie neutralne – czyli obojętne. Pamiętacie chyba, jak zachowują się takie same (jednoimienne) ładunki elektryczne? Tak, zgadza się –  odpychają się. Nie inaczej jest w wypadku protonów: jeżeli w jądrze atomu jest więcej niż jeden, to będą próbowały się odepchnąć. Z drugiej strony, w jądrze działają siły, które utrzymują je w całości. Nazywamy je silnymi oddziaływaniami jądrowymi – są to najsilniejsze znane nam oddziaływania, ale działają tylko na bardzo mały dystans.

Niestabilne jądro

Żeby jądro było stabilne, siły te muszą być w równowadze. Jeśli tej równowagi zabraknie, następuje rozpad promieniotwórczy. Żeby lżejsze jądra, takie jak węgiel czy tlen, były stabilne, protonów i neutronów musi być mniej więcej tyle samo, a najlepiej, jeśli będą to liczby parzyste. Na przykład węgiel-12 ma po 6 neutronów i protonów i jest stabilny. Ale już węgiel-14, który ma 6 protonów i 8 neutronów, jest radioaktywny (stosuje się go do datowania m.in. znalezisk archeologicznych). Jednak im cięższe jądro, im więcej protonów w jądrze, tym stosunkowo więcej neutronów potrzeba, żeby jądro ustabilizować. Na przykład jod (53 protony) potrzebuje aż 74 neutronów, żeby dać stabilny izotop jod-127. Dlaczego?

Jeśli protony znajdują się zbyt blisko siebie, ich wzajemne odpychanie mogłoby rozerwać jądro na kawałki. Tu właśnie wjeżdżają neutrony, całe na biało¹A tak naprawdę, to pojęcia takie jak „kolor” nie mają sensu w odniesieniu do cząstek elementarnych.. Dzięki nim protony w jądrze są od siebie bardziej oddalone, co sprawia, że ich siła odpychania nie jest tak duża. 

Kulki, protony, neutrony…

A teraz zastanówmy się, co się dzieje, gdy do jądra atomu będziemy dokładać kolejne protony i neutrony. Spróbujcie sobie wyobrazić, że składacie kulkę z wielu małych kulek. Jeśli do jednej małej kulki dołożycie drugą, to zarówno objętość, jak i średnica dużej kulki (w tym momencie dość jajowatej, ale nie przejmujmy się tym zbytnio) zwiększy się około dwukrotnie. Jednak z każdą kolejną dołożoną małą kulką zaobserwujecie, że promień kulki rośnie wolniej niż jej objętość. Wiąże się to oczywiście ze wzorem na objętość kuli: 4/3*π*r³. Innymi słowy: podwojenie objętości naszej kulki sprawi, że jej średnica (tak samo jak promień) wzrośnie o zaledwie jedną czwartą. To zaś oznacza, że odległość między nawet najbardziej od siebie odległymi kulkami będzie rosła coraz wolniej przy dokładaniu kolejnych kulek.

Podobnie dokładanie kolejnych neutronów sprawia, że odległość pomiędzy protonami rośnie, ale rośnie coraz wolniej. Aż w końcu, gdy w jądrze jest wystarczająco odpychających się wzajemnie dużo protonów, silne oddziaływania jądrowe nie wystarczą, żeby utrzymać jądro w całości. Między innymi dlatego nie ma żadnych stabilnych izotopów pierwiastków o liczbie atomowej wyższej niż 83.

Rozpada się – ale jak?

W jaki zatem sposób rozpad promieniotwórczy przyczynia się do stabilizacji jądra? Bardzo prosto: zmienia liczbę protonów lub neutronów. Jak? A to już zależy od tego, o jakim rozpadzie mowa:

W niektórych przypadkach będziemy mieć do czynienia z rozpadem α. Medialnie znamy go przede wszystkim ze sprawy Aleksandra Litwinienki, byłego agenta KGB. Polon, którym otruto Litwinienkę w 2006 r., podlega takiemu właśnie rozpadowi. Rozpad α polega na wyrzuceniu z jądra dwóch protonów i dwóch neutronów, czyli tak zwanej cząstki α²Zasadniczo jest to po prostu jądro helu.. Rozpadowi temu ulegają na ogół ciężkie pierwiastki, które do stabilności potrzebują zdecydowanie więcej neutronów niż protonów – po pozbyciu się cząstki α, stosunek liczby jednych do drugich zdecydowanie się poprawia. Promieniowanie α jest bardzo niebezpieczne, jeżeli przedostanie się do naszego organizmu. Tu jednak kluczowe jest słowo „jeżeli” – zatrzymać je jest w stanie kartka papieru. Dlatego też – wracając do sprawy Litwinienki – polon musiał mu zostać podany w herbacie, tak, żeby wniknął do organizmu, a nikomu w okolicy nie stała się krzywda.

Rozpad beta

Bardziej interesujący jest rozpad β. Dzieli się on na dwa rodzaje: β+ oraz β−. W rozpadzie β− emitowane z jądra są: elektron oraz antyneutrino. W przypadku rozpadu β+ emitowane są pozyton oraz neutrino³O neutrinach, antyneutrinach itd. więcej będzie, gdy będziemy rozmawiać o budowie materii. Na razie warto wiedzieć, że są bardzo małe, lekkie, pozbawione ładunku, i niemalże nie oddziałują z materią.. Tak, tak, mamy tutaj do czynienia z najprawdziwszą antymaterią, co ma swoje konsekwencje, a nawet zastosowania praktyczne. Ale wróćmy jeszcze do faktu, że rozpad promieniotwórczy dotyczy jądra atomu. W jądrze są tylko protony i neutrony, a tu nagle pojawiają się też elektrony, pozytony i do tego jeszcze neutrina. Skąd? Otóż dodatnio naładowany proton może zmienić się w obojętny elektrycznie neutron.

Ponieważ w przyrodzie nic nie ginie, ta przemiana wiąże się z powstaniem pozytonu oraz neutrina, które w jądrze nie mają czego szukać, więc są natychmiast stamtąd emitowane. Odwrotnie, neutron może przemienić się w proton, emitując przy tym elektron i antyneutrino. Jak łatwo się domyślić, rozpad β− dotyczy jąder, w których neutronów jest za dużo, rozpad β+ dotyczy tych, w których neutronów brakuje. Cząstki β−, jako dużo mniejsze, są też (pojedynczo) mnie szkodliwe od cząstek α, za to są bardziej przenikliwe. A co z cząstkami β+? Ich „przenikliwość” jest praktycznie zerowa, ponieważ jako antyelektrony ulegają anihilacji przy spotkaniu dowolnego elektronu. Wiemy, że promieniotwórczość ma swoje zastosowania praktyczne. Powyższe zjawisko stosuje się w diagnostyce medycznej: PET to skrót od „pozytonowa tomografia emisyjna”. W skrócie – badanie polega na tym, że podaje się pacjentowi marker emitujący pozytony, które niemal natychmiast ulegają anihilacji, emitując dwa charakterystyczne i łatwe do wykrycia fotony.

Promieniotwórczość i neutrony

Kolejna możliwość to emisja neutronu. Jak sama nazwa wskazuje, polega ona na emisji jednego bądź kilku neutronów z jądra. W efekcie dostajemy inny izotop tego samego pierwiastka (ponieważ liczba protonów nie uległa zmianie) oraz promieniowanie neutronowe. Promieniowanie neutronowe uznawane jest za najgroźniejszy rodzaj promieniowania, jeśli chodzi o jego wpływ na żywe organizmy. Jest takie z kilku powodów. Przede wszystkim, neutrony stosunkowo trudno jest powstrzymać. To, co sprawdza się dobrze przy innych rodzajach promieniowania, czyli osłony z ołowiu, na neutrony działa niezbyt dobrze. W dużej mierze właśnie dlatego, że są one elektrycznie obojętne. Neutrony łatwiej wytracą energię, zderzając się z jądrami lekkich atomów. Problem polega na tym, że gdy już wytracą energię, z chęcią będą reagowały z jądrami innych atomów – na przykład przyłączając się do nich. Co za tym idzie, zmieni się stosunek protonów do neutronów i potencjalnie doprowadzi do rozpadu promieniotwórczego… Widzicie chyba, do czego to zmierza?

Zostały jeszcze dwie możliwości. Jeśli w jądrze jest zbyt wiele protonów w stosunku do liczby neutronów, jądro może wychwycić „orbitujący” wokół niego elektron. Prowadzi to do przekształcenia protonu w neutron i emisji neutrina. I wreszcie, najbardziej spektakularny proces: rozpad jądra. Dzieje się wtedy dokładnie to, na co nazwa wskazuje: z jednego, ciężkiego jądra powstają dwa (bardzo rzadko trzy) mniejsze i lżejsze. Przy okazji często dochodzi też do emisji neutronów. To jest właśnie proces, który odpowiada za cywilne i wojskowe zastosowania energii jądrowej. Reaktory i bomby jądrowe działają dlatego, że zachodzi w nich kontrolowany (bądź niekontrolowany) rozpad ciężkich jąder.

A w następnym odcinku: rozpadło się i po kłopocie? No, nie do końca…

Żródła:

https://www.foronuclear.org/en/nuclear-power/questions-and-answers/on-radiological-protection-and-radiation/what-is-radioactivity/

http://www.passmyexams.co.uk/GCSE/physics/stable-and-unstable-nuclei.html

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/radioactive-decay

https://chem.libretexts.org/Courses/can/intro/17%3A_Radioactivity_and_Nuclear_Chemistry/17.03%3A_Types_of_Radioactivity%3A_Alpha%2C_Beta%2C_and_Gamma_Decay

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Nuclear_Chemistry/Radioactivity/Nuclear_Decay_Pathways

Zainteresowało Cię to, co czytasz? Chcesz wiedzieć więcej? Śledź nas na Facebooku, i – pozwól, że wyjaśnię!