Przemiana $\alpha$ (alfa)

Rozpad (lub przemiana) $\alpha$ to samorzutny proces emisji z wnętrza jądra cząstki $\alpha$, która składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, czyli jest jądrem pierwiastka – helu ${}_2^4\text{He}$.

Zapis przemiany $\alpha$:

W przemianie $\alpha$ liczba masowa jądra zmniejsza się o 4, $A\to A-4$, a liczba atomowa zmniejsza się o 2, $Z\to Z-2$. Wskutek tej przemiany część energii wiązania jądra zamienia się w energię kinetyczną cząstki $\alpha$. Energia wyzwolona wskutek różnicy mas jąder początkowego i końcowego (przypomnij sobie pojęcie defektu masy w rozdziale 3.2. Własności jąder atomowych) stanowi głównie energię kinetyczną cząstki $\alpha$.

Przykład przemiany $\alpha$, zapisany w postaci zbliżonej do równania reakcji chemicznej:

Przemiana $\beta$ (beta)

Rozróżniamy dwie wersje przemiany $\beta$: przemianę ${\beta }^{-}$ oraz przemianę ${\beta }^{+}$. W obu przypadkach przemiana polega na samorzutnej emisji, z wnętrza jądra, elektronu (przemiana ${\beta }^{-}$) lub pozytonu (przemiana ${\beta }^{+}$). Emitowanej cząstce $\beta$ towarzyszy jeszcze jedna cząstka, o której piszemy nieco dalej (O „cząstce-widmie” w przemianie , czyli co to są neutrina).

Przemianie ${\beta }^{-}$ podlegają te jądra atomowe, które mają nadmiar neutronów w stosunku do jąder stabilnych o tej samej liczbie masowej $A$. Z kolei przemianie ${\beta }^{+}$ podlegają takie jądra, które mają nadmiar protonów w stosunku do jąder stabilnych o tej samej liczbie masowej $A$.

Zapis przemiany ${\beta }^{-}$:

Zapis przemiany ${\beta }^{+}$:

Symbolem $e^{-}$ oznaczony jest tu elektron, zaś symbolem $e^{+}$ pozyton. Wskutek tej przemiany część energii jądra zamienia się w energię kinetyczną wyemitowanych cząstek.

W przemianie $\beta$ liczba masowa jądra się nie zmienia, a liczba atomowa zmniejsza się lub zwiększa o 1:

• przemiana ${\beta }^{-}$  $Z\to Z+1$,
• przemiana ${\beta }^{+}$  $Z\to Z-1$.

Przykład przemiany $\beta$:

Przemiana $\gamma$ (gamma)

W przemianie $\gamma$ z wnętrza jądra atomowego emitowane są fotony, czyli kwanty promieniowania elektromagnetycznego. Przemiana $\gamma$ jest na ogół następstwem przemiany $\alpha$ lub $\beta$. Jądro powstałe w wyniku tych przemian znajduje się najczęściej w stanie wzbudzonym (przypomnij sobie pojęcie stanu wzbudzonego atomu omówione w rozdz. 2.4. Budowa atomu). Oznacza to, że dysponuje ono swoistą „nadwyżką” energii, którą może wypromieniować na zewnątrz, właśnie w postaci kwantu promieniowania gamma, czyli fotonu.

W przemianie $\gamma$ nie zmieniają się liczba masowa jądra i liczba atomowa. Zmienia się natomiast stan wzbudzenia jądra. Zdarza się, że już po emisji jednego kwantu gamma jądro atomowe osiąga stan podstawowy i przestaje być $\gamma$-promieniotwórcze. Częściej jednak przejście z początkowego stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, odbywa się etapami – jądro emituje kilka fotonów jeden po drugim, w bardzo krótkich odstępach czasu (rzędu nawet ${10}^{-12}\text{s}$), przechodząc po każdej emisji do stanu coraz mniej wzbudzonego. Uwzględniamy to w zapisie przemiany $\gamma$:

w którym symbol z gwiazdką, ${\text{X}}^{*}$, oznacza jądro wzbudzone, zaś $n$ – liczbę fotonów $\gamma$ wyemitowanych w trakcie przechodzenia do stanu podstawowego.

Przykład przemiany $\beta$, której towarzyszy przemiana $\gamma$:

${}_{27}^{60}\text{Co}{\to }_{28}^{60}{\text{Ni}}^{*}+e^{-}$; ${}_{28}^{60}{\text{Ni}}^{*}{\to }_{28}^{60}\text{Ni}+2\gamma$

Energia fotonów emitowanych w trakcie przemian jądrowych $\gamma$ jest znacznie większa (o kilka rzędów wielkości) od energii fotonów światła widzialnego, a nawet od energii nadfioletu. Te ostanie to wielkości rzędu kilku elektronowoltów, podczas gdy najmniejsza energia fotonów $\gamma$ jest wielkością rzędu dziesiątek kiloelektronowoltów, a największa sięga nawet dziesięciu megaelektronowoltów.

Tak ogromna energia kwantów powoduje możliwość ich wykorzystywania w wielu sytuacjach, w których światło widzialne byłoby zupełnie nieprzydatne. Z drugiej jednak strony obcowanie z kwantami o tak wysokiej energii wymaga stosowania odpowiednich środków bezpieczeństwa. Zagadnienia te będą omawiane w rozdziale 3.9. Oddziaływanie promieniowania jądrowego z materią; jego detekcja i jego wpływ na organizmy żywe naszego kursu.

Tablica nuklidów. Ścieżka stabilności (podsumowanie i rozszerzenie wiadomości o przemianach promieniotwórczych)

W naukach przyrodniczych obowiązuje zasada systematyzowania i klasyfikowania poznawanych obiektów. Przypomnij sobie, dla przykładu, podstawowe informacje o trzech znanych układach klasyfikujących stosowanych w biologii, w chemii i w astronomii.

Gdy odkryto, że wchodzące w skład atomu jądro składa się z protonów i neutronów, to niemal oczywistym pomysłem na klasyfikację jąder atomowych było przyjęcie dwuwymiarowego diagramu. Na jego osiach odkłada się liczbę protonów $Z$ oraz liczbę neutronów $N$, składających się na jądro atomowe. Diagram ten nazywany jest tablicą nuklidów i zawiera informacje o wszystkich znanych jądrach atomowych, stabilnych, promieniotwórczych, zarówno występujących naturalnie na Ziemi, jak i wytworzonych sztucznie w laboratoriach.

Z tablicy nuklidów można odczytać wiele ciekawych i istotnych informacji o jądrach atomowych.

Jak układają się stabilne jądra atomowe?

Stabilne jądra atomowe zaznaczono na tablicy nuklidów kolorem czarnym. Układają się one w dość wąskim obszarze. Pokrywa się on – dla jąder lekkich – z przerywaną linią $N=Z$. Jednak im bardziej masywne jądro, tym obszar stabilności bardziej odchodzi od tej linii, układając się nad nią. Dlaczego tak się dzieje?

W miarę zwiększania się liczby atomowej $Z$ do zapewnienia stabilności jądra potrzebna jest nadwyżka neutronów w jądrze nad protonami. Wynika to z coraz silniejszego odpychania elektrostatycznego między coraz liczniejszymi protonami.

Najcięższe stabilne jądra atomowe, o $Z\approx 80$, zawierają około 120 neutronów. Tak więc stosunek $N/Z$ dla tych jąder jest zbliżony do 1,5. Przykładem jest tu jądro ołowiu ${}_{\text{82}}^{\text{208}}\text{Pb}$. W jego okolicach kończy się znana nam ścieżka stabilności.

Gdzie znajdują się jądra $\alpha$-promieniotwórcze?

Większość jąder $\alpha$-promieniotwórczych zajmuje obszar na przedłużeniu ścieżki stabilności w prawo i w górę, choć należy pamiętać, że w tym obszarze znajdują się także jądra $\beta$-promieniotwórcze. Przemianie $\alpha$ podlegają jądra, w których liczba dodatnio naładowanych protonów jest tak duża, że ich odpychanie elektrostatyczne nie może zostać w pełni skompensowane obecnością neutronów i przyciąganiem sił jądrowych. W takiej sytuacji pozbycie się czwórki nukleonów, w tym dwóch protonów, jest energetycznie korzystne dla układu.

Wskutek przemiany $\alpha$ jądro pozbywa się dwóch protonów $\text{(}Z\to Z-2\text{)}$ oraz dwóch neutronów $\text{(}N\to N-2\text{)}$. W rezultacie jądro zbliża się do ścieżki stabilności (kierunek jego „przemieszczenia” zaznaczono w zwiększonej skali niebieską strzałką, obok ścieżki stabilności), niemal równolegle do niej. Kilkakrotna przemiana $\alpha$ (towarzyszą temu na ogół przemiany ${\beta }^{-}$) doprowadza niestabilne początkowo jądro do ścieżki stabilności – staje się ono jądrem stabilnym.

Gdzie leżą jądra $\beta$-promieniotwórcze?

Jądra $\beta$-promieniotwórcze odnajdziemy po obu stronach ścieżki stabilności, choć pamiętać należy, że w tym obszarze znajdują się także nieliczne jądra $\alpha$-promieniotwórcze. Ponad ścieżką stabilności i w lewo od niej mamy jądra podlegające przemianie ${\beta }^{-}$, zaś pod ścieżką i w prawo od niej znajdują się jądra podlegające przemianie ${\beta }^{+}$. Należy zwrócić uwagę, że określenia „neutrononadmiarowe” i „protononadmiarowe” nie dotyczą prostego porównania liczebności protonów i neutronów w jądrze. Nadmiar określa się tu w stosunku do ścieżki stabilności.

Wskutek przemiany ${\beta }^{-}$ jeden z neutronów wewnątrz jądra neutrononadmiarowego zamienia się w proton (towarzyszy temu emisja elektronu). W efekcie jądro przemieszcza się ku ścieżce stabilności po linii stałej liczby masowej $A$, praktycznie prostopadłej do ścieżki stabilności (przemieszczenie to zaznaczono w powiększonej skali niebieską strzałką). Zamiana neutronu w proton jest w takim jądrze energetycznie korzystna, gdyż masa neutronu jest większa od masy protonu i taka przemiana najczęściej prowadzi do zwiększenia energii wiązania układu. Dlatego proces ten zachodzi spontanicznie.

Analogiczny opis można także przedstawić dla jąder protononadmiarowych.

Jakie znamy izotopy azotu? Które z nich są stabilne?

Spójrzmy na fragment tablicy nuklidów, powiększony wokół $Z=7$ (taka jest właśnie liczba atomowa azotu). Z tego fragmentu możemy się wiele dowiedzieć.

Azot ma dwa stabilne izotopy (pokazane na czarnym tle): ${}_{\text{7}}^{\text{14}}\text{N}$ oraz ${}_{\text{7}}^{\text{15}}\text{N}$. Podano przy nich ich procentową zawartość w azocie występującym naturalnie na Ziemi. Możemy odczytać także analogiczne informacje dotyczące pozostałych pierwiastków, widocznych na naszym fragmencie tablicy nuklidów. Ich stabilne izotopy także pokazano na czarnym tle.

Azot ma cztery izotopy ${\beta }^{+}$-promieniotwórcze, oznaczone kolorem niebieskim (tak jak izotopy pozostałych pierwiastków, podlegające przemianie ${\beta }^{+}$). Ma on także cztery izotopy ${\beta }^{-}$-promieniotwórcze, oznaczone kolorem pomarańczowym. Przy izotopach niestabilnych podano tzw. czas połowicznego ich zaniku, o którym będziemy mówić w następnym rozdziale. Kursywą oznaczono te izotopy, których czas połowicznego zaniku jest krótszy niż 1/1000 sekundy, czyli takich, które – z „ludzkiego” punktu widzenia – rozpadają się natychmiast.

Cztery „wolne” miejsca oznaczają konfiguracje nukleonów nietworzące w ogóle stanu związanego. Przykładem takiej konfiguracji jest układ dziewięciu protonów i pięciu neutronów.

Na szczególną uwagę zasługuje izotop węgla ${}_{\text{6}}^{\text{14}}\text{C}$ – czas jego połowicznego zaniku wynosi ponad 5700 lat, czyli jest zaskakująco długi. Ta właściwość oraz to, że węgiel jest wszechobecnym składnikiem organizmów żywych, pozwala wykorzystywać ten izotop w... archeologii. Służy on do określania wieku szczątków organicznych znajdywanych w wykopaliskach. Więcej na ten temat opowiemy w następnym paragrafie.