Rozpady jądrowe i promieniowanie jonizujące

Promieniotwórczość

Pobierając niewielką próbkę gleby w dowolnym miejscu na świecie znajdziemy w niej całkiem sporą liczbę radioaktywnych izotopów. Związane jest to z tym, iż w naszym otoczeniu występuje bardzo dużo różnych pierwiastków, a co za tym idzie – także ich izotopów.

Promieniotwórczość (zwana też radioaktywnością) jest ogólnym pojęciem określającym zdolność do spontanicznej emisji promieniowania przez jądro atomowe.

Jądro atomowe, podobnie jak każde ciało fizyczne, nie jest obiektem statycznym. Zachodzące w jego wnętrzu zjawiska powodują, iż jądro danego izotopu może być stabilne lub niestabilne. Wśród poznanych dotychczas ok. 3 tys. różnych izotopów, jedynie ok. 260 to izotopy trwałe, które nie ulegają przemianom. Pozostałe izotopy mogą samorzutnie przekształcić się (rozpaść) w izotopy innych pierwiastków. Rozpady te mogą być również sztucznie indukowane przez człowieka, ale w zdecydowanej większości przypadków nietrwałe jądra ulegają samoczynnym rozpadom, z różnym prawdopodobieństwem.

Z prawdopodobieństwem rozpadu jądra związane jest pojęcie czasu połowicznego zaniku (zwanego też okresem półrozpadu), po którym połowa jąder z początkowej ich liczby rozpadła się. Czas połowicznego zaniku jest wielkością charakteryzującą dany izotop promieniotwórczy i w zależności od izotopu może wynosić od ułamków sekund do miliardów lat.

Idea czasu połowicznego zaniku

Izotopy promieniotwórcze (zwane także radioizotopami) wykorzystuje się powszechnie na potrzeby medycyny, nauki czy przemysłu. Można je uzyskać ze źródeł naturalnych lub wytworzyć sztucznie za pomocą odpowiednich technik. W przyrodzie występuje wiele różnego rodzaju radioizotopów, które są stałym składnikiem wody, powietrza i gleby. Stanowią one ważny element tzw. promieniotwórczości naturalnej.

Rozpady jądrowe

Niestabilne izotopy mogą rozpadać się w różny sposób. Wśród rozpadów jądrowych najważniejszymi są rozpad alfa (α), rozpad beta (β) oraz rozpad gamma (γ).

Rozpad α jest charakterystyczny przeważnie dla jąder ciężkich, u których wraz ze wzrostem liczby masowej maleje energia wiązania pojedynczego nukleonu. Rozpad ten polega na emisji z jądra cząstki α, czyli jądra helu-4, składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Dzięki temu liczba masowa jądra zmniejsza się o 4.Obecnie znanych jest ok. 400 jąder ulegających rozpadowi α, w tym ok. 280, dla których jest to rozpad główny. Strumień cząstek α jest nazywany także promieniowaniem α, które jest krótkozasięgowe i bardzo łatwo pochłaniane przez materię.

Rozpad alfa (α)

Rozpad β polega na przekształceniu znajdującego się w jądrze neutronu w proton lub, rzadziej, protonu w neutron. W pierwszym przypadku (β–) emitowany jest ujemnie naładowany elektron i antyneutrino, w drugim (β+) dodatnio naładowany pozyton (zwany antyelektronem) i neutrino. Elektron lub pozyton, emitowane przez jądro, nazywane są cząstkami beta. Uwalniane promieniowanie beta jest umiarkowanie silnie pochłaniane przez materię – zatrzymać je może np. cienka aluminiowa blacha.Rozpad β zmniejsza (β+) lub zwiększa (β–) liczbę atomową jądra, nie zmieniając jego liczby masowej.

Rozpad beta (β)

Rozpad γ polega na emisji przez jądro wysokoenergetycznej fali elektromagnetycznej, zwanej także fotonem bądź kwantem gamma. Zjawisko to następuje w sytuacji, gdy jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu o energii niższej, podczas którego różnica w energii emitowana jest właśnie w postaci fotonu. Taki rozpad nie zmienia liczby masowej ani atomowej jądra. Towarzyszy on często rozpadom α i β, po których jądro pozostało w stanie wzbudzonym.

Rozpad gamma (γ)

Promieniowanie jonizujące

Przechodzeniu naładowanej cząstki przez materię towarzyszy zjawisko jonizacji, czyli oddzielenia elektronów od jąder atomowych. W związku z tym używa się popularnego określenia promieniowanie jonizujące. Przykładami są tu wspomniane uprzednio promieniowanie alfa i beta z uwagi na posiadanie przez te cząstki ładunku elektrycznego.

Wyszczególnia się także promieniowanie jonizujące nie wprost, takie jak promieniowanie gamma, z uwagi na fakt nieposiadania ładunku przez foton. W takiej sytuacji jonizacja następuje dopiero po przekazaniu swojej energii innej cząstce naładowanej (najczęściej elektronowi).

Oprócz wspomnianych trzech podstawowych typów promieniowania jonizującego wyróżniamy także inne, mniej znane: mionowe, protonowe i wiele innych. Do grupy promieniowania jonizującego nie wprost, oprócz kwantów gamma, zaliczyć można też promieniowanie X (rentgenowskie) oraz promieniowanie neutronowe, które występuje wewnętrzu reaktorów jądrowych.

Zjawisko jonizacji przekłada się bezpośrednio na skutek biologiczny jaki może wywołać promieniowanie. Miarą energii zdeponowanej w wyniku aktów jonizacji w organizmie jest dawka, która w powszechnej świadomości określa stopień napromienienia. Dawki jednorazowe poniżej 100 mSv nie wywołują skutków zdrowotnych, lecz dawki powyżej 1000 mSv mogą być już bardzo niebezpieczne.

Z uwagi na występujące promieniowanie naturalne oraz procedury medyczne (np. zdjęcia rentgenowskie), przeciętny Polak otrzymuje roczną dawkę równą około 3,4 mSv/rok. Jest to ok. tysiąckrotnie więcej niż może maksymalnie wynosić roczna dawka tuż przy płocie elektrowni jądrowej.

Dawka od naturalnego promieniowania gamma w różnych regionach Polski. Największą dawkę rejestruje się w Sudetach