Promieniowanie

Pod koniec XIX wieku Thomson i Rutherford zajmowali się badaniem zjawiska jonizacji gazów naświetlanych promieniami odkrytymi przez Becquerela. W czasie doświadczenia Rutherford odkrył, że istnieją w zasadzie dwa rodzaje tego promieniowania - jedno, nazwane alfa, było łatwo absorbowane, nawet przez kartki papieru; i drugie, nazwane beta, mogło przenikać nawet przez grube blachy metalowe (na przykład przez 0,25 centymetrów aluminium). Wkrótce wykryto również trzeci rodzaj promieniowania - wyjątkowo przenikliwego, mogącego nawet przenikać przez kilku centymetrowe warstwy ołowiu. Nadano mu nazwę gamma. Następne lata upłynęły naukowcom na wyjaśnianiu natury tych trzech rodzajów promieniowania. Promienie alfa - mało przenikliwe, jak się okazało składają się z dodatnio naładowanych cząsteczek (odchylają się w polu magnetycznym w tą samą stronę co inne dodatnie cząsteczki). Okazało się że stosunek q/m (ładunku do masy) tych cząsteczek jest dwa razy mniejszy niż stosunek q/m dla jąder wodoru. Naukowcy wysnuli wniosek, iż cząsteczki alfa składają się z jąder helu - mają one masę równą 4*(masa wodoru) i ładunek dodatni 2*e. (jak wiemy jądro helu składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów).
Cząsteczki beta, znacznie bardziej przenikliwe, dają się odchylać w polu elektrycznym i magnetycznym, w taki sposób iż cząstki te muszą mieć ładunek ujemny. Po dalszych badaniach naukowcy doszli do wniosku, iż cząsteczki beta to po prostu elektrony.
Trzeci rodzaj promieniowani, promieniowanie gamma, okazał się być promieniowaniem elektromagnetycznym (podobnie jak światło), o długości fali mniejszej od 10-11 metra. Różne pierwiastki promieniotwórcze wysyłają te trzy promieniowania w różnej ilości. Dlaczego jądra atomowe pierwiastków emitują promieniowanie alfa, beta i gamma. Jak wcześniej wspomnieliśmy zwiększając ilość nukleonów w jądrze od pewnego momentu siły odpychania kolumbowskiego (pomiędzy protonami) biorą górę nad przyciągającymi silnymi siłami jądrowymi. Jądro takie jest niestabilne i prędzej, czy później rozpadnie się.
Niestabilne jądro emituje cząsteczkę alfa lub beta zamieniając się w inne jądro. Oznaczmy odpowiednio jako A i Z liczbę masową i liczbę atomową atomu przed rozpadem. Jądro helu (cząsteczka alfa) składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Jeżeli więc rozpadający się atom emituje cząsteczkę alfa, liczba masowa atomu pochodnego wyniesie A-4, a liczba atomowa Z-2. Przemianę tą można zapisać schematycznie. Przemiana ta zachodzi oczywiście zgodnie z zasadą zachowania ładunku i energii. Ładunek jądra wyjściowego równy jest ładunkowi jądra pochodnego i cząstki emitowanej. Natomiast masa jądra wyjściowego równa jest masie jądra pochodnego, masie cząstki wyemitowanej oraz, zgodnie z równaniem Einsteina E=mc2, energii wydzielonej podczas rozpadu podzielonemu przez c2. Cząstki alfa wydzielone w czasie rozpadu mogą następnie zderzać się z atomami ośrodka jonizując je. Efekt ten wykorzystywany był często przy wielu doświadczeniach. W końcu cząstka alfa ulega zobojętnieniu i przechodzi w atom helu. Drugiego typu przemianami są przemiany beta. W czasie tych przemian jądro emituje elektron.
Skąd w jądrze elektron? Jak w ogóle zachodzi ta przemiana? Naukowcy w latach dwudziestych starali się odpowiedzieć na to zagadnienie. Jednak odkryli tylko kolejne sprzeczności i niewiadome. Dopiero w 1931 roku Wolfgang Pauli wytłumaczył ten proces. Stwierdził on, iż w czasie przemiany beta w jądrze jeden z neutronów zmienia się w proton, elektron i neutrino (dziś zwane antyneutrinem). Ono również wylatuje z atomu. Cząstka ta nie ma masy spoczynkowej i ładunek równy zeru. Teorią tą zajął się Enrico Fermi. Pierwsze próby doświadczalnego potwierdzenia tej teorii miały miejsce dopiero w roku 1953.
Promieniowanie gamma, jak już wiemy to wysoko energetyczne fotony. Bardzo często pojawiają się one razem z innymi rodzajami promieniowania. Jądro atomowe zbudowane jest nieco podobnie do całego atomu - nukleony zawarte w nim znajdują się również na pewnych orbitach. W momencie, gdy któryś nukleon znajdzie się na wyższej orbicie, może przeskoczyć na niższą, wolną, emitując przy okazji foton gamma. Nukleon może znaleźć się na wyższej orbicie po wyemitowaniu przez jądro jakiejś cząstki. Dlatego promieniowanie gamma tak często towarzyszy innym rodzajom promieniowania.