Odkrycie promieniowania

Na przełomie XIX i XX wieku Henri Becquerel zaobserwował, iż substancje zawierające uran emitują promieniowanie zdolne zaciemnić płytę fotograficzną. Niedługo odkryte zostały kolejne pierwiastki emitujące promieniowanie: polon, rad i tor. Okazało się, że promieniowanie to ma trzy składowe nazwane alfa, beta i gamma. Promieniowanie alfa zostało zidentyfikowane jako jądra helu, beta jako elektrony, zaś gamma jako wysokoenergetyczne fale elektromagnetyczne. Okazało się również, że jądro emitujące promieniowanie beta lub alfa ulega przemianie w jądro innego rodzaju. Następuje jego rozpad.


Był rok 1896. Fizycy odkryli dopiero co promieniowanie rentgenowskie (zwane X). Odkrycie to, dokonane przypadkiem, wydało się wielu naukowcom wierzchołkiem góry lodowej. Zamierzali oni więc przebadać dokładnie różne zjawiska towarzyszące emisji promieniowania X. Jednym z takich zjawisk była fluorescencja (wysyłania przez niektóre ciała pobudzone naświetlaniem z zewnątrz własnego światła). Zjawiskiem tym zajął się Henri Becquerel.

Henri Becquerel w laboratorium.W swoim doświadczeniu Becquerel użył płyty fotograficznej owiniętej szczelnie dwoma nieprzepuszczającymi światła czarnymi arkuszami papieru. Na tak przygotowanej płycie położył substancję, która pobudzana światłem miała przejawiać zjawisko fluorescencji. Traf chciał, że ową substancją był kryształ siarczanu uranowo-potasowego (dziś uran kojarzy nam się z promieniowaniem, ale wtedy, przed odkryciem owego, pozostawał on zupełnie zwyczajnym minerałem). Układ poddawany był następnie wielogodzinnemu naświetlaniu promieniami słonecznymi. Becquerel zakładał, że w czasie fluorescencji kryształ siarczanu emitować będzie również promieniowanie X lub podobne do niego, które przeniknie przez czarny papier i spowoduje zaczernienie płyty fotograficznej. I udało się! Po zakończeniu doświadczenia i wywołaniu zdjęcia wyraźne zaczernienie było widoczne. Następnym krokiem była seria doświadczeń, w których naukowiec umieszczał różne przedmioty pomiędzy owiniętą płytą fotograficzną, a kryształem siarczanu. W ten sposób uzyskiwał on "zdjęcia" owych przedmiotów wykonane przy użyciu badanego promieniowania. Również i w tych doświadczeniach kryształy były pobudzane do fluorescencji światłem zewnętrznym.

Płyta po wywołaniu.Henri Becquerel chciał już powiadomić cały świat o odkryciu przez siebie "fluorescencyjnego promieniowania", jednak jego intuicja naukowca podpowiedziała mu, by sprawdził jeszcze jedną rzecz. Aby być pewnym, że to fluorescencja jest czynnikiem decydującym o wyniku doświadczenia, postanowił położyć płytę fotograficzną obok nieoświetlonego, a wiec nie wykazującego zjawiska fluorescencji kryształka siarczanu. Jakież było jego zdziwienie, gdy i tym razem wywołana płyta wykazywała wyraźne zaczernienie! Okazało się, że to nie fluorescencja, ale sam badany związek odpowiedzialny jest za powstanie dziwnego promieniowania, które przenikając przez papier powoduje zaczernienie płyty. Wkrótce Becquerel wykazał, że to uran zawarty w kryształku siarczanu jest źródłem owego efektu - inne substancje zawierające domieszki uranu powodowały zaczernienie, przy czym zupełnie nieistotne było, czy owe substancje miały zdolność fluorescencji, czy nie. Zjawisko to, nazwane promieniotwórczością, poruszyło ponownie świat naukowy. Badacze postawili sobie za cel odkrycie, czym jest owa tajemnicza promieniotwórczość i jakie ma ona cechy.

Maria Curie-Skłodowska z Piotrem w laboratorium.Dwa lata po odkryciu Becquerela Maria Skłodowska-Curie, wraz z mężem Piotrem, odkryła substancje, które są znacznie silniejszym źródłem promieniowania niż uran. Substancje te okazały się zawierać zupełnie nowe pierwiastki. Pierwsza z nich została nazwana radem, zaś druga na cześć ojczyzny Marii polonem.

Wkrótce naukowcy badający uran, rad, polon i odkryty niedługo później przez Ernesta Rutherforda (tak, tego samego, który kilka lat później zaproponował planetarny model atomu) tor zaobserwowali, iż promieniowanie nie ma natury jednorodnej i w przyrodzie występują trzy rodzaje promieniowania, nazwane: alfa, beta oraz gamma. Promieniowanie alfa jest najmniej przenikliwe i łatwo podlega absorpcji, mając trudności z przeniknięciem nawet przez cienką kartkę papieru. Drugi rodzaj, promieniowanie beta, z łatwością przeniknie nawet przez grubą gazetę, lecz centymetrowej grubości płyta aluminiowa stanowi dla niego przeszkodę nie do pokonania. Najbardziej przenikliwe promieniowanie gamma jest zatrzymywane dopiero przez dość grube warstwy ołowiu. Przenikliwość jednakże to nie jedyna cecha rozróżniająca trzy rodzaje promieniowania. Zapewne pamiętasz o tym, że obiekty obdarzone ładunkiem elektrycznym przechodząc przez obszar pola magnetycznego zakrzywiają tor swego ruchu, przy czym kierunek owego zakrzywienia jest różny w zależności od znaku ładunku. Otóż po przepuszczeniu promieniowania przez obszar pola magnetycznego okazało się, że promieniowanie typu alfa zakrzywiane jest w stronę, w którą zakrzywiane powinny być obiekty obdarzone ładunkiem dodatnim, promieniowanie beta w stronę przeciwną, zaś promieniowanie gamma nie jest zakrzywiane wcale. Wniosek - cząstki alfa, czymkolwiek by nie były, muszą nieść dodatni ładunek elektryczny, cząstki beta muszą nieść ujemny ładunek elektryczny, zaś promieniowanie gamma nie jest obdarzone ładunkiem elektrycznym.

Promieniowanie przechodzi przez materię.Promieniowanie przechodzi przez materię.

Na przełomie wieków fizycy mieli opanowaną umiejętność pomiaru stosunku ładunku do masy dla różnych cząstek materii. Robili to wykorzystując pole magnetyczne oraz pole elektryczne, które to pola wpływają na tor poruszających się w ich zasięgu naładowanych cząstek materii. Po odpowiednim wykorzystaniu obu pól oraz prostych przekształceniach wzorów z zakresu szkoły średniej (patrz tutaj) udaje się wyznaczyć ów stosunek. Po przeprowadzeniu doświadczenia okazało się, iż cząstka promieniowania alfa ma stosunek ładunku do masy dwa razy mniejszy niż cząstka zjonizowanego wodoru (zjonizowany wodór to jądro wodoru, a jądro wodoru to zwyczajny pojedynczy proton). Niedługo później w sąsiedztwie substancji promieniotwórczej odkryto cząstki helu. I wszystko ułożyło się w spójną całość. Okazuje się, że tajemnicze cząstki promieniowania alfa to nic innego jak jądra helu, które są cztery razy cięższe od jądra wodoru i obdarzone dwa razy większym ładunkiem (stąd stosunek ładunku do masy dwa razy mniejszy niż dla wodoru). Jądro substancji promieniotwórczej emituje jądro helu (cząstkę alfa). Po emisji jądro ma ładunek mniejszy o dwa ładunki protonu (dwa protony zostały wysłane wraz z jądrem helu). Jądro po emisji jest więc innego rodzaju niż przed emisją.

Zagięcie toru w zewnętrznym polu magnetycznym.Zagięcie toru w zewnętrznym polu magnetycznym.

Podobne badania przeprowadzono dla promieniowania beta. W tym wypadku okazało się, że stosunek ładunku do masy cząstki beta jest identyczny z owym stosunkiem wyznaczonym dla elektronu (który sam został odkryty zaledwie rok przed odkryciem promieniowania). Cząstka beta jest więc elektronem emitowanym przez jądro atomowe. W wyniku emisji jądro atomowe zwiększa swój ładunek o jeden (aby zgodnie z zasadą zachowania ładunku elektrycznego ładunek całego układu nowe jądro - elektron pozostał równy ładunkowi jądra sprzed rozpadu) i staje się jądrem innego rodzaju. Skąd w jądrze był elektron i w jaki sposób jądro zwiększa swój ładunek? Dziś już wiemy, że rozpad ten tak naprawdę jest przemianą jednego z neutronów siedzących w jądrze w elektron, proton i coś, o czym dowiesz się na kolejnych stronach tego serwisu... Elektron z rozpadu neutronu opuszcza jądro, zaś proton w nim zostaje zwiększając jego ładunek o jeden ładunek protonu.

Rozpad alfa Rozpad beta

Czymże jest jednak promieniowanie gamma? Przypomnijmy, że jest ono bardzo przenikliwe i nie jest obdarzone ładunkiem elektrycznym. Okazuje się, że w przeciwieństwie do promieniowania beta i alfa, gamma nie ma natury cząsteczki materii. Jest natomiast, podobnie jak zwykłe światło widzialne, promieniowaniem elektromagnetycznym. Jednak długość fal tego promieniowania jest znacznie mniejsza niż długość fal dla światła widzialnego.


Notki biograficzne: Becquerel || Skłodowska-Curie


Czy wiesz, że...

Oprócz promieniowania beta w przyrodzie istnieje również promieniowanie beta plus, gdzie zamiast emisji elektronu z jądra emitowany jest tzw. anty-elektron, cząstka do złudzenia przypominająca elektron, jednakże obdarzona ładunkiem dodatnim!


Więcej na ten temat:

› O promieniotwórczości
› Alfa, beta i gamma
› eduseek.pl
› Wiedza i Życie