Sztuczna promieniotwórczość, izotopy promieniotwórcze, reakcje jądrowe
Promieniotwórczość naturalna towarzyszy przemianom jądrowym nietrwałych izotopów pierwiastków występujących w Przyrodzie. W 1934 roku Irena i Fryderyk Joliot-Curie zauważyli, że bombardowanie cząstkami α niektórych niepromieniotwórczych pierwiastków (np. glinu czy boru) powoduje, że przez pewien czas po ustaniu bombardowania pierwiastek staje się źródłem innego promieniowania. Zjawisko to nazwano sztuczną promieniotwórczością. Przyczyną tego zjawiska jest wytwarzanie promieniotwórczych nuklidów w napromieniowywanym materiale, co jest wynikiem zachodzenia tzw. reakcji jądrowych. W 1919 roku Ernest Rutherford zaobserwował, że napromieniowywanie azotu cząstkami a prowadzi do powstawania izotopu tlenu 17O. Była to pierwsza zaobserwowana reakcja jądrowa, której schemat ilustruje Rysunek 35. Reakcje jądrowe realizują marzenie średniowiecznych alchemików o transmutacji (przemianie) jednych pierwiastków w drugie, chociaż trzeba przyznać, że ewentualna realizacja tego celu na skalę praktyczną byłaby trudna, a w każdym razie bardzo kosztowna.
Rysunek 35. Pierwsza zaobserwowana reakcja jądrowa.
Tą samą reakcję można też zapisać inaczej:
Izotop tlenu 17O nie jest izotopem promieniotwórczym, dlatego też nie każda reakcja jądrowa prowadzi do powstania sztucznej promieniotwórczości. W jednym z doświadczeń prowadzonych przez Irenę i Fryderyka Joliot-Curie, w którym cząsteczkami α napromieniowano glin, dochodziło do reakcji jądrowej, którą opisuje rówanie:
Powstający izotop 30P jest nietrwały i ulega przemianie β+ zgodnie z równaniem:
co staje się przyczyną zjawiska sztucznej promieniotwórczości.
Przykładem reakcji jądrowych są reakcje, które zachodzą we wnętrzach gwiazd, a więc i w naszym Słońcu (Rysunek 36). Procesy te zachodzą w temperaturach około 15-20 milionów stopni, co zapewnia energię potrzebną na to, aby dwa dodatnie jądra mogły pokonać siły odpychania i zbliżyć się do siebie na dystans rzędu 10-15 m co jest warunkiem zajścia reakcji jądrowej.
Rysunek 36. Reakcje jądrowe w wnętrzu Słońca (
- deuteron).
- deuteron).Można wskazać wiele różnych typów reakcji jądrowych, z których kilka ilustrują Rysunki 37 - 40. Termin „target” (tarcza) na poniższych rysunkach oznacza jądro, które jest „ostrzeliwane” jądrami wywołującymi reakcję jądrową.
Rysunek 37. Wzbudzenie jądra atomowego w procesie zderzenia.
Rysunek 38. Pochłonięcie jądra przez jądro tarczy.
Rysunek 39. Reakcja pochłonięcia jądra z emisją jądra lekkiego.
Rysunek 40. Kruszenie jądra.
Szczególnie ważny typ reakcji jądrowych, to reakcje wywoływane przez neutrony (Rysunek 41).
Rysunek 41. Oddziaływanie neutronów z jądrami.
Dwa kolejne Rysunki 42 i 43 ilustrują możliwe konsekwencje oddziaływań neutronów z jądrami atomowymi.
Rysunek 42. Odbicie neutronu od jądra.
Rysunek 43. Pochłonięcie neutronu przez jądro.
Naświetlanie substancji neutronami, co realizowane jest w reaktorach atomowych, to metoda produkcja izotopów promieniotwórczych, które stosowane są w nauce, technice i medycynie.
Reakcja rozszczepienia jądra atomowego (Rysunek 44) jest podstawą działania reaktorów atomowych i broni jądrowej.
Rysunek 44. Rozszczepienie jądra 235U pod wpływem pochłonięcia neutronu.
Zwróćmy uwagę, że jeżeli reakcja rozszczepienia jądra 235U zajdzie w materiale, w którym będzie dużo takich jąder, to neutrony powstałe w jej wyniku mogą spowodować rozszczepienie kolejnych jąder. W takim materiale rozpocznie się zatem lawinowo narastający proces, w którym liczba jąder rozszczepianych w jednostce czasu będzie coraz większa. Jest to tzw. reakcja łańcuchowa (Rysunek 45).
Rysunek 45. Reakcja łańcuchowa.