Poland

Poprzedni rozdział opowiadał o skalach wielkości obiektów. Koncentrowaliśmy się przede wszystkim na nanoskali oraz na podstawowych informacjach o molekułach, atomach i jądrach atomowych. Teraz pójdziemy o krok dalej – przyglądniemy się temu, co może dziać się z jądrem atomowym.
Jednym z najbardziej rozbudowanych działów fizyki jądrowej jest dział dotyczący radioaktywności - naturalnym zjawisku, któremu podlegają niektóre jądra. Radioaktywność jest wszędzie wokół nas: w glebie, przestrzeni kosmicznej, a nawet w nas samych. Wpływowi radioaktywności jesteśmy poddani bez przerwy, nie tylko wtedy, gdy musimy się prześwietlić za pomocą aparatu rentgenowskiego. Niezwykle ważną sprawą jest więc to, abyśmy zrozumieli na czym polega radioaktywność.
W obecnym rozdziale omówimy odkrycie radioaktywności, pokażemy, skąd ona się bierze oraz zilustrujemy jak oddziałuje z naszym otoczeniem.

Radioaktywność została odkryta w 1896 roku przez Henri Becquerela, podczas gdy wykonywał on doświadczenia z promieniowaniem rentgenowskim, czyli tzw. promieniowaniem X. Uważano wtedy, że materiały zawierające uran po zaabsorbowaniu światła słonecznego emitują promienie rentgenowskie. Becquerel zaplanował eksperyment mający potwierdzić to zjawisko - postanowił użyć kliszy fotograficznej, o której było wiadomo, że ulega zaczernieniu pod wpływem promieni X. W dniu eksperymentu niebo było zachmurzone, więc Becquerel założył, że eksperyment nie powiódł się. Na szczęście postanowił wywołać kliszę. Ku swojemu ogromnemu zdziwieniu stwierdził, że klisza zaczerniła się, pomimo braku słońca – materiał, który był w tę kliszę owinięty, emitował promieniowanie niezależnie od eksponowania go na słońce, co było sprzeczne z poprzednią hipotezą. W tej sytuacji uczony postanowił zbadać, czy zaczernienie spowodowane zostało promieniowaniem X, czy też innym rodzajem promieniowania. Umieścił więc materiał, czyli źródło, oraz kliszę fotograficzną w komorze próżniowej, która znajdowała się w polu magnetycznym – schemat układu eksperymentalnego pokazany jest na rysunku. Było wiadomo, że promienie rentgenowskie nie niosą ładunku – są neutralne, a więc nie będą zakrzywiane przez pole magnetyczne. Wynik był jednak inny, po wywołaniu kliszy okazało się, że promienie emitowane przez materiał poddany badaniu (źródło) zakrzywiają się w polu magnetycznym. Kiedy użył innego źródła, stwierdził, że promienie zakrzywiają się w przeciwną stronę. W przypadku próby z jeszcze innym materiałem nie zaobserwował żadnego zakrzywienia. Stało się oczywiste, że istnieją trzy rodzaje promieniowania emitowanego przez materiały: neutralne albo naładowane elektrycznie dodatnio lub ujemnie.
Wielu naukowców poświęciło swoją karierę na badanie tego nowego zjawiska, w tym Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie, którzy odkryli nowe pierwiastki promieniotwórcze polon i rad. Rutherford, odkrywca jądra atomowego, o którym przed chwilą mówiliśmy, także pracował nad radioaktywnością, badając różne rodzaje źródeł i ich właściwości. To właśnie Rutherford nadał nazwy różnym rodzajom promieniowania: alfa, beta i gamma, używając kolejnych liter alfabetu greckiego. O cząstkach alfa już wspominaliśmy jako o cząstkach użytych do badania wnętrza atomów złota przez Rutherforda, niemniej jednak teraz zajmiemy się nimi w sposób bardziej szczegółowy. Wiemy już, że źródłami radioaktywności mogą być związki uranu. Rodzi się pytanie: gdzie indziej można znaleźć radioaktywność i co to jest?

Wiemy, że niektóre pierwiastki są radioaktywne, a inne nie. Oznacza to, że radioaktywność jest generowana na poziomie atomowym. Musimy więc przyjrzeć się atomom, w szczególności jądrom atomowym, aby lepiej to wszystko zrozumieć.
Istnieją trzy rodzaje promieniowania pochodzącego z atomów promieniotwórczych: alfa, beta i gamma. Są to cząstki lub porcje (kwanty) energii emitowane z jądra atomu, jeżeli jądro jest niestabilne - można powiedzieć, że mamy do czynienia z rozpadem atomów ze względu na ich niestabilność.
Pojawia się pytanie: dlaczego niektóre atomy są niestabilne, a inne stabilne?
Odpowiedź będzie udzielona w dalszej części, natomiast teraz możemy po prostu powiedzieć, że to ze względu na liczbę nukleonów w jądrze, w szczególności ze względu na stosunek protonów do neutronów. Różne typy promieniowania są emitowane z atomów o różnych rodzajach niestabilności, stąd też różne źródła emitują różne promieniowanie.  
Własność nietrwałości nie jest jedynie cechą pewnych jąder atomowych. Nawet protony prawdopodobnie będą w końcu się rozpadały, jednak czas, w którym to nastąpi, to więcej niż 1034 lat! Tak więc z punktu widzenia skali ludzkiego życia na Ziemi, protony uważa się za stabilne.
Mamy już wyobrażenie o tym, czym jest promieniowanie, musimy się zatem zorientować, gdzie faktycznie można je zaobserwować.

Radioaktywność jest własnością nie tylko tych niebezpiecznych pierwiastków, o jakich mówiliśmy, czyli uranu lub radu. One są co prawda najsilniejszymi źródłami jakie znamy, ale radioaktywność występuje w dużo mniejszych ilościach w wielu innych miejscach. Promieniowanie, które Becquerel zidentyfikował jako wysyłane przez uran, emitowane jest również ze skał, przychodzi z kosmosu, z powietrza, którym oddychamy, z wody, którą pijemy, jest obecne w morzu, w którym pływamy, a także we własnym naszym ciele.
Możesz być zaskoczony tym, że Ty, jak i wszyscy ludzie jesteśmy radioaktywni. Możesz pewnie myśleć, że odpowiedzialne są za to nowe technologie, które ludzkość rozwinęła: elektrownie jądrowe, komputery, czy obrazowanie medyczne za pomocą promieni rentgenowskich lub magnetycznego rezonansu. Byłbyś jednak w błędzie. Tak długo, jak istnieje życie na Ziemi, wszystkie rośliny i zwierzęta były radioaktywne. Jest to częścią historii życia na ziemi. Przyjrzyjmy się zatem dokładniej, gdzie tak naprawdę znajduje się radioaktywność.

Ziemia

Pierwiastki promieniotwórcze są wszędzie wokół nas na Ziemi. Na przykład wiele minerałów, zwłaszcza granit, zawiera związki uranu. I rzeczywiście, w glebie i w skałach uran występuje w prawie tak dużej obfitości, jak metale takie jak cyna, cynk lub wolfram. Niemniej jednak inne pierwiastki radioaktywne, takie jak tor, są jeszcze bardziej powszechne – na Ziemi toru jest około trzy razy tyle co uranu. W XIX wieku, tuż przed tym jak zastąpiono oświetlenie gazowe oświetleniem elektrycznym, tlenek toru był używany w lampach gazowych w celu uzyskania dużej jasności światła. Tor ma swoje duże znaczenie także w 21 wieku - może być stosowany również jako paliwo w elektrowniach jądrowych.

Zdjęcie ilustruje zawartość uranu w skałach. Obok odważnika o wadze 10 kg, położone są trzy druciki o łącznej wadze 30 miligramów. Taki jest właśnie stosunek wagi uranu do wagi skały, która go zawiera.
Obecność uranu i innych materiałów promieniotwórczych w skałach jest więc łatwa do wykrycia – właśnie emitowane przez te materiały promieniowanie stanowi w dużej części to, co nazywamy promieniowaniem tła. Działaniu tego promieniowania tła pochodzącego z otoczenia, w którym żyjemy, jesteśmy poddani przez całe nasze życia, czy chcemy tego czy nie. Nasze organizmy mają sposoby radzenia sobie z tym zjawiskiem – będziemy o nim dyskutowali w kolejnych częściach. Zamieszczona mapa pokazuje rozkład promieniowania tła w Europie. Różnice pomiędzy obszarami wynikają głównie z różnic w rodzajach skał, które przeważają na terytorium danego państwa. Na przykład, w południowo-zachodniej Anglii grunt składa się głównie z granitu, a więc promieniowanie tła w tym obszarze jest wyższe niż w pozostałej części kraju, w której występuje głównie wapień. Z kolei obszary środkowej Francji mają bardzo wysoki poziom promieniowania z powodu obecności gazowego radonu, który ulatnia się ze skał. Oprócz skał istnieją inne naturalne źródła promieniowania, któremu jesteśmy poddani.

Space

In the Universe there are many sources of many types of radiation, including radio galaxies with superluminal (faster than the speed of light) jets, black holes and even just the planets in our own solar system. Astronomers use specialised telescopes to look for these types of radiation, which includes x-rays and gamma rays. These sources emit in all directions and even the radiation from objects hundreds of thousands of light years away can reach us eventually. What we detect as the errant sources of radiation is called cosmic rays. You will actually measure more cosmic rays the higher you climb. On the top of mountains, far more will be detected than at sea level as they have to pass through less atmosphere.
Cosmic rays are hard to escape and are sometimes a big annoyance to scientists. Occasionally, it is necessary to measure very faint radioactivity. This could be when studying very faint, very far away gamma sources, which emit only a tiny amount in our direction or even when studying the expansion of the universe and the microwave radiation that accompanies it.

It would be hopeless to measure very faint radioactivity on the surface of the Earth as it would be completely obscured by the abundant cosmic rays. That is why some experiments are located into deep mines a mile or so underground, always remembering to avoid granite with lots of uranium, of course. One experiment that requires such measures is detecting a type of fundamental particle, which will make an appearance later, called a neutrino.

The image on the right shows a neutrino detector situated 1.4 km below the top of a mountain, in Italy.

Seawater

As rivers flow over the rocks and soils, they carry with them all kinds of dissolved salts in the water. Over time, as water evaporates in the sun, the salts concentrate. Since most rocks contain some uranium, it is not surprising that the seas contain uranium salts too. This makes the sea somewhat radioactive, and not just because of the uranium, but among other substances there is 40K (pronounced potassium-40) too. This form of potassium is the main substance that makes our bodies radioactive.
On average, sea water contains about three milligrams of uranium in every thousand litres, i.e. every cubic metre. Not much, perhaps, but it is said that if the cost of extracting uranium from the sea could be reduced to about one tenth of what it is now, then uranium could be mined from the sea at a profit! If the present sources of uranium ever become used up, nuclear power plants might indeed run on uranium extracted from sea water.

In the air

The air we breathe contains a small amount of a radioactive form of carbon, known as 14C (pronounced 'carbon-fourteen'; you will see 14C written as carbon-14 in some books). Carbon-14 atoms are the result of the interactions of cosmic rays in the atmosphere. The cosmic rays undergo many transformations, which can include the production of thermal neutrons. These neutrons interact with the nitrogen-14 atoms in the atmosphere in a nuclear reaction that produces carbon-14 atoms and protons. These carbon atoms then go on to produce carbon dioxide molecules, which plants extract from the air in order to photosynthesise and make sugar and cellulose, thereby absorbing carbon-14 in the process. This is then passed onto us when we eat the plants, or even when we eat animals that have eaten these plants. The fact that all living things take in carbon-14 until the day they die can be used to date the remains of living things that have been in the ground for hundreds or thousands of years. This process requires thinking about the half life of the radioactive atoms, which will be covered later.

In us

Each day the food we eat contains two or three grams of potassium. This means that, for every kilogram of body weight, something like 50 potassium atoms decay and emit radioactive particles in our bodies every second! Also remember that when we eat plants (or animals that have eaten plants) we absorb carbon-14 atoms that are also radioactive. There will also be traces of other radioactive elements, even uranium. If you happen to swallow some sea water at the beach, you will take in a tiny amount of uranium, since all sea water contains some uranium.
We've already discussed how cosmic rays produce carbon-14, which is used to produce carbohydrates when ingested by plants and therefore animals, and ourselves. Carbon-14 has then entered the food chain and all living things can be exposed to it.

Large doses of radioactivity can be deadly and thousands of people died from radiation as a result of the nuclear bombs dropped on Japan in 1945. More recently, in 1986, 31 people were killed by radiation when the Chernobyl nuclear power plant in the Ukraine blew up. You can read more about these topics in the Benefits and Risks section and the History section.
The amounts of radiation that are known to damage health are far greater than the background radiation from cosmic rays, rocks etc. Any of our cells that might be damaged by these sources can repair themselves, as only a few will be damaged. For larger doses of radiation, a large number of cells are damaged beyond repair, which is why it can be dangerous.
We know that plants and animals have been living and evolving with radioactivity for billions of years. So whether radioactivity is dangerous depends on how much we receive. Even too much common salt can kill people, which is why people adrift on the ocean can die of thirst! As they say, too much of anything is a bad thing.
So how do we know how much radiation is ‘too much’? Firstly we need to understand the various types of radiation and how dangerous each is. We will discover the level radiation must be at to be dangerous in our section on activity and interaction with matter.

We found out what radioactivity actually is in the previous section: it is the decay of unstable atoms and the subsequent emission of a particle or energy. Now we will look at what makes an atom unstable and what types of radiation there are.

Isotopes

We know that atoms consist of a nucleus made of protons and neutrons with electrons orbiting the nucleus. We also know that atoms are electrically neutral, while ions, which have lost or gained electrons, are charged. The key to understanding radioactivity is in isotopes.
We have talked about carbon-14 being radioactive, while the regular carbon-12 is not. So how is carbon-14 different to carbon-12 ? The difference lies in their nuclei. For both atoms to be fundamentally carbon they must have the same number of protons, or the same atomic number. It is this that makes an element what it is. If we change the number of electrons the atom has it only makes the atom into an ion. Therefore we must change the number of neutrons. So we say that carbon-14 is an isotope of carbon-12, and merely has a difference of having an extra two neutrons in the nucleus, so a different mass but the same element overall.
There are many isotopes of every element. A famous example is deuterium, an isotope of hydrogen with one neutron and one proton. This can be used to make heavy water, which has many interesting uses including detecting neutrinos and moderating nuclear reactors.
Unstable isotopes are often very useful in medical procedures, and can be safely used because of their short lifetimes before they decay. A problem with this is that these substances cannot be found naturally on Earth and therefore must be manufactured in the hospitals in machines called cyclotrons, which accelerate atoms to extremely large speeds along a circular path using electromagnets. Cyclotrons are available in many different sizes, depending on the usage and the isotope being produced. In the machines nuclei are collided with charged particles and the necessary radioisotope is produced. The term radioisotope is used for isotopes that are unstable and radioactive.
The most stable versions of elements are the ones we list in the periodic table, as in the ones we find naturally and most commonly. However, they are only really common because of their stability; the unstable isotopes have decayed into other more stable elements, leaving the stable versions. So what makes one isotope more stable than another?

Stability

In the section concerning nuclei, be briefly mentioned that the nucleons were held together by the strong force, which overcame the electrostatic repulsion between the protons. This is the key to understanding the stability of nuclei. Both neutrons and protons are affected by the strong force, however only the protons act to repel each other, therefore the neutrons act to strengthen the force holding the nucleus together without adding to the electrostatic repulsion.
You may think that the more neutrons a nucleus has, the more stable it should be after what we have just discussed. However, this is not the case. Nuclei are only stable for a specific range of ratios of neutrons to protons, about 1-1.6. Outside these ratios, the nucleus will be unstable and decay. For example, nitrogen is stable and has a ratio of 1: it has 7 neutrons and 7 protons. On the other side of the range, lead, which is also stable, has 82 protons and 126 neutrons, with a ratio of 1.54. A graph showing the region of stability according to numbers of protons and neutrons is shown below.

It also mentions three decay mechanisms depending on where the nucleus lies on this graph. If a nucleus is proton deficient, it will undergo beta decay. However, if it is neutron deficient it will decay via the opposite way, positron (also called beta plus) decay. An alternative to this is a process called electron capture, whereby the nucleus “absorbs” an electron and the same result as beta plus decay is achieved. For very massive nuclei it is beneficial to lose mass when decaying, as in general, lighter nuclei are much more stable, so these nuclei will decay by emitting alpha particles (two protons and two neutrons). When atoms have undergone beta or alpha decay, they change the number of protons in the nucleus, thereby changing the element itself; a process called transmutation. You may have heard of a study scientists undertook before we understood elements called alchemy. Those scientists were trying to turn other substances into different elements, mainly gold, which is basically transmutation and what every unstable nucleus does, sometimes many times before becoming stable. Each of the decay mechanisms will be discussed further in the next section.

Binding Energy

A very important aspect of nuclear physics is binding energy. There are several types of binding energy but for our purposes we will look at nuclear binding energy. This is the amount of energy you would need to put into a nucleus for the nucleons to overcome their attraction and be separated into individual nucleons. The binding energy of a whole nucleus is lower than for the sum of its constituents, which is another way the nucleus is held together. It is more energetically favourable (i.e. the energy is lower) for nucleons to form and stay in nuclei rather than be separate. One concept within this branch is binding energy per nucleon.

There is a limit to the mass of a nucleus at which the strong force will no longer be able to hold on to the outermost nucleons. The largest nucleus known is that of uranium, which has 238 nucleons. However, even this nucleus is highly unstable, as we know uranium is radioactive, therefore it must undergo decay.
Alpha decay allows the nucleus to lose mass to improve stability by emission of an alpha particle, or helium nucleus. The emitting nucleus will lose four nucleons, two protons and two neutrons, and undergo transmutation due to loss of protons. These are the alpha particles that were used in Rutherford’s scattering experiment to probe atoms.
As we have said, alpha decay acts to decrease mass, however it is only feasible when binding energy per nucleon is not at a minimum, so for elements with nuclei heavier than nickel, however, it has only actually been observed for the most massive nuclei of element tellurium and above. Alpha decay is an example of a process called ‘quantum tunnelling’. The nucleus of an atom creates a well of potential energy, as shown in the diagram, which traps the alpha particle that already exists inside the nucleus.

The energy of the particle must be greater than the height of the well for the particle to escape the nucleus. In classical mechanics, it would not be possible for alpha decay to occur, as the alpha particles would never be able to leave the nucleus. However, quantum mechanics allows for this tunnelling, whereby there is a slight statistical chance that the alpha particle could exist outside the well, and so it can tunnel through the barrier and appear outside the nucleus.

One of the first characteristics used to differentiate between the types of radiation was how much material it could penetrate. Alpha particles are massive and have relatively low speeds, so are very likely to interact with any particles they come into contact with. This means they can only penetrate through a few centimetres of air, or a thin sheet of paper or aluminium.
There are many alpha sources, one of the most famous being uranium. Uranium decays by emitting an alpha particle (α) and transmutes into thorium, as shown by the equation below:

238U → 234Th + α

This is only the first step in the decay of uranium, as it will have to progress through many other stages to become completely stable.