Trwałość izotopów

Streszczenie

Niektóre z naturalnie występujących izotopów są nietrwałe i ulegają rozpadom promieniotwórczym. Źródłem izotopów promieniotwórczych są m.in. wybuchy supernowych lub przemiany zachodzące w wyniku działania promieniowania kosmicznego. Rozpad radionuklidu może zachodzić z różną szybkością, którą charakteryzuje czas połowicznego rozpadu t_1/2. Przemiany promieniotwórcze mogą być jednakże wykorzystane przez człowieka w różnych dziedzinach nauki, medycyny i techniki.

Słowa kluczowe: izotopy, rozpady promieniotwórcze, okres półtrwania, zastosowanie promieniotwórczych izotopów.

1. Wprowadzenie

Promieniotwórczość kojarzy się uczniom przede wszystkim z pierwiastkami, które ciężko odnaleźć w układzie okresowym. Mówiąc o izotopach promieniotwórczych, często przychodzą nam na myśl ciężkie jądra atomowe, czyli takie, które posiadają więcej niż 83 protony w jądrze atomowym (Z > 83, Z - liczba atomowa pierwiastka chemicznego). Jednakże nietrwałe izotopy występują również wśród lżejszych pierwiastków.

W przyrodzie występuje naturalnie około stu izotopów promieniotwórczych. Natomiast znanych jest o wiele więcej, ponieważ ponad 3300! Dużo izotopów zostało wytworzonych przez człowieka w wyniku sztucznych przemian promieniotwórczych, np. bombardowania neutronami atomów w reaktorach jądrowych czy rozszczepiania ciężkich jąder. W tym artykule przyjrzymy się bliżej naturalnym radionuklidom - omówimy, skąd się biorą, jak długo są w stanie przetrwać i czy mają jakieś zastosowanie.

2. Okres półtrwania t_1/2

Na kursie w Lekcji 4 omawiamy dwa naturalne rozpady promieniotwórcze - rozpad α [czyt. alfa] oraz rozpad β⁻ [czyt. beta minus]. Polegają one odpowiednio na emisji cząstki α (czyli jądra ⁴₂He) oraz cząstki β⁻ (czyli elektronu ⁰₋₁e). Na schemacie 1 przedstawiono schematy rozpadów α i β⁻ dla izotopu bizmutu-213.

W przypadku rozpadu beta minus pojawia się tutaj dodatkowy produkt rozpadu, który w liceum często nie jest uwzględniany na schematach. Jest to antyneutrino elektronowe ν̅_e - cząstka o małej masie i zerowym ładunku, która słabo oddziałuje z materią. Jej powstanie gwarantuje, że podczas rozpadu zostaje zachowana m.in. zasada zachowania energii.

Zanim przejdziemy do omawiania, skąd biorą się izotopy promieniotwórcze i dlaczego ulegają rozpadowi, chciałabym tutaj uzupełnić Twoją wiedzę o przydatne pojęcie, jakim jest okres półtrwania t_1/2, zwany również czasem połowicznego rozpadu. Jest to czas, po którym połowa próbki danego izotopu ulegnie rozpadowi. Jeżeli zatem dysponujemy 1 g promieniotwórczego izotopu, to po upływie czasu t_1/2 zostanie go jedynie 0,5 g, ponieważ połowa uległa rozpadowi.

Jak zatem trwałe są naturalne radionuklidy? To zależy oczywiście od rozpatrywanego izotopu - okres półtrwania może wynosić zaledwie ułamki milisekundy (ok. 0,164 ms dla polonu-214), kilka dni (niecałe 4 dni dla radonu-222) lub nawet kilka miliardów lat (ok. 4,5 miliarda lat dla uranu-238).

3. Dlaczego niektóre izotopy się rozpadają?

Już wiemy, że niektóre z jąder atomowych ulegają rozpadowi. Czemu jednak tak się dzieje? W jądrze atomowym występują protony i neutrony - protony mają ładunek dodatni, zatem wzajemnie się odpychają. Natomiast oprócz sił odpychania pomiędzy protonami, w jądrze występuje jeszcze druga siła, która utrzymuje jądro atomowe w całości - jest to oddziaływanie zwane resztkowym silnym oddziaływaniem jądrowym. Dzięki niemu protony i neutrony są związane w jądrze atomowym. Działa ono jednak na niewielkie odległości w przeciwieństwie do sił odpychania protonów.

W przypadku ciężkich jąder atomowych ze względu na dużą liczbę protonów siły odpychania wzrastają, co może powodować niestabilność jądra. Co więcej, jeżeli liczba protonów względem neutronów jest niekorzystna, to jądro również może ulec rozpadowi.

4. Nietrwałe jądra atomowe

Skąd właściwie biorą się izotopy promieniotwórcze w przyrodzie? Odpowiedź brzmi: z kilku źródeł. Pierwszym takim źródłem są gwałtowne zjawiska, np. wybuchy supernowych. Izotopy takie jak uran-238, tor-232 lub potas-40 były obecne w materii, z której uformowała się Ziemia, zatem istnieją ok. 4,5 miliarda lat! Dzięki długim okresom półtrwania przetrwały do obecnych czasów m.in. w skorupie ziemskiej. Te radionuklidy nazywamy pierwotnymi.

Kolejnym źródłem są przemiany promieniotwórcze pierwotnych radionuklidów. W wyniku rozpadów naturalnych (przede wszystkim alfa i beta minus) z pierwotnych izotopów promieniotwórczych powstają kolejne jądra atomowe, które tworzą całe szeregi przemian i produktów rozpadów jądrowych. Na schemacie 3 pokazano szereg przemian promieniotwórczych, w wyniku których z pierwotnego radionuklidu uranu-238 powstaje stabilny izotop ołowiu-206.

Trzecią grupę stanowią izotopy promieniotwórcze, które powstają na skutek działania promieniowania kosmicznego. Są to tzw. radionuklidy kosmogeniczne. Promieniowanie kosmiczne oddziałuje z atmosferą ziemską, co prowadzi do powstania neutronów, które następnie mogą reagować np. z azotem i tlenem w powietrzu i tworzyć izotopy promieniotwórcze. Na schemacie 4 pokazano powstawanie trytu (wodoru-3) oraz węgla-14 w wyniku reakcji jąder azotu-14 z neutronami.

W ramach podsumowania tej części artykułu przygotowałam układ okresowy, w którym kolorami zaznaczone są pierwiastki posiadające izotopy należące do poszczególnych grup, wyróżnionych ze względu na ich pochodzenie.

5. Zastosowania nietrwałych izotopów

Jednym ze znaczących zastosowań naturalnych promieniotwórczych izotopów jest datowanie próbek, czyli określanie ich wieku. W tym celu można wykorzystać izotopy węgla-14 (określanie wieku materii organicznej), potasu-40 (datowanie skał wulkanicznych) lub uranu-238 (określanie wieku najstarszych skał i minerałów).

W przypadku materii organicznej po śmierci organizmu ustaje pobieranie przez niego węgla-14 ze środowiska. Rozpad promieniotwórczy tego izotopu zachodzi jednak ciągle (t_1/2 = 5730 lat), w wyniku czego jest możliwe przybliżone obliczenie momentu jego śmierci. Wiek próbek podaje się zwykle jako przedział wraz z określonym prawdopodobieństwem, ponieważ na przestrzeni lat ilość ¹⁴C w atmosferze ulegała zmianom, a wynik pomiaru zależy m.in. od jakości materiału pobranego do badań.

Naturalne radioizotopy można wykorzystać również do śledzenia erozji gleby (beryl-7) lub dopływu wód podziemnych (radon-222).

Wiele promieniotwórczych izotopów stosowanych w różnych dziedzinach życia to jednak izotopy wytworzone przez człowieka. Wykorzystuje się je np. do kontroli spawów i elementów konstrukcyjnych (iryd-192), pomiaru grubości materiału (krypton-85) czy diagnostyki (tomografia PET: fluor-18).

6. Podsumowanie

Izotopy promieniotwórcze to nietrwałe izotopy, które mogą występować naturalnie lub powstawać w wyniku działalności człowieka. Występujące na Ziemi radionuklidy mogą pochodzić z okresu jej formowania lub tworzyć się w wyniku naturalnych przemian promieniotwórczych radionuklidów pierwotnych lub wskutek oddziaływania promieniowania kosmicznego z jądrami atomowymi obecnymi w środowisku.

Nietrwałe jądra atomowe ulegają naturalnym rozpadom ze względu na energetycznie niekorzystną konfigurację jądra, wynikającą m.in. ze stosunku liczby protonów do liczby neutronów. W takim przypadku w zależności od izotopu zachodzi szybki lub wolny rozpad promieniotwórczy, którego szybkość jest określana poprzez wartość czasu połowicznego rozpadu t_1/2.

Promieniotwórcze izotopy można wykorzystać w określaniu wieku materii organicznej lub skał, śledzeniu erozji gleby lub dopływu wód podziemnych, a także w przemyśle, technice czy diagnostyce.