ATOM - promieniotwórczość

| promieniowanie α | promieniowanie β | promieniowanie γ | czas połowicznej przemiany | zegar węglowy |                  

Promieniowanie α β γ :^[±²] 

O trwałości jąder atomowych decydują głównie dwie siły: siły spójności jądra, w których szczególną rolę pełni para proton-neutron i siły odpychania kulombowskiego jednoimiennych protonów. Wraz z wzrostem wielkości jądra siły odpychania rosną szybko (skutek zwiększania ilości protonów), szybciej niż przeciwstawiające się im siły spójności. Dla ciężkich jąder (o liczbie masowej większej od 100), szczególnie w niekorzystnym dla trwałości jądra przypadku znacznego nadmiaru ilości neutronów nad protonami, może dochodzić do samorzutnej przemiany jądrowej (izotopy promieniotwórcze) polegającej na wyrzuceniu z jądra atomu elektronu (β^-), pozytonu (β+), cząstki α (jądro helu) - czemu towarzyszy elektromagnetyczne promieniowanie γ. Niektóre izotopy promieniotwórcze lżejszych atomów otrzymuje się sztucznie, lub, jak np. radioaktywny izotop węgla ¹⁴C, powstają  pod wpływem promieniowania kosmicznego (patrz zegar węglowy). 
    Rozpad promieniotwórczy jąder atomowych jest reakcją pierwszego rzędu, tzn. że w reakcji bierze udział jedna cząsteczka, a konsekwencją tego jest stała wartość czasu połowicznej przemiany. Czas połowicznej przemiany, oznaczany jako t_0,5 jest to czas, w którym przemianie ulegnie dokładnie połowa wyjściowej ilości substancji. Zatem po czasie połowicznej przemiany pozostanie niezmieniona 1/2 wyjściowej ilości promieniotwórczego izotopu, po dwóch okresach t_0,5 pozostanie 1/2 z 1/2 czyli 1/4, po następnym t_0,5 1/8 itd. Czas połowicznej przemiany przyjmuje wartości w bardzo szerokim zakresie - od paru sekund do tysięcy lat. Znając wartość t_0,5 konkretnej reakcji rozpadu jądra możemy oznaczyć jego ilość w czasie przeszłym A (zasada obliczania czasu "zegarem węglowym") lub obliczyć jego ilość po pewnym czasie (A_x). Do obliczeń stosujemy wzór:

    Promieniowanie α  stanowią cząstki o liczbie masowej 4 i ładunku +2 (jądra helu). Ze względu na swą olbrzymią masę i rozmiary, cząstki mają zasięg niewielki (liczony w centymetrach) i równie niewielką przenikliwość (nawet kartka papieru może być skuteczną zasłoną przed tym promieniowaniem). Pierwiastki α-promieniotwórcze groźne są szczególnie wtedy, gdy dostaną się do organizmu, zostaną wbudowane w tkanki i tym sposobem przed długi czas będą oddziaływać niekorzystnie na organizm.
Jądro emitując cząstkę α zmienia się w pierwiastek o liczbie atomowej o 2 mniejszej, w izotop o liczbie masowej o 4 mniejszej od wyjściowego atomu.

  Promieniowanie β^-  stanowią elektrony. Zasięg mają znacznie większy niż α (liczony w metrach) i również większą przenikliwość (lecz osłona z pleksi [szkła organicznego] stanowi już dostateczne zabezpieczenie). Groźne są w sposób analogiczny do pierwiastków α-promieniotwórczych.
Jądro emitując cząstkę β- zmienia się w pierwiastek o liczbie atomowej o 1 większej, gdyż wyrzucając elektron z jądra zamienia jeden neutron w proton. Otrzymany izotop ma liczbę masową identyczną z atomem wyjściowym.
       Promieniowanie β⁺  stanowią pozytony (dodatnie elektrony). Właściwości analogicznie jak β^-
Jądro emitując cząstkę β⁺ zmienia się w pierwiastek o liczbie atomowej o 1 mniejszej od wyjściowego atomu, gdyż wyrzucając dodatni elektron z jądra zamienia jeden proton w neutron. Otrzymany izotop ma liczbę masową identyczną z atomem wyjściowym.

Promieniowanie γ    stanowią fale elektromagnetyczne o dużej energii. Tym sposobem jądro "reguluje" różnice energetyczne między energią wyjściowego atomu a sumą energii promieniowania korpuskularnego (masowego α, β) i atomu potomnego.
Jądro emitując promieniowanie γ nie zmienia ani liczby atomowej ani masowej. 
Jest to promieniowanie o dużej przenikliwości (skuteczną osłoną są grube warstwy ciężkich metali) i dalekim zasięgu. Pochłonięcie przez organizm żywy większej dawki promieniowania prowadzi do zmian genetycznych, zwiększenia zachorowalności na choroby nowotworowe, wystąpienia choroby popromiennej, a przy szczególnie dużych dawkach do  szybkiego zgonu. Tę zdolność do niszczenia materii żywej (szczególnie młodych komórek w etapie wzrostu) wykorzystano do niszczenia komórek nowotworowych, które ze względu na swą fazę rozwoju są szczególnie podatne na niszczące działanie promieniowania jonizującego. 

Czas połowicznej przemiany

- okres półtrwania, okres połowicznej przemiany - czas, w którym ulegnie przemianie (reakcji) połowa wyjściowej ilości substratu. W przypadku przemiany promieniotwórczej, przebiegającej według równania reakcji pierwszego rzędu, czas połowicznej przemiany jest stały, niezależny od ilości (zawartości) promieniotwórczego izotopu, co pozwala obliczyć pozostałość po upływie n okresów połowicznej przemiany jako 0,5ⁿ,  np. po 4 t_0,5  pozostanie 0,5⁴ czyli 1/16 (około 6%) początkowej ilości substratu (izotopu promieniotwórczego). Zależność tę wykorzystuje się w procesie obliczania wieku niektórych przedmiotów na podstawie tzw. zegara węglowego.

Zegar węglowy

- to określenie na sposób obliczania wieku przedmiotów wykonanych z tworzyw będących niegdyś materią ożywioną. 
Azot zawarty w atmosferze ziemskiej jest bombardowany przez elektrony promieniowania kosmicznego i pod ich wpływem przechodzi w β-promieniotwórczy izotop węgla ¹⁴C, bowiem elektron "zobojętnia" jeden proton w jądrze i ₇N przechodzi w  ₆C:

¹⁴N + e^-——>  ¹⁴C

Przy założeniu, że w oznaczanym okresie ilość azotu w atmosferze i natężenie promieniowania kosmicznego nie ulegało znaczącym zmianom, można przyjąć, że również stężenie izotopu ¹⁴C w przyrodzie jest stałe. Ponieważ związki zawierające węgiel ¹⁴C, analogicznie jak związki z węglem ¹²C, krążą w przyrodzie i są pobierane przez organizmy żywe, również w przyrodzie ożywionej stężenie ¹⁴C jest stałe, tak długo jak długo żyją organizmy (np. drzewo, jak długo pobiera CO₂ z atmosfery). W momencie wyłączenia danego organizmu z łańcucha obiegu węgla w przyrodzie (ścięcie drzewa, lnu, konopi itp.) zawarty w nich węgiel ¹⁴C, jako pierwiastek promieniotwórczy, już tylko zanika powoli ze stałym okresem półtrwania wynoszącym  5570 lat. Zakładając, że stężenie izotopu ¹⁴C w momencie ścięcia drzewa było identyczne jak obecnie i określając na podstawie pomiaru natężenia promieniowania aktualne stężenie węgla ¹⁴C w badanym materiale można, znając okres półtrwania, obliczyć czas jaki upłynął np. od momentu ścięcia drzewa, z którego wykonano przedmiot.