Promieniowanie jądrowe i rozpady

🎯 Po co Ci to?

Niestabilne jądra samorzutnie się rozpadają, wysyłając promieniowanie. Zrozumienie typów rozpadów to podstawa medycyny nuklearnej, datowania i ochrony radiologicznej.

✅ Czego się nauczysz

• wymieniać właściwości promieniowania jądrowego; opisywać rozpady alfa, beta i powstawanie gamma;
• [rozszerzenie] posługiwać się pojęciem jądra stabilnego i niestabilnego.

📘 Wyjaśnienie

Niestabilne jądra ulegają rozpadom promieniotwórczym, emitując:

• promieniowanie α — jądra helu $^{4}_{2}\text{He}$ (ciężkie, słabo przenikliwe — zatrzyma je kartka);
• promieniowanie β — elektrony (lżejsze, bardziej przenikliwe — zatrzyma blacha);
• promieniowanie γ — fotony o wielkiej energii (najbardziej przenikliwe — potrzeba ołowiu/betonu).

📐 DEFINICJA — rozpady: rozpad α: jądro emituje cząstkę α ($^{4}_{2}\text{He}$); $Z$ maleje o 2, $A$ o 4. rozpad β: jądro emituje elektron; neutron zamienia się w proton, więc $Z$ rośnie o 1, $A$ bez zmian. promieniowanie γ: jądro wzbudzone oddaje nadmiar energii jako foton (bez zmiany $A$ i $Z$).

💭 Pomyśl: Promieniowanie α jest najmniej przenikliwe (zatrzyma je kartka papieru). Czy to znaczy, że jest niegroźne?

Sprawdź odpowiedź

Na zewnątrz ciała — mało groźne (zatrzymuje je naskórek). Ale gdy źródło α dostanie się do wnętrza organizmu (wdychanie, połknięcie), staje się bardzo niebezpieczne — całą swoją energię oddaje lokalnie tkankom, silnie je jonizując. Mała przenikliwość nie znaczy „nieszkodliwe" — znaczy „groźne z bliska". Stąd ostrożność z izotopami α-promieniotwórczymi.

[rozszerzenie] Jądra stabilne i niestabilne. Dwa rodzaje rozpadu beta

📐 DEFINICJA [R] — jądro stabilne i niestabilne: jądro stabilne nie ulega samorzutnemu rozpadowi — trwa dowolnie długo (np. $^{12}{6}\text{C}$). Jądro niestabilne (promieniotwórcze) ma niekorzystny stosunek liczby neutronów do protonów albo nadmiar energii i prędzej czy później samorzutnie się rozpada, emitując promieniowanie (np. $^{14}{6}\text{C}$). Ten sam pierwiastek może mieć więc izotopy stabilne i niestabilne.

Opisany wyżej rozpad beta to dokładniej rozpad β⁻, typowy dla jąder z nadmiarem neutronów: w jądrze neutron zamienia się w proton, a jądro wyrzuca elektron (oraz antyneutrino). Liczba masowa $A$ się nie zmienia, liczba atomowa $Z$ rośnie o 1:

$$^{A}{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A}{Z+1}\text{Y} + \text{e}^{-} + \bar{\nu}.$$

Jądra z nadmiarem protonów ulegają natomiast rozpadowi β⁺: proton zamienia się w neutron, a jądro wyrzuca pozyton (antycząstkę elektronu, §12.12) oraz neutrino. Liczba masowa $A$ znów się nie zmienia, ale $Z$ tym razem maleje o 1:

$$^{A}{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A}{Z-1}\text{Y} + \text{e}^{+} + \nu.$$

Przykład: $^{18}{9}\text{F} \rightarrow\ ^{18}{8}\text{O} + \text{e}^{+} + \nu$. Bilans się zgadza — liczby masowe: $18 = 18$; ładunek: po lewej $9e$, po prawej $8e$ (tlen) $+\ 1e$ (pozyton) $= 9e$.

Właśnie na emiterach β⁺ — m.in. na fluorze-18 — opiera się badanie PET (§12.9). Wyrzucony pozyton przebiega w tkance ułamek milimetra i anihiluje z napotkanym elektronem (§12.12), dając dwa fotony $\gamma$ rozbiegające się w przeciwne strony. To te pary fotonów rejestruje skaner, odtwarzając z nich miejsce rozpadu. Stąd pełna nazwa metody: pozytonowa tomografia emisyjna.

📐 Definicje tej lekcji

• Promieniowanie α, β, γ — jądra helu / elektrony / fotony; rosnąca przenikliwość.
• Reguły przesunięć: α ($Z{-}2, A{-}4$), β ($Z{+}1, A$ bez zmian), γ (bez zmian $A$, $Z$).
• [R] Jądro stabilne / niestabilne — nierozpadające się / rozpadające się samorzutnie (promieniotwórcze).
• [R] Rozpad β⁻ / β⁺ — neutron → proton + elektron ($Z{+}1$) / proton → neutron + pozyton ($Z{-}1$).

📌 Najważniejsze w pigułce

• Trzy rodzaje promieniowania: α (jądra He), β (elektrony), γ (fotony) — rosnąca przenikliwość.
• Rozpad α: $Z{-}2, A{-}4$; β: $Z{+}1$; γ: bez zmiany składu.
• [R] Rozpad β ma dwie odmiany: β⁻ ($Z{+}1$, elektron) i β⁺ ($Z{-}1$, pozyton — podstawa badania PET).

🎒 Zadania

Zadanie 12.7.1. Jądro $^{226}_{88}\text{Ra}$ ulega rozpadowi α. Jakie jądro powstaje?

Pokaż rozwiązanie

Rozpad α: $Z$ maleje o 2 (→ 86), $A$ o 4 (→ 222). Powstaje $^{222}_{86}\text{Rn}$ (radon).

🔍 Sprawdź, czy umiesz

• [ ] Opisać promieniowanie α, β, γ i reguły przesunięć w rozpadach.
• [ ] [R] Odróżnić jądro stabilne od niestabilnego; opisać rozpady β⁻ i β⁺ wraz z bilansem $A$ i $Z$.

---