Kako je Anri Bekerel otkrio radioaktivne zrake?Pojava da H-zraci izazivaju fluorescenciju navela je (1896. godine) fizičara Anri Bekerela na ideju da ispita da li materije koje jako fosforesciraju i fluoresciraju, same po sebi emituju H-zrake. Ovu zavisnost Bekerel je htio da ispita na uranovim rudama, za koje je tvrdio da stalno u mraku fluoresciraju. Sa ispitivanjima počeo je jednog oblačnog dana. Ovaj francuski naučnik je bio mrzovoljan jer nije mogao da obavi željeni eksperiment. Narednih dana bilo je sunca u izobilju i on je obavio čitavu seriju eksperimenata. Iz laboratorije svoga oca uzeo je sudić sa jednom supstancom koja jako fluorescira kada se izloži sunčevoj svjetlosti. On bi jednu fotografsku ploču dobro umotao u crnu neprovidnu hartiju sprečavajući da sunčevi zraci neposredno dopru do nje pa je ovako izlagao dejstvu sunčeve svjetlosti. Hartija je dobro štitila fotografsku ploču i poslije razvijanja nikakvi crni tragovi na njoj se nisu mogli konstatovati. Međutim kada je u toku izlaganja ploče na njoj stajala bočica sa uranovom soli, fotografska ploča je pokazivala zacrnjenje tačno na onom mjestu gdje se bočica nalazila. Time je zaključio da uranova so fluorescira pod dejstvom svjetlosti. Već se unaprijed veselio pri pomisli kako će narednoj sjednici Akademije nauka moći saopštiti rezultate o čudnovatim prodornim zracima. Bio je i mrzovoljan jer je htio da eksperiment provjeri posljednji put, a sunca kao za pakost nije bilo. Ne samo toga dana, nego ni sledećih dana sunce se nije pojavljivalo. Kišni oblaci su prekrivali nebo i fotografska ploča je, dobro umotana u crnu hartiju, ležala u fioci pisaćeg stola. Na njoj je spokojno počivala bočica sa uranovom soli. Nakon nekoliko dana sunce se pojavilo, Bekerel je otišao u laboratoriju, izvadio ploču iz mračnog pisaćeg stola i iznenadio se: na razvijenoj ploči spazio je mrlju, crnju i veću nego ikad ranije. Pade mu odjedanput na pamet da uranova so šalje ove prodorne zrake i onda kada nema fluorescencije i kada nije izložena sunčevoj svjetlosti. Da bi se uvjerio u novo otkriće ponovio je još jedanput isti postupak. Ponovo je zapazio crne mrlje tačno na mjestima na kojima su stajale bočice, a zacrnjenje je bilo srazmjerno količini uranove soli.
Zaključak je bio jasan: u prirodi postoje supstance koje odašilju iz sebe prodorne zrake. Tako su bili otkriveni prvi radioaktivni (bekerelovi) zraci a za ovo otkriće Bekerel je dobio Nobelovu nagradu.
Otkriće radioaktivnih elemenataUzrok Bekerelovim zracima nije tada bio poznat. To je dalo povoda pariskoj hemičarki Mariji Kiri, po narodnosti Poljakinji, da i ona otpočne istraživanje uranovih i drugih preparata koji otpuštaju ovakve zrake. Već poslije godinu dana ona je utvrdila da mineral uranit emituje pet puta jače zrake nego čist elemenat uran. U saradnji sa svojim suprugom, Pjerom Kirijem, Marija je započela istraživanje sastojaka uranita hemijskom analizom. Ona je utvrdila da se uranit sastoji iz uranovog oksida i još nekih jedinjenja i elemenata među kojima se nalazi i bizmunt.
Veoma je značajno da je Marija pomoću osjetljivog elektroskopa uz primjenu piezoelektriciteta i jonizacije vazduha aktivnošću supstancije, mjerila zračenje pojedinih frakcija dobijenih iz uranita. Takvim mjerenjem ona je utvrdila da bizmunt dobijen iz uranita ima 60 puta jače zračenje nego čist uran.
Zajedno sa svojim suprugom Marija je zaključila da to zračenje nastaje uslijed prisustva nekog nepoznatog elementa koji ona naziva polonijum. Danas se taj elemenat naziva radijum. Nezavisno od Šmita koji je 4. aprila 1898. godine u Erlangenu otkrio da i elemenat torijum zrači isto kao i uran, Marija je do tog otkrića došla 12. aprila 1898. godine i o tome izvijestila Akademiju nauka u Parizu. Zatim je 26. decembra te iste godine objavila da talog barfijum-sulfata dobijen iz uranita ima još veću moć zračenja od polonijuma usred prisustva jednog nepoznatog elementa. Ona je tom elementu dala ime radijum i predložila da se elementi koji zrače Bekerelove zrake nazivaju radioaktivni elementi a to njihovo svojstvo radioaktivnost. Zraci koji emituju radioaktivni elementi otada se nazivaju radioaktivni zraci. Pošto je francuski naučnik Debiern 1899. godine takođe otkrio jedan radioaktivni elemenat i nazvao ga aktijum, to znači da je već početkom HH vijeka bilo poznato pet radioaktivnih elemenata:U, Th, Po, Ac i Ra. Među ovima radijum je bio poznat kao važno terapijsko sredstvo za liječenje raka.
Kasnije je ustanovljeno da su svi elementi iznad rednog broja 83 u Periodnom sistemu elemenata radioaktivni. Izuzetak čine lakši elementi kao što su kalijum, ribidijum, lutecijum i drugi,koji takođe ispoljavaju radioaktivno svojstvo ali u manjoj mjeri. Veliki broj naučnika je radio na otkrivanju prirodne radioaktivnosti. Oni su ustanovili da do tog zračenja dolazi spontano i stalno bez ikakvih spoljašnjih uticaja i da brzina zračenja ne zavisi od temperature,pritiska i slično.
Radioaktivnost i priroda radioaktivnih zrakaRadioaktivnost je spontani proces u kojem se atomsko jezgro, emitujući jednu ili više čestica ili kvanta elektromagnetnog zračenja, preobražava u drugo jezgro. To je nuklearna pojava tj. svojstvo nekih hemijskih elemenata, odnosno njihovih izotopa da emituju nevidljive čestice i zrake velike energije koji potiču iz atomskog jezgra. Opšte svojstvo radioaktivnih zraka je da djeluju na fotografsku ploču, da prodiru kroz razne materijale izvjesnih debljina, da izazivaju jonizaciju gasova i fluorescenciju raznih tijela.
Prvobitno nije bila poznata priroda zračenja nego se zbirno govorilo o radijaciji pa je ova pojava “raspada” jezgra nazvana radioaktivnost. Raspadom početnog jezgra, koje se naziva i jezgro roditelj, nastaje novo jezgro, potomak, koje može da ima redni broj Z i maseni broj A različit od jezgra roditelja.
Istražujući radioaktivne supstance u prirodi, naučnici su vrlo brzo otkrili da radioaktivna zračenja, koja ove odašilju, mogu biti trojaka i prozvali su ih prema tri slova grčke azbuke: alfa, beta i gama.
Alfa- i Beta-zrake1. Alfa-zrakeZa alfa-zrake utvrđeno je da su slični kanalskim zracima, dakle, korpuskularne su prirode. Pošto se iz pozitivno naelektrisanih čestica razumljivo je da skreću u električnom i magnetnom polju po istim zakonima kao i kanalski zraci. Ovo je Raderford zaključio na osnovu toga što je primjenom Tomsonove metode mogao da odredi njihovo specifično naelektrisanje
, gdje je
naelektrisanje
-čestice, a
masa, i iznosi
odnosno
.
To su čestice koje se kreću kroz vazduh brzinom 20.000km u sekundi, i izazivaju snažnu jonizaciju gasa. U magnetnom polju, alfa čestice neznatno skreću u lijevo (kao pozitivno naelektrisane relativno teške čestice).
Prema tome masa
-čestice je jednaka četvorostrukoj masi atoma vodonika što odgovara masi jednog atoma helijuma. Identičnost
-čestice sa helijumom eksperimentalno su dokazali Raderford i Rojds 1909. godine. To su čestice koje se sastoje iz dva protona i dva neutrona, što znači da im je naelektrisanje +2e, a masa im je četiri puta veća od mase protona odnosno neutrona. Izletanjem iz supstancije alfa-čestice jonizuju vazduh i time se usporavaju. One imaju relativno malu prodornu moć, pa ih može zaustaviti list hartije ili aluminijska folija debljine 0,006 mm.
Uslijed velike mase i relativno male brzine alfa-čestice na svom putu kroz vazduh obrazuje veliki broj jonskih parova uz utrošak određene energije. Put na kome one vrše jonizaciju naziva se domet alfa-čestica. Na kraju dometa (koji iznosi 3-4 cm) alfa-čestice prelaze u neutralne atome helijuma. Domet alfa-čestica zavisi i od vrste radioaktivne supstancije kaja ih emituje. Ove čestice djeluju na fotografsku ploču (na kojoj ostavljaju kratke i široke tragove) i izazivaju fluorescenciju na nekim supstancijama.
2. Beta-zrakeMasa beta-čestica jednaka je masi elektrona. Naelektrisanje beta-čestica po veličini i znaku takođe se poklapa sa naelektrisanjem elektrona. Prema tome beta-čestice nisu ništa drugo nego brzi elektroni, koje emituje atom radioaktivnog elementa.
Brzina beta-čestica vrlo je velika i dostiže u nekim slučajevima 99% brzine svjetlosti.
Energija beta-čestica iznosi do nekoliko MeV. Sve beta-čestice koje emituje jedan radioaktivni elemenat nemaju istu energiju, već se ona kreće od nule do neke mah vrijednosti. Najveći broj ovih čestica ima neku srednju energiju.
Pauli (1932) je pretpostavio da se prilikom beta raspada emituje još jedna čestica, koju je on nazvao neutrino. I zaista, pokazalo se da je Pauli bio u pravu, jer je ovu česticu eksperimentalno otkrila (1956) grupa američkih fizičara. Zbir energije neutrina i odgovarajuće beta čestice jednak je maksimalnoj energiji beta čestice.
Kasnije proučavanja vještačke radioaktivnosti pokazala su da postoji još jedna vrsta beta čestice. Ove čestice imaju istu masu kao elektroni, ali su pozitivno naelektrisane elementarnom količinom naelektrisanja. Ove čestice se nazivaju pozitroni.
Sva ispitivanja su pokazala da se beta-zraci ponašaju slično katodnim zracima. To je ukazivalo da je i njihova priroda ista. Da bi dokazao sličnost između beta i katodnih zraka Bekerel je mjerio skretanje zraka u električnom i magnetnom polju i na osnovu toga odredio njihovu brzinu i naelektrisanje.
Beta-zraci mogu proći kroz list hartije debljine 1mm dok ih zaustavlja aluminijska pločica debljine 5mm. Domet beta-čestice u vazduhu je oko 100 puta veći nego alfa-čestice. Interesantno je da su beta-čestice slabiji jonizatori gasova.
Njihov trag na fotografskoj ploči je znatno tanji i duži da se po tome lako identifikuju.
S obzirom na velike brzine kojima se kreću, njihova masa je znatno veća nego masa elektrona u mirovanju, i izračunava se pomoću Ajnštajnove relacije:
gde je
– masa beta-čestice u kretanju,
– masa beta-čestice u mirovanju,
– brzina beta-čestice i
– brzina svjetlosti.
Energije beta-čestica su vrlo različite i zavise od vrste radioaktivne supstance koja ih emituje. Zbog manje mase, oni u električnom i magnetnom polju više skreću od alfa-čestica. Beta-čestice skreću na suprotnu stranu od alfa-čestica.
Mjerenje mase alfa i beta-česticaMjerenje mase alfa i beta-čestica nešto je složenije nego mjerenje mase jona, s obzirom na to što se brzina ovih čestica ne može odrediti. Da bi se ova teškoća prevazišla, potrebno je mjeriti skretanje čestica u električnom i magnetnom polju. Šema uređaja koji služi u tu svrhu prikazana je na slici broj 5.
Sl.br.5 Šema uređaja za mjerenje
mase i brzine naelektrisanih česticaSnop alfa ili beta-čestica,koje emituje radioaktivni izvor S, prolazi između ploča kondenzatora K, koje imaju oblik kružnih segmenata. U prostoru između ovih ploča vlada jako električno polje. Smjer ovog polja može se mijenjati prekidačem P. Čestica koja se kreće putanjom označenom isprekidanim linijama upada u maseni spektograf, prolazi kroz otvor A na dijafragmi D i pod dejstvom homogenog magnetnog polja B pada na fotografsku ploču F.
Detaljnije ću razmotriti kretanje ove čestice. Između ploča kondenzatora K na česticu djeluje električna sila qE. Da bi se čestica kretala po kružnoj putanji,između ploča kondenzatora,ove električna sila mora biti u dinamičkoj ravnoteži sa centrifugalnom silom, treba da bude
Gdje je m-masa čestice, r-poznati poluprečnik kružnih segmenata kondenzatora K, q-naelektrisanje čestice, E-jačina električnog polja. Sve čestice koje nemaju brzinu koja zadovoljava uslov, tj. brzinu
neće se kretati putanjom označenom isprekidanom linijom na slici, niti će dospjeti u maseni spektograf. Mjerenjem rastojanja AC određuje se poluprečnik r putanje čestice u homogenom magnetnom polju. Ovaj poluprečnik povezan je sa brzinom kretanja čestice relacije , odakle je ; s brzinom na relaciji (3), odnos mase i naelektrisane čestice:
.
Gama-zraciGama čestice je otkrio 1900. godine francuski fizičar Pol Urlih Vilar prilikom posmatranja uranijuma.
Gama-zraci su elektromagnetna zračenja veoma kratkih talasnih dužina (0,005-0,4 A), koja bivaju izražena u momentu prelaza jezgra sa energetski višeg nivoa na energetski niži nivo. Iz toga razloga gama-zračenje pruža podatke o energetskim nivoima u jezgru, kao što su optički spektri H-zračenja govore o elektronskim nivoima u tomskom omotaču.
Brzina kretanja ovih zraka je ravna brzini svjetlosti. Gama-zraci na svom putu kroz vazduh proizvode relativno slabu jonizaciju, ali su najprodorniji i prolaze manje-više kroz sve materijale. Njihov domet zavisi od energije.
Gama-raspad je za razliku od alfa, beta-raspada malo specifičniji. Ovdje ne dolazi do pravog raspada jezgra na drugo jezgro, već je gama raspad neke vrste emisija gama zraka. Pri tome jezgro prelazi iz pobuđenog stanja u konačno stanje sa emisijom gama-čestica, koje zovemo fotoni.
Jezgro potomak ( nastalo raspadom jezgra roditelja) ne nalazi se u osnovnom stanju, nego u pobuđenom. Prilikom prelaska jezgra iz pobuđenog u osnovno stanje emituje se gama-foton, slično kao kod atoma prilikom njegovog prelaska iz pobuđenog u osnovno stanje,kada se emituje foton rendgenskog zračenja.
Pri prolazu kroz materiju gama-zraci gube energiju-apsorbuju se na više načina, od kojih su najvažniji: Fotoelektrični i Komptov efekat i stvaranje parova pozitron-elektron.
Fotoelektrični efekat dolazi do izražaja u slučaju dejstva gama-zraka niskih energija na atome sa većom atomskom težinom,pri čemu dolazi do izbijanja elektrona iz pogođenih atoma. Kinetička energija oslobođenih elektrona (A=E-R)jednaka je razlici energija upadnog gama zraka (E) i energije vezivanja elektrona u atom (R). Komptov efekat igra vidniju ulogu u slučaju dejstva gama-zraka viših energija na apsorbere sa manjom atomskom težinom. Pri sudaru sa slobodnim ili labilno vezanim elektronima gama-zraci predaju dio svoje energije,a sami produžavaju da se kreću sa promjenjenim pravcem i brzinom. Gama zraci visokih energija (preko 1,02 MeV) pri sudaru sa materijalima velike atomske težine gube cjelokupnu energiju i stvaranjem parova pozitron-elektron prestaju da postoje.
Izloženi jakom magnetnom polju gama-zraci ne skreću, pošto nisu naelektrisani. Oni najčešće prate alfa i beta emisiju.
Mogu proći i olovnu ploču debljine 20sm. Njihova putanja u vazduhu može da iznesi i po nekoliko metara i oni su znatno prodorniji i opasniji nego alfa i beta čestice.
Gama zraci su prodorna zračenja koja su po svojim osobinama veoma slična rendgenskim zracima, samo što su često još prodornija od ovih. Kao i rendgenske zrake ove jonizuju vazduh, djeluju na fotografsku ploču, pri prolazu kroz kristale nastaje difrakcija itd. Apsorpcija raste sa porastom atomskog broja elemenata. Međutim,prodorna moć rendgenskog zračenja raste s povećanjem napona na rendgenskoj cijevi. Pri kočenju elektrona ubrzanih naponom od nekoliko miliona volti dobija se zakočno rendgensko zračenje,koje se ni po čemu ne razlikuje od gama-zračenja. Dakle,poređenje svojstava rendgenskog i gama-zračenja pokazuje da su ove dvije vrste zračenja potpuno iste prirode. Prema tome,gama zračenja predstavljaju elektromagnetne talase. Talasna dužina gama zračenja veoma je mala,pa je,prema tome,energija gama-fotona vrlo velika. Dok energija rengenskog zračenja za tehničku upotrebu ide i do nekoliko keV,energija gama-zračenja ide i do nekoliko MeV.
Mjerenja su pokazala da gama-fotoni emitovani iz različitih radioaktivnih supstancija imaju različitu energiju.
U principu, za zaštitu od gama zračenja koriste se materijali napravljeni od elemenata velikog rednog broja koji dobro apsorbuje gama-zračenje čija debljina se određuje prema očekivanim maksimalnim intenzitetima zračenja. Takvi materijali su olovo,betonski zidovi,zemljane prepreke itd.
svetnauke.org