Projekt okładki i stron tytułowych: Przemysław Spiechowski

Ilustracje na okładce: Daniel Prudek/Dreamstime

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Bystrzycka (magdalena.lewocka@pwn.pl)Urszula Obrycka (urszula.obrycka@pwn.pl)

Recenzent: prof. Wacław Gudowski
Królewski Instytut Technologii (KTH) w Sztokholmie

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2024

ISBN 978-83-01-23597-0
https://doi.org/10.53271/2024.030

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2024 r. (Wydanie I)

Warszawa 2024

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl, reklama@pwn.pl
www.pwn.pl

Fragment

Wstęp

Rozdział 1. Podstawowe zagadnienia z fizyki atomowej i jądrowej

1.1. Budowa atomu

1.2. Izotopy

1.3. Przemiany i reakcje jądrowe

1.3.1. Przemiana α

1.3.2. Przemiany β– i β+

1.3.3. Wychwyt elektronu

1.3.4. Emisja neutronu

1.3.5. Emisja kwantu γ oraz X

1.3.6. Prawo rozpadu promieniotwórczego

1.3.7. Reakcje fuzji (syntezy)

1.3.8. Reakcje rozszczepienia (podziału)

1.3.9. Reakcje wymiany

1.3.10. Szeregi promieniotwórcze

1.4. Promieniowanie

1.4.1. Promieniowanie α (alfa)

1.4.2. Promieniowanie β (beta)

1.4.3. Promieniowanie γ i X (gamma oraz rentgenowskie)

1.4.4. Promieniowanie n (neutronowe)

1.4.5. Detekcja promieniowania jonizującego

1.5. Narażenie na promieniowanie jonizujące

1.5.1. Biologiczne skutki promieniowania jonizującego

1.5.2. Ocena narażenia i dawki promieniowania jonizującego

ROZDZIAŁ 2. Wykładnia bezpieczeństwa radiologicznego

2.1. Istota bezpieczeństwa jądrowego

2.1.1. Podstawowe zasady bezpieczeństwa jądrowego

2.1.2. Badania środowiskowe i lokalizacyjne

2.1.3. Strefy i obszary planowania awaryjnego

2.1.4. Obrona w głąb czyli zabezpieczenia wielostopniowe

2.1.5. Ochrona fizyczna materiałów i obiektów jądrowych

2.1.6. Cyberbezpieczeństwo

2.2. Istota ochrony radiologicznej

2.2.1. Ochrona radiologiczna pracowników

2.2.2. Ochrona radiologiczna pacjentów

2.2.3. Ochrona radiologiczna społeczeństwa

2.2.4. Ochrona radiologiczna państwa

2.2.5. Ochrona radiologiczna środowiska naturalnego i zwierząt

2.2.6. Ochrona radiologiczna obiektów jądrowych

2.3. Kultura bezpieczeństwa

2.3.1. Zintegrowany system zarządzania

2.3.2. Kultura bezpieczeństwa komputerowego (cyberbezpieczeństwa)

ROZDZIAŁ 3. Zdarzenia radiacyjne

3.1. Czym są zdarzenia radiacyjne

3.2. Medyczne wypadki radiologiczne

3.3. Przyczyny zdarzeń radiacyjnych

3.4. Działania i poziomy interwencyjne

3.4.1. Działania uprzedzające

3.4.2. Działania interwencyjne

3.5. Obszar zdarzeń radiacyjnych

3.5.1. Zasięg zdarzeń radiacyjnych

3.5.2. Skutki zdarzeń radiacyjnych i skala INES

3.6. Działania ratownicze

3.6.1. Kierowanie akcją likwidacji zagrożenia oraz usuwania skutków zdarzenia radiacyjnego

3.6.2. Kierowanie akcjami ratowniczymi

3.6.3. Ekipy awaryjne

ROZDZIAŁ 4. Prowadzenie działalności związanej z wykorzystywaniem promieniowania jonizującego

4.1. Powiadomienie, zgłoszenie oraz uzyskiwanie zezwoleń

4.2. Pracownie

4.3. Postępowanie z odpadami

ROZDZIAŁ 5. Urządzenia z wbudowanymi źródłami promieniowania jonizującego oraz generatory radionuklidów

5.1. Jonizacyjne czujki dymu

5.2. Izotopowe przyrządy pomiarowe

5.3. Urządzenia do badań nieniszczących

5.4. Urządzenia do brachyterapii

5.5. Generatory radionuklidów

5.6. Akceleratory cząstek

5.6.1. Akceleratory liniowe

5.6.2. Akceleratory kołowe (cyklotrony)

5.7. Lampy RTG

ROZDZIAŁ 6. Reaktory jądrowe

6.1. Czym są reaktory jądrowe

6.2. Reaktory I generacji

6.2.1. Arco, EBR-I (Experimental Breeder Reactor)

6.2.2. Obnińsk, AM-1 (Atom Mirny)

6.2.3. Calder Hall, Magnox

6.2.4. Shippingport, PWR

6.2.5. Świerk, EWA (Eksperymentalny Wodny Atomowy)

6.3. Reaktory II generacji

6.3.1. Reaktor wodny ciśnieniowy (PWR i WWER)

6.3.2. Reaktor wodny wrzący BWR

6.3.3. Reaktor kanałowy wielkiej mocy (RBMK)

6.3.4. Ciężkowodny reaktor ciśnieniowy (PHWR)

6.3.5. Reaktor chłodzony gazem (GCR)

6.4. Reaktory badawcze

6.5. Reaktory generacji III oraz III+

6.5.1. Zmodernizowany reaktor ciśnieniowy (AP1000)

6.5.2. Zmodernizowany reaktor ciśnieniowy (APR-1400)

6.5.3. Rosyjski reaktor ciśnieniowy (WWER-1200)

6.5.4. Europejski Reaktor Ciśnieniowy (EPR)

6.5.5. Zmodernizowane wodne reaktory wrzące (ABWR)

6.5.6. Zmodernizowany reaktor ciężkowodny (ACR)

6.6. Reaktory generacji IV

6.6.1. Reaktory powielające chłodzone ciekłym metalem (LMFR)

6.6.2. Wysokotemperaturowe reaktory chłodzone gazem (GFR i HTGR)

6.6.3. Reaktory z parą nadkrytyczną (SCWR)

6.6.4. Reaktory na stopionych solach (MSR)

6.6.5. Reaktor dwupłynowy (DFR)

ROZDZIAŁ 7. Studium przypadku – katastrofy radiologiczne

7.1. Katastrofa w Chalk River. Kanada, 1952 rok – INES 5

7.2. Katastrofa kysztymska. Rosja, 1957 rok – INES 6

7.3. Windscale. Wielka Brytania, 1957 rok – INES 5

7.4. Three Mile Island. Stany Zjednoczone, 1979 rok – INES 5

7.5. Czarnobyl. Rosja, 1986 rok – INES 7

7.6. Goiânia. Brazylia, 1987 rok – INES 5

7.7. Fukushima. Japonia, 2011 rok – INES 7

7.8. Konkluzje

Zakończenie

Spis używanych skrótów

Bibliografia

Przypisy

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

Wstęp

Autor podejmuje zagadnienia związane z bezpieczeństwem radiologicznym; terminologią niezbędną do poruszania się w wybranym temacie oraz implikacjami związanymi z jej używaniem; technologią zabezpieczeń oraz samymi reaktorami jądrowymi. Praca ta może być traktowana również jako kompendium podstawowej wiedzy z zakresu bezpieczeństwa radiologicznego.

Książka adresowana jest do osób dysponujących podstawową wiedzą z zakresu nauk ścisłych, takich jak chemia oraz fizyka, oraz umiejętnością posługiwania się aparatem matematycznym na poziomie średnim. Niniejsza pozycja nie dotyczy elektrowni jądrowych sensu stricto, reaktorów do zastosowań militarnych oraz tematyki składowania odpadów promieniotwórczych, choć odniesienia do nich w pracy mogą się znaleźć.

Zarówno w Polsce, jak i jej najbliższym sąsiedztwie były, są i będą nadal konstruowane różnorodne obiekty, na których terenie prowadzona jest działalność związana z wykorzystywaniem promieniowania jonizującego, której celem są badania naukowe, testowanie nowych technologii, produkcja radioizotopów dla przemysłu i medycyny oraz energetyka.

Na gruncie omawianej w publikacji tematyki wyrosło wiele mitów. Jednak nie tylko one sprawiają, że poruszanie się w temacie bezpieczeństwa radiologicznego zarezerwowane jest dla wąskiej grupy specjalistów. Dlatego też autor postawił sobie za cel poruszenie w kolejnych rozdziałach kilku istotnych zagadnień. W rozdziale pierwszym przedstawiono podstawowe zagadnienia z zakresu budowy materii oraz zjawisk obejmujących tematykę promieniowania jonizującego, w tym rodzaje przemian i reakcji jądrowych. W rozdziale drugim podjęto próbę wytłumaczenia, czym jest bezpieczeństwo radiologiczne, oraz przedstawiono najważniejsze zagadnienia z zakresu bezpieczeństwa jądrowego i ochrony radiologicznej. Trzeci rozdział dotyczy zagadnień zdarzeń radiacyjnych oraz zarządzania bezpieczeństwem radiologicznym w sytuacji ich wystąpienia. W czwartym rozdziale przedstawiono wymagania, jakie muszą być spełnione przy prowadzeniu działalności związanej z wykorzystywaniem promieniowania jonizującego. W rozdziale piątym i szóstym omówiono urządzenia, w których wykorzystuje się zjawisko promieniowania jonizującego. W szczególności omówiono urządzenia z wbudowanymi źródłami promieniotwórczymi, urządzenia wytwarzające promieniowanie jonizujące oraz reaktory jądrowe. W przypadku tych ostatnich przedstawiono ich rozwój od pierwszych, eksperymentalnych, po najnowocześniejsze koncepcje reaktorów możliwych do stworzenia w najbliższej, dającej się przewidzieć przyszłości. Całość dopełniona jest studium przypadku (rozdział siódmy), w którym opisano zdarzenia radiacyjne sklasyfikowane jako awarie z rozległymi skutkami lub poważniejsze.

Rozdział 1

Podstawowe zagadnienia z fizyki atomowej i jądrowej

Spis treści

1.1. Budowa atomu

1.2. Izotopy

1.3. Przemiany i reakcje jądrowe

1.3.1. Przemiana α

1.3.2. Przemiany β- i β+

1.3.3. Wychwyt elektronu

1.3.4. Emisja neutronu

1.3.5. Emisja kwantu γ oraz X

1.3.6. Prawo rozpadu promieniotwórczego

1.3.7. Reakcje fuzji (syntezy)

1.3.8. Reakcje rozszczepienia (podziału)

1.3.9. Reakcje wymiany

1.3.10. Szeregi promieniotwórcze

1.4. Promieniowanie

1.4.1. Promieniowanie α (alfa)

1.4.2. Promieniowanie β (beta)

1.4.3. Promieniowanie γ i X (gamma oraz rentgenowskie)

1.4.4. Promieniowanie n (neutronowe)

1.4.5. Detekcja promieniowania jonizującego

1.5. Narażenie na promieniowanie jonizujące

1.5.1. Biologiczne skutki promieniowania jonizującego

1.5.2. Ocena narażenia i dawki promieniowania jonizującego

1.1. Budowa atomu

Współczesny model atomu, opracowany w głównej mierze dzięki badaniom Hideki Yukawy, zakłada, że w jego centrum znajduje się jądro o dużej gęstości, które składa się z nukleonów. Poza jądrem atomowym znajduje się otaczająca je chmura elektronów. Występujące w jądrze atomowym nukleony: neutrony i protony wzajemnie na siebie oddziałują na zasadzie odpychających sił elektrostatycznych (oddziaływanie kulombowskie) pomiędzy protonami oraz przyciągających sił na zasadzie oddziaływania silnego. W atomach wszystkich pierwiastków występują elektrycznie dodatnie protony oraz (z wyjątkiem wodoru 1H) obojętne elektrycznie neutrony. Elektrony mają ładunek ujemny i leżą na powłokach oraz podpowłokach, które to tworzą chmurę elektronową. Rozmiar pojedynczego atomu nie przekracza nanometra, jest rzędu 10‒10 m, natomiast samo jądro osiąga rozmiar rzędu pikometra 10‒15 m (rys. 1.1).

W każdym obojętnym atomie liczba protonów oraz elektronów jest jednakowa. Wynika to z tego, że ładunki protonów i elektronów wzajemnie się znoszą, czyli łączny ładunek protonów i elektronów w atomie wynosi zero.

Rysunek 1.1. Budowa atomu

Atomy są podstawowymi elementami budowy materii. Każdy pierwiastek niezależnie od jego odmiany alotropowej składa się z atomów jednego rodzaju – siarka z atomów siarki, a węgiel z atomów węgla. To, co charakteryzuje atomy danego pierwiastka, to liczba protonów. Liczbę protonów w jądrze oznacza się literą Z, którą to nazywamy liczbą atomową. Atomy danego pierwiastka mogą się natomiast różnić liczbą neutronów, co bezpośrednio wpływa na ich masę atomową. Jądro atomowe składa się z nukleonów: protonów i neutronów, i to one w głównej mierze odpowiadają za masę całego atomu. Kiedy zsumujemy liczbę protonów i neutronów, otrzymamy liczbę masową, którą oznaczamy literą A.

Dla przykładu potas 39K ma 19 protonów, 20 neutronów oraz 19 elektronów: A = 39, Z = 19.

Atomy o tej samej liczbie protonów, a różnej liczbie neutronów nazywamy izotopami danego pierwiastka. Dla przykładu wodór występuje w postaci trzech izotopów: 1H – prot, 2H – deuter oraz 3H – tryt (rys. 1.2).

Rysunek 1.2. Izotopy wodoru

Jądro atomowe jest o 5 rzędów wielkości mniejsze od samego atomu. Znaczna część przestrzeni w atomie zajmowana jest przez elektrony. Elektrony te tworzą tak zwaną chmurę elektronową, czyli obszar, w którym występuje największa gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronu. Zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga nie można jednocześnie podać pędu oraz położenia elektronu, dlatego też w rzeczywistości elektron należy rozpatrywać jako obszar rozmytego ładunku elektrycznego. Elektrony nie poruszają się wewnątrz całej chmury elektronowej. W zależności od ich energii znajdują się one w ograniczonych obszarach: powłokach oraz orbitalach elektronowych. Im bliżej jądra atomowego, tym elektron ma niższą energię (bardziej ujemną), a siła oddziaływania jądra na ten elektron jest wyższa.

Funkcja falowa elektronu zależy od trzech liczb kwantowych: n – wyznaczającej powłoki, l – wyznaczającej tak zwane podpowłoki, m – wyznaczającej orbitale.

Za powłokę elektronową uważa się zbiór podpowłok elektronowych mających tę samą główną liczbę kwantową n. Dla ułatwienia można przyjąć, że liczba kwantowa n odpowiada okresowi, na którym leży dany pierwiastek. Wartościom liczby n przypisane są kolejne powłoki: K, L, M, N, O, P i Q (tab. 1.1).

Tabela 1.1. Powłoki oraz podpowłoki elektronowe

Symbol powłoki

Główna liczba kwantowa n

Maksymalna liczba elektronów na powłoce

Podpowłoki

K

1

2

s

L

2

8

s, p

M

3

18

s, p, d

N

4

32

s, p, d, f

O

5

50

s, p, d, f, g

P

6

72

s, p, d, f, g, h

Q

7

98

s, p, d, f, g, h, i

Konfiguracja elektronowa potasu 39K przedstawia się następująco: K^2 L^8 M^8 N^1 (rys. 1.3).

Rysunek 1.3. Konfiguracja elektronowa potasu K-39

Powłoki elektronowe składają się z różnych orbitali atomowych, w ramach tak zwanych podpowłok elektronowych. Podpowłoki oznaczane są literami s, p, d, f, g, h, i. Podpowłoka s to podpowłoka o najniższej energii (najbardziej ujemnej), natomiast podpowłoka i ma energię najwyższą. Maksymalna liczba elektronów na podpowłokach określana jest wzorem: 4l + 2, gdzie l to poboczna liczba kwantowa (tab. 1.2).

Tabela 1.2. Podpowłoki elektronowe

Podpowłoka

Poboczna liczba kwantowa

Maksymalna liczba elektronów na podpowłoce

S

l = 0

2

P

l = 1

6

D

l = 2

10

F

l = 3

14

G

l = 4

18

H

l = 5

22

I

l = 6

26

W celu podania pełnej konfiguracji elektronowej przed nazwą podpowłoki podaje się numer głównej liczby kwantowej (powłoki), w indeksie górnym podaje się liczbę elektronów.

Pełna konfiguracja elektronowa potasu 39K przedstawia się następująco:

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^1

Możliwy jest również uproszczony zapis konfiguracji elektronów, w którym skraca się początkowy rdzeń konfiguracji elektronowej, zastępując go symbolem gazu szlachetnego w nawiasach kwadratowych i uzupełnia się go o pozostałe elektrony.

Uproszczona konfiguracja elektronowa potasu 39K przedstawia się następująco:

[Ar] 4s^1

gdyż pełna konfiguracja argonu wygląda następująco:

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6

Kolejność zapełniania podpowłok elektronowych wynika z postulatów, że w kolejnych atomach orbitale elektronowe zapełniane są w kolejności rosnącej sumy liczb kwantowych n + l. W przypadku identycznej sumy n + l zapełniana jest podpowłoka o większej wartości liczby n

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → → 4f → 5d → 6p → 7s → 5 f → 6 d → 7 p

Kolejność tę można zapamiętać poprzez ukośne sczytywanie macierzy trójkątnej (rys. 1.4).

Rysunek 1.4. Matryca kolejności zapełniania podpowłok elektronowych

1.2. Izotopy

Izotopy tego samego pierwiastka to odmienne postacie atomów, różniące się liczbą neutronów w jądrze. Izotopy tego samego pierwiastka mają więc tę samą liczbę atomową, a różnią się liczbą masową. W niniejszej książce pisząc o izotopach, autor ma na myśli izotopy tego samego pierwiastka. Izotopy mają na ogół takie same właściwości chemiczne, jednakże mogą mieć nieznacznie różne właściwości fizyczne. Izotopy, które różnią się kilkoma neutronami, mogą mieć inną gęstość oraz temperatury wrzenia, topnienia lub sublimacji. Różnice takie przenoszą się również na związki chemiczne tworzone przez te izotopy, co wykorzystuje się w celu separacji jednych izotopów od drugich.

Dla izotopów, z wyjątkiem izotopów wodoru, nie stosuje się oddzielnych nazw. Powinno się je zapisywać w postaci symbolu danego pierwiastka z liczbą masową po lewej stronie u góry (indeks górny), na przykład 3H, 131I, czy 235U.

Izotopy mogą podlegać procesom rozpadów bądź rozszczepienia, w związku z czym dzieli się je na:

• izotopy promieniotwórcze – które ulegają samorzutnej przemianie w inne izotopy (rozpady α, β- i β+, wychwyt elektronu bądź emisja neutronu czy fotonu γ lub jądra innego atomu);

• izotopy trwałe – które nie ulegają samorzutnej przemianie;

• izotopy rozszczepialne – które mogą ulegać reakcjom rozszczepienia.

1.3. Przemiany i reakcje jądrowe

W odróżnieniu od reakcji chemicznych, gdzie mamy do czynienia ze zmianą jednej substancji w inną poprzez zerwanie wiązań pomiędzy atomami (reakcje analizy, syntezy oraz wymiany), w reakcjach jądrowych zmiany zachodzą na poziomie jąder atomowych. W wyniku reakcji jądrowych mogą powstawać nowe jądra:

• innych pierwiastków;

• innych izotopów tego samego pierwiastka;

• tych samych izotopów tego samego pierwiastka, jednakże w innych stanach energetycznych.

Reakcje jądrowe można ogólnie podzielić na:

• reakcje fuzji, w wyniku których z jąder lżejszych powstają jądra cięższe – to znaczy o większej liczbie atomowej, masowej bądź obu na raz;

• reakcje rozszczepienia, w wyniku których z jąder cięższych powstają jądra lżejsze;

• reakcje rozpadów promieniotwórczych;

• reakcje emisji cząstek gamma;

• reakcje wymiany.

Atomy zbudowane są z ciężkiego jądra atomowego oraz otaczającej to jądro chmury elektronów. Jądro składa się z nukleonów, czyli protonów i neutronów, pomiędzy którymi występują siły odpychające oraz przyciągające. Jądro atomowe, tak samo jak każdy inny układ fizyczny, jest w stanie osiągnąć stan stabilny wtedy, gdy jego energia jest odpowiednio niska. W jądrach atomowych przyciągające siły jądrowe muszą przeciwdziałać sile odpychania kulombowskiego występującego pomiędzy protonami, inaczej jądro ulegnie samorzutnemu rozpadowi, tworząc przy tym jądro nowego pierwiastka. W takim przypadku mamy do czynienia ze zjawiskiem promieniotwórczości naturalnej. Takie izotopy, których jądra atomowe nie są stabilne i ulegają naturalnym przemianom jądrowym, nazywamy izotopami promieniotwórczymi.

Zjawisko promieniotwórczości naturalnej polega na samorzutnej przemianie jądra atomowego i związanej z tym emisji określonej cząstki. Nazwy przemian jądrowych pochodzą od nazwy emitowanej cząstki.

Notacja

Przebieg reakcji jądrowych, podobnie jak w przypadku reakcji chemicznych, zapisuje się w postaci równań. Standardowo po lewej stronie reakcji zapisywane są jądra i cząstki elementarne będące substratami, po prawej zaś stronie zapisywane są jądra i cząstki elementarne będące produktami

lub

Dodatkowo można zaznaczyć ilość energii wydzielanej w wyniku danej reakcji

Zamiast korzystania z pełnego zapisu równań, jak pokazano na powyższym przykładzie, dla ułatwienia, dopuszcza się skrócony zapis reakcji w postaci

14N + α → 17O + p

bądź jeszcze bardziej skrócony zapis reakcji

14N(α, p)17O

co w przypadku reakcji typu A + b → c + D odpowiada formule zapisu: A(b,c)D.

W skróconych zapisach reakcji jądrowych stosuje się następujące uproszczenia:

n – neutron,

p – proton, jądro protu, czyli wodoru-1, 1H,

D lub d – deuteron, jądro deuteru, czyli wodoru-2, 2H,

T lub t – tryton, jądro trytu, czyli wodoru-3, 3H,

α – cząstka alfa, jądro 4He,

β- – cząstka beta minus, elektron,

β+ – cząstka beta plus, pozyton,

γ – promieniowania gamma, foton.

1.3.1. Przemiana α

Przemiana alfa, inaczej rozpad α, to typ przemiany jądrowej, w wyniku której jądro atomu emituje cząstkę alfa (promieniowanie alfa). Cząstka α zbudowana jest z dwóch protonów i dwóch neutronów. Rozpad α prowadzi do zmniejszenia liczby protonów i neutronów w jądrze, to jest dochodzi do zamiany jednego izotopu w drugi. W konsekwencji tej reakcji liczba zarówno protonów, jak i neutronów w jądrze nowo powstałego atomu maleje o 2, dlatego też liczba atomowa nowo powstałego atomu zmniejsza się o 2, a jego masa atomowa zmniejsza się o 4.

Przemiana jądra atomu według schematu rozpadu alfa prezentuje się następująco (rys. 1.5):

Rysunek 1.5. Rozpad alfa

Przykładami rozpadu alfa są przemiany:

Należy zwrócić uwagę, że w wyniku przemiany alfa dochodzi do transmutacji jednego pierwiastka w drugi. W jej wyniku dochodzi do zmiany składu jądra atomowego, a w szczególności do zmiany liczby protonów. Skoro zmienia się liczba protonów w jądrze, zmianie musi ulec również liczna elektronów w atomie, co wiąże się z koniecznością zmiany konfiguracji elektronowej atomu. Zarówno zmiana konfiguracji jądra atomowego, jak i konfiguracji elektronowej mogą skutkować emisją kwantu energii.

1.3.2. Przemiany β i β–+

Przemiany beta minus i beta plus (inaczej rozpady β‒ i β+) to typy przemian jądrowych, w wyniku których jądro atomu emituje cząstki beta (promieniowanie beta). Cząstki β‒ i β+ to elektrony oraz pozytony, które emitowane są w wyniku przemiany neutronu w proton bądź protonu w neutron. W zależności od typu przemiany β‒ i β+ prowadzą do zmiany liczby protonów i neutronów w jądrze, to jest dochodzi do zamiany jednego izotopu w drugi. W konsekwencji reakcji β‒ liczba protonów w jądrze nowo powstałego atomu rośnie o 1, natomiast liczba neutronów maleje o 1. W konsekwencji reakcji β+ liczba protonów w jądrze nowo powstałego atomu maleje o 1, natomiast liczba neutronów rośnie o 1. W obu przypadkach masa atomowa nie zmienia się.

Przemiana β‒

Przemiana jądra atomu według schematu rozpadu beta minus prezentuje się następująco (rys. 1.6):

Rysunek 1.6. Rozpad beta minus

Co bezpośrednio wynika z przemiany neutronu w proton

Przykładami rozpadu beta (‒) są przemiany:

Rozpad β+

Przemiana jądra atomu według schematu rozpadu beta plus prezentuje się następująco (rys. 1.7):

Rysunek 1.7. Rozpad beta plus

Co bezpośrednio wynika z przemiany protonu w neutron

Przykładami rozpadu beta (+) są przemiany:

Należy zwrócić uwagę, że w wyniku przemian beta dochodzi do transmutacji jednych pierwiastków w inne. W wyniku tych przemian dochodzi do zmiany składu jąder atomowych, a w szczególności do liczby ich protonów. Skoro zmienia się liczba protonów w jądrze, zmianie musi ulec również liczna elektronów w atomie, co wiąże się z koniecznością zmiany konfiguracji elektronowej atomu. Zarówno zmiana konfiguracji jądra atomowego, jak i konfiguracji elektronowej mogą skutkować emisją kwantu energii.

1.3.3. Wychwyt elektronu

Przemianę jądrową, w której elektron (najczęściej z najbliższej powłoki elektronowej) przechwytywany jest przez proton z jądra atomowego, nazywamy wychwytem elektronu. Ze względu na jej przebieg reakcja ta często nazywana jest odwrotną przemianą beta. W jej wyniku powstaje pozostający w jądrze neutron oraz emitowane neutrino elektronowe. Należy mieć na uwadze, iż przemianie polegającej na wychwycie elektronu towarzyszy zwykle również jonizacja atomu oraz emisja promieniowania rentgenowskiego i gamma.

W konsekwencji tej reakcji liczba protonów w jądrze maleje, a liczba neutronów rośnie o 1, nowo powstały atom ma liczbę atomową mniejszą o 1, jego masa atomowa pozostaje bez zmian.

Przemiana jądra atomu według schematu wychwytu elektronu prezentuje się następująco (rys. 1.8):

Rysunek 1.8. Wychwyt elektronu

Co bezpośrednio wynika z wychwytu elektronu przez proton i zamiany w neutron

Przykładami przemiany polegającej na wychwycie elektronu są:

Należy zwrócić uwagę, że w wyniku wychwytu elektronu dochodzi do transmutacji jednego pierwiastka w drugi. W jego wyniku dochodzi do zmiany składu jądra atomowego, a w szczególności do zmiany liczby protonów. Skoro zmienia się liczba protonów w jądrze, zmianie musi ulec również liczna elektronów w atomie, co wiąże się z koniecznością zmiany konfiguracji elektronowej atomu. Zarówno zmiana konfiguracji jądra atomowego, jak i konfiguracji elektronowej mogą skutkować emisją kwantu energii.

1.3.4. Emisja neutronu

Emisja neutronu to proces, w którym neutron jest spontanicznie uwolniony z jądra atomowego bez zewnętrznej stymulacji. Jest on efektem niestabilności jądra atomowego, które to, aby osiągnąć stan o niższej (bardziej preferowanej) energii, emituje neutron. W konsekwencji tej reakcji liczba protonów w jądrze się nie zmienia, a liczba neutronów maleje o 1, nowo powstały atom nie zmienia liczby atomowej (jest izotopem tego samego pierwiastka), jego masa atomowa maleje o 1.

Przemiana jądra atomu polegająca na spontanicznej emisji neutronu prezentuje się następująco (rys. 1.9):

Rysunek 1.9. Emisja neutronu

Poniżej przedstawiono przykłady przemiany polegającej na emisji neutronu:

Należy zwrócić uwagę, że w wyniku emisji neutronu dochodzi do zmiany danego izotopu pierwiastka w drugi, o mniejszej licznie neutronów. W jej wyniku dochodzi do zmiany składu jądra atomowego, jednakże nie dochodzi do zmiany liczby protonów. Skoro nie zmienia się liczba protonów w jądrze, zmianie nie ulega również liczba elektronów w atomie. Jednakże zmienia się skład jądra atomowego, co może mieć dodatkowy wpływ na wartości energii elektronów będących w chmurze. Zarówno zmiana konfiguracji jądra atomowego, jak i konfiguracji elektronowej mogą skutkować emisją kwantu energii.

1.3.5. Emisja kwantu γ oraz X

Emisja kwantu energii promieniowania gamma oraz X jest przemianą polegającą na emisji kwantu promieniowania elektromagnetycznego, na ogół w następstwie innych przemian jądrowych opisanych powyżej, w wyniku anihilacji cząstek, rozpadu cząstek elementarnych, rozpraszania komptonowskiego, reakcji fotojądrowych, hamowania cząstek oraz poruszania się cząstek z wielkimi prędkościami i innymi.

W wyniku anihilacji, czyli zderzenia cząstki i antycząstki, na przykład pary elektron-pozyton podczas przemiany β+, powstają dwa fotony, a energia każdego z nich jest równa 511 keV (rys. 1.10).

Rysunek 1.10. Anihilacja pary pozyton-elektron

Podczas hamowania cząstki obdarzonej ładunkiem elektrycznym jedną z dróg utraty energii jest emisja promieniowania. Zjawisko to wykorzystywane jest do wytwarzania promieniowania rentgenowskiego. Jeżeli elektrony mają dostatecznie dużą energię, mogą emitować promieniowanie rentgenowskie bądź gamma. Szczególnie istotne jest to w przypadku oddziaływania z materią wysokoenergetycznych elektronów. Przy niskich energiach elektronu, poniżej energii krytycznej, jej wartość może zostać przekazana ośrodkowi poprzez jego jonizację. Energia krytyczna zależy od rodzaju substancji ośrodka. Gdy energia elektronu jest większa od energii krytycznej, wówczas straty energii na rzecz promieniowania hamowania są większe od strat na jonizację.

Atomy powstałe w wyniku przemian jądrowych mają na ogół inną od podstawowej konfigurację jądra atomowego oraz odmienną konfigurację elektronową. Dodatkowo, w efekcie przemian jądrowych tworzą się izomery jądrowe mające tę samą liczbę protonów i neutronów, jednakże mające różne stany energetyczne, czyli różną wewnętrzną elektronową strukturę energetyczną. To znaczy, że są w stanach wzbudzonych, czyli dysponują swego rodzaju „nadwyżką” energii, którą mogą wypromieniować na zewnątrz, właśnie w postaci kwantu promieniowania elektromagnetycznego, czyli fotonu. Przejście ze stanu wzbudzonego do podstawowego może odbyć się jednorazowo, z emisją pojedynczego kwantu o energii równej różnicy energii stanów, lub stopniowo, kiedy to następuje emisja kilku kwantów o różnych energiach. W takim przypadku suma wszystkich energii kwantów jest równa różnicy energii stanu wzbudzonego i podstawowego (rys. 1.11).

Najczęściej stan wzbudzenia nie trwa długo, gdyż elektrony powracają do stanu podstawowego w czasie rzędu 10−8 s. Czasem zdarza się, że przejście jądra do stanu podstawowego odbywa się po upływie wielu godzin, dni, a nawet miesięcy. Przejście takie nazywamy przejściem izomerycznym, a jądra atomowe, które przebywają w długotrwałym stanie wzbudzonym nazywamy izomerami jądrowymi. Izomery jądrowe oznacza się gwiazdką przy symbolu pierwiastka.

Rysunek 1.11. Emisja kwantu gamma – różnica energii

Zjawisko to wykorzystywane jest w badaniach jądrowych oraz w medycznych procedurach diagnostycznych.

Przejście izomeryczne może odbywać się bezpośrednio lub etapami, na coraz niższe poziomy, aż do uzyskania stabilnego stanu podstawowego. Podczas każdego przejścia atom emituje jeden foton o charakterystycznej energii. Na przykład na rys. 1.12 zilustorwano emisję kwantu gamma podczas przejścia izomerycznego

Rysunek 1.12. Emisja kwantu gamma podczas przejścia izomerycznego

Energia stracona przez atom równa się energii wypromieniowanego fotonu

Ef = En − Ek