O radioaktywności przypominają nam najczęściej media przy okazji dyskusji o globalnym ociepleniu. Czy energetyka jądrowa jest alternatywą dla energetyki opartej o węgiel czy ropę naftową? Co tak naprawdę zdarzyło się w Fukushimie? Innym takim tematem jest oczywiście zagrożenie związane z bronią jądrową. Jeden z bohaterów popkultury, Spider-Man, zawdzięcza swoja moc ukąszeniu przez radioaktywnego pająka. Ale co to naprawdę znaczy, że coś ma właściwości promieniotwórcze?

Radioaktywności jest w rzeczywistości właściwością atomu. Atomy radioaktywne mają niestabilne jądra, które rozpadając się i uwalniając cząstki elementarne (tylko niektóre z produktów radioaktywnego rozpadu są naprawdę elementarne, ale przyjęło się używać tej nazwy), przechodzą do bardziej stabilnego stanu, wydzielając przy tym energię — w formie promieniowania. Pierwiastki mają często izotopy, różniące się liczbą neutronów w jądrze, które mają własności promieniotwórcze. Niewielkie ilości radioaktywnych izotopów często występują w naturze. Na przykład, niewielka ilość dwutlenku węgla w atmosferze zawiera atomy radioaktywnego węgla-14. To bardzo szczęśliwy zbieg okoliczności, bo dzięki występowaniu w atmosferze węgla C-14 paleontolodzy mogą dzisiaj ocenić wiek niektórych skamieniałości.

W tym artykule przyjrzymy się bliżej budowie materii i spróbujemy odpowiedzieć na pytanie, co to jest promieniotwórczość.

Jądra atomowe danego pierwiastka mają zawsze tę samą liczbę protonów. Liczba protonów określa dodatni ładunek jądra. Ponieważ atomy są elektrycznie obojętne, ładunek jądra musi być dokładnie kompensowany przez ujemny ładunek elektronów, znajdujących się wokół jądra. Ponieważ ładunek elektryczny jest zachowany, nigdy nie ginie ani się nie rodzi, liczba protonów (lub elektronów) to taki podpis atomu. Jeśli znamy liczbę protonów, to wiemy, jakiego pierwiastka jest to atom. Na przykład, wszystkie występujące w przyrodzie atomy i jądra atomowe węgla mają 6 protonów. Liczbę protonów w jądrze danego atomu nazywamy liczbą atomową. Inaczej jest z neutronami. Neutrony są elektrycznie obojętne i istnieją jądra atomowe tego samego pierwiastka, różniące się liczbą neutronów. Takie jądra nazywamy izotopami danego pierwiastka. Liczba protonów i liczba neutronów razem określa liczbę masową: liczba masowa = protony + neutrony. Może dziwi Cię to, że mówimy tu o masie, a nie uwzględniamy elektronów — robimy tak, ponieważ elektrony mają bardzo małą masę, prawie dwa tysiące razy mniejszą od protonów i neutronów. Jeśli chcesz wiedzieć, ile neutronów ma jądra atomu danego pierwiastka, możesz po prostu odjąć jego liczbę atomową od liczby masowej.

Wielkością blisko związaną z liczbą masową jest masa atomowa. Masa atomowa atomu to po prostu jego masa, wyrażona najczęściej w jednostkach masy atomowej, które oznaczamy, od skrótu angielskiego wyrażenia, amu. Z definicje, atom węgla, którego jądro zawiera sześć protonów i sześć neutronów, ma masę atomową równą 12 amu. Z powodów, których na razie nie wyjaśnimy, masa atomowa innych pierwiastków na ogół nie jest równa całkowitej wielokrotności amu, ale będzie bliska co do wartości liczbie atomowej danego pierwiastka. z odstępstwami na cyfrach po przecinku.

W przyrodzie występują izotopy danego pierwiastka, których liczby masowe i masy atomowe różnią się od siebie. Dlatego wygodnie jest wprowadzić pojęcie względnej masy atomowej — czasami niezbyt poprawnie nazywanej ciężarem atomowym — danego pierwiastka. Względna masa atomowa to średnia masa izotopów danego pierwiastka, przy czym średnia ważona jest naturalnym procentowym rozpowszechnieniem izotopów w przyrodzie. Informacja o względnej masie atomowej, podawana w tablicy Mendelejewa — tak jak w przypadku wodoru w przykładzie poniżej — oblicza się biorąc pod uwagę wszystkie izotopy i ich rozpowszechnienie na Ziemi. Rozpowszechnienie izotopów w obiektach pozaziemskich, takich jak na przykład asteroidy, może być zupełnie inne.

Jądra izotopów danego pierwiastka zawierają tą samą liczbę protonów, lecz różnią się liczbą neutronów. Różne pierwiastki — na przykład węgiel, potas czy uran — mają kilka naturalnie występujących w przyrodzie izotopów. Elektrycznie obojętny atom węgla C-12 składa się z jądra zbudowanego z sześciu protonów i sześciu neutronów oraz z sześciu elektronów znajdujących się wokół jądra. Liczba masowa węgla-12 wynosi więc 12 (sześć protonów i sześć neutronów). Elektrycznie obojętny atom węgla C-14 składa się z jądra zbudowanego z sześćiu protonów i ośmiu neutronów oraz sześciu elektronów. Liczba masowa węgla C-14 wynosi 14 (sześć protonów i osiem neutronów). Te dwie formy, w jakich węgiel występuje na Ziemi, są izotopami.

Niektóre izotopy są stabilne, to znaczy, że takiej konfiguracji protonów i neutronów odpowiada minimum energii. Jądra innych izotopów rozpadają się, emitując ze swego wnętrza cząstki elementarne i osiągając stan o niższej energii. Takie izotopy nazywamy radioizotopami a proces, w wyniku którego emitowane są cząstki i energia nazywamy rozpadem. Radioaktywny rozpad może zmienić liczbę protonów w jądrze, gdy tak się dzieje, jądro emituje dodatnio naładowaną cząstkę (pozyton) i zmienia się w jądro innego pierwiastka, na przykład węgiel C-14 rozpada się i w wyniku powstaje azot N-14.

Zależność liczby atomów radioaktywnego izotopu, które pozostają w próbce, od czasu opisuje funkcja wykładnicza, której parametry można wyznaczyć teoretycznie lub zmierzyć w laboratorium. Charakterystyczną wielkością opisującą tę zależność jest tak zwany czas połowicznego rozpadu, który zależy od rodzaju izotopu, ale nie zależy od wielkości próbki. Po upływie czasu połowicznego rozpadu średnio polowa atomów izotopu rozpadnie się, emitując energię w postaci cząstek elementarnych i przechodząc w do postaci stabilnej. Stosunek liczby radioaktywnych atomów pozostających w próbce do liczby atomów w chwili początkowej opisuje funkcja wykładnicza, zależna tylko od czasu połowicznego rozpadu. Dzięki temu, mierząc względną ilość, czyli rozpowszechnienie, atomów promieniotwórczych w próbce możemy wyznaczyć jej wiek. Metodę tę, najbardziej znaną w związku z datowaniem za pomocą rozpadów węgla C-14, stosuje się szeroko do badania wieku wykopalisk..

Węgiel, obecny w atmosferze jako dwutlenek węgla, istnieje w formie trzech izotopów: węgla C-12 i węgla C-13, które są staibline oraz radioaktywnego izotopu węgla C-14. Rozpowszechnienie tych trzech form węgla w atmosferze utrzymuje się na stałym poziomie, przy czym węgiel C-14 wprawdzie rozpada się, ale jest także stale produkowany w wyniku zderzeń cząstek promieniowania kosmicznego z górnymi warstwami atmosfery. Najczęściej spotykanym izotopem węgla jest węgiel C-12, którego rozpowszechnienie wynosi około 99%, następnie węgiel C-13 z rozpowszechnieniem równym około 1% i węgiel C-14, obecny jedynie w ilościach śladowych${}^1$‍. Zastanówmy się teraz, co się dzieje, gdy rośliny pochłoną dwutlenek węgla z atmosfery i wykorzystają węgiel do budowy węglowodanów. Względna zawartość węgla C-14 w tkance roślinnej będzie taka sama, jak jego rozpowszechnienie w atmosferze, z tym że teraz w miejsce atomów, które ulegną rozpadowi, roślina pobierze i wykorzysta kolejne atomy węgla C-14 z atmosfery. Względna zawartość węgla C-14 w organizmach zwierząt roślinożernych, żywiących się tymi roślinami, lub w organizmach zwierząt mięsożernych polujących na zwierzęta roślinożerne będzie także taka sama jak rozpowszechnienie izotopów węgla w atmosferze. Gdy organizm umiera, pochłanianie węgla C-14 kończy się i stosunek liczby atomów węgla C-14 do liczby atomów węgla C-12 maleje, w miarę, gdy węgiel C-12 będzie rozpadać się na azot Na-14${}^2$‍. Mierząc ten stosunek w wykopaliskach, możemy oszacować czas, jaki upłynął od śmierci organizmu, rośliny lub zwierzęcia, z którego dana próbka pochodzi.

Po upływie okresu połowicznego rozpadu, czy po około 5 730 latach, połowa atomów węgla C-14, która znajdowała się w próbce w momencie śmierci organizmu, zmieni się w azot Na-14. Na podstawie tej informacji możemy datować pozostałości żywych organizmów, takie jak kości czy kawałki drewna. Obserwując produkty zachodzących w próbce rozpadów promieniotwórczych, możemy obliczyć stosunek liczby atomów węgla C-14 do liczby atomów węgla C -12 porównując go do stosunku w atmosferze, możemy ustalić liczbę atomów, które jeszcze nie uległy rozpadowi i ta tej podstawie ustalić wiek próbki. Metoda ta, zwana datowaniem radiowęglowym, daje dokładne wyniki w przypadkach, gdy wiek próbki nie przekracza 50 000 lat. Inne izotopy mają inne czasy połowicznego rozpadu i mogą być wykorzystywane do pomiaru wieku próbek w innych skalach czasowych. Na przykład, czas połowicznego rozpadu potasu Ka-40 wynosi około 1,25 miliarda lar, a czas połowicznego rozpadu uranu U-235 wynosi około 700 milionów lat. Rozpad tego właśnie izotopu wykorzystano do pomiaru wieku próbek skał księżycowych${}^2$‍.