Radioaktiivisuuden havaitseminen
Kun aine absorboi sähkömagneettista säteilyä infrapunasäteilyn aallonpituusalueella, absorboitunut energia havaitaan kappaleen lämpötilan kasvuna. Rakenneosasten lämpöliike kasvaa, ja elektronit voivat virittyä korkeammille energiatiloille. Kun sähkömagneettisen säteilyn aallonpituutta lyhennetään, säteilyn energia kasvaa. Riittävän suurienerginen säteily irrottaa elektroneja ytimistä, jolloin atomeista tulee ioneja. Tällaista säteilyä kutsutaan ionisoivaksi säteilyksi. Elektronin irrottamiseen vaadittava energia voi tulla myös riittävän suurella nopeudella liikkuvalta hiukkaselta. Sekä sähkömagneettinen että hiukkassäteily voivat olla ionisoivaa säteilyä.
Ionisoivan säteilyn havaitsemisessa yksinkertaisin laite on geigermittari (kaaviokuva ohessa). Geigermittarin putken sisällä on voimakas sähkökenttä, ja putki on täytetty matalapaineisella kaasulla. Mittari havaitsee säteilyn, jonka energia kykenee ionisoimaan putkessa olevia kaasumolekyylejä. Ionisaatiossa irronnut elektroni kulkee sähkökentän ohjaamana anodille ja aiheuttaa lyhyen virtapiikin. Se voidaan mitata, ja putkeen kytketystä kaiuttimesta kuullaan signaali. Geigermittarin toimintaperiaatteen keksi 1908 saksalainen Hans Geiger (1882–1945).
Kaikista 3 000 löydetystä isotoopista vain noin 250 on vakaita. Loput ovat epävakaita ja hajoavat itsestään ilman ulkoista vaikutusta. Tällöin vapautuu energiaa, ja jäljelle jää kevyempiä atomiytimiä. Prosessia kutsutaan radioaktiiviseksi hajoamiseksi eli usein kansankielellä radioaktiivisuudeksi. Vapautuva energia havaitaan ionisoivana säteilynä, joka on hajoamistyypistä riippuen joko sähkömagneettista säteilyä, hiukkassäteilyä tai molempia.
Yllä olevalla videolla tarkkailtiin kolmen eri radioaktiivisen isotoopin lähettämää ionisoivaa säteilyä. Videolla pystytään erottelemaan kolme säteilylajia sen mukaan, miten ne läpäisivät ainetta ja vuorovaikuttivat magneettikentän kanssa. Nämä kolme säteilylajia nimettiin 1900-luvun alussa alfa-, beeta- ja gammasäteilyksi. Myöhemmin säteilylajit tunnistettiin.
Gammasäteily koostuu suurienergisistä fotoneista. Se on siis sähkömagneettista säteilyä, jonka fotonien energia on suurempi kuin röntgensäteilyn fotonien energia. Gammasäteily pysähtyy vasta hyvin paksuun kerrokseen tiheää ainetta.
Beetasäteily on hiukkassäteilyä, joka koostuu elektroneista tai positroneista, eli elektronin antihiukkasista. Se pysähtyy helpommin ja sähkövarauksensa takia sen rata kääntyy magneettikentässä. Alfasäteily on hiukkassäteilyä, jonka hiukkanen on kahden protonin ja kahden neutronin yhteenliittymä eli hiukkanen on heliumatomin ydin. Alfahiukkaset ovat sen verran suurikokoisia ja raskaita, että ne pysähtyvät paksuun ilmakerrokseen tai paperiin.
Eri säteilylajit on nykyään helppo erottaa toisistaan sen mukaan, miten ne käyttäytyvät sähkö- ja magneettikentässä. Voit tutkia asiaa oheisessa simulaatiossa ja pohtia, miten oppimateriaalin Resonanssi 7 tietoja voisi soveltaa säteilylajien luokittelussa.
Simulaatio: Alfa-, beeta- ja gammasäteily Yksi varhainen hiukkasilmaisin on sumukammio. Se on suljettu astia, jossa on täysin kylläistä vesihöyryä. Varauksellisen hiukkasen kulkeminen höyryn läpi aiheuttaa vesihöyryn tiivistymistä vesipisaroiksi. Tiivistyminen voidaan havaita paljaalla silmällä. Kun sumukammioon päästetään radioaktiivista radonkaasua, kaasu leviää kammioon ja joka puolella nähdään radonydinten hajotessa vapautuvien alfahiukkasten jättämiä jälkiä. Alfahiukkaset ovat isoja ja pystyvät siksi kulkemaan sumukammiossa vain senttimetrejä.
Beetasäteily jättää kammioon pidempiä jälkiä, jotka kaartuvat voimakkaasti, mikäli kammio on magneettikentässä. Oheisessa kuvassa on ensimmäinen havainto positronista v. 1932. Rata kaartuu magneettikentässä yhtä paljon kuin elektronilla, mutta päinvastaiseen suuntaan. Kyseessä täytyi olla elektronin massainen, varaukseltaan vastakkainen hiukkanen.
