AQA GCSE Physics Unit 1 Chapter 6 Radioactivity

The  basic  structure  of  an  atom  is  a  small  central  nucleus,  made  up  of  protons  and  neutrons,  surrounded  by  electrons.

The  atoms  of  an  element  always  have  the  same  number  of  protons.  However,  different  isotopes  of  the  element  will  have  different  numbers  of  neutrons.

The  nuclei  of  radiactive  substances  are  unstable.  They  become  stable  by  radioactive  decay.  In  this  process  they  emit  radiation  and  turn  into  other  elements.

The  three  types  of radation  emitts  are:

• Alpha  particles.
• Beta  particles.
• Gamma  rays,

Radioactive  decay  is  a  random  process  and  is  affected  by  external  conditions.

• An  Alpha  partical  is  a  helium  nucleus.  It  is  made  up  of  two  protons  and  two  neutrons.
• A  beta  partical  is  a  high  speed  electron  from  the  nucleus.  It  is  emitted  when  a  neutron  changes  to  a  proton  and  an  electron.  The  proton  remains  in  the  nucleus.
• Gamma  radiation  is  very  short  wavelength  electromagnetic  that  is  emitted  from  the  nucleus.

When  a  nucleus  radiation  travels  through  a  material  is  will  collide  with   the  atoms  of  the  material  and  knock  electrons  off  them  creating  ions,  this  is  called  ionisation.

Alpha  particals  are  relatively  large,  so  they  have  lots  of  collisions  with  atoms  -  they  are  strongly  ionising,  because  of  these  colisions,  the  alpha  particles  do  not  penetrate  far  into  a  material.  They  can  be  stopped  by  a  thin  sheet  of  paper,  human  skin  or  a  few  centimetres  of  air.  Alpha  particals  have  a  positive  charge  and  are  deflected  by  electric  and  magnetic  fields.

Beta  particles  are  much  smaller  and  faster  than  alpha  particles  so  they  are  less  ionising  and  penetrate  further.  They  are  blocked  by  a  few  meters  of  air  or  a  thin  sheet  of  aluminium.  Beta  paricles  have  a  negative  charge  and  are  deflected  by  electric  and  magnetic  fields  in  the  opposite  sense  to  alpha  particles.

Gamma  rays  are  electromagnetic  waves  so  they  will  travel  a  long  way  through  a  material  before  colliding  with  an  atom.  They  are  weakly  ionising  and  very  penetrating.  Several  centimeters  of  lead  or  several  metres  of  concrete  are  needed  to  absorb  most  of  the  radiation.  Gamma  rays  are  not  deflected  by  electric  or  magnectic  fields.

We  can  measure  the  radioactivity  of  a  sample  of  a  radioactive  material  by  measuring  the  count  rate  from  it.  The  radioactivity  of  a  sample  decreases  over  time.  How  quickly  the  count  raet  falls  nearly  to  zero  depends  of  the  material.  Some  take  a  few  mintues,  others  take  millions  of  years.

We  use  the  idea  of  a  half  life  to  measure  how  quickly  the  radioactivity  decreases.  It  is  the  time  taken  for  the  count  rate  from  the  original  substance  to  fall  half  its  inital  value.

Or  we  can  define  it  as  they  time  taken  for  the  number  of  unstable  nuclei  in  a  sample  to  halve.

A  half  life  is  the  same  for  any  sample  of  a  particular  material. 

• Alpha  sources  are  used  in  smoke  alarms.  The  alpha  particles  are  not  dangerous  because   they  are  very  poor  at  penetrating.  The  source  needs  a  half  life  of  several  years.
• Beta  sources  are  used  for  thickness  control  in  the  manufacture  of  things  like  paper.  Alpha  particals  would  be  stopped  by  a  thin  sheet  of  paper  and  all  the  gamma  rays  would  pass  through  it.  The  source  needs  a  half  life  of  many  years,  so  that  decreases  in  the  count  rate  are  due  to  changes  in  the  thickness  of  the  paper.
• Gamma  and  beta  sources  are  used  as tracers  in  medicine.  The  source  is  injected or  swallowed  by  the  patient.  The  source  needs  a  half  life  of  a  few  hours  so  that  the  patient  is  not  exposed  to  unneccessary  radioactivty.
• Gamma  sources  are  also  used  to  sterilise  medical  equipment  and  prevert  food  spoilage.

If  nuclear  radation  enters  living  cells,  it   causes  ioisation  which  damages  cells  and  may  cause  cancers.  If  a  source  of  radiation  is  outdie  the  body  alpha  particles  will  be stopped  by  clothing  or  skin.  Gamma  and  beta  radiation  are  more  dangerous  because  they  may  pass  through  skin  and  damage  cells. 

If  the  sourse  of  radiation  is  inside  the  body,  eg  it is  inhaled,  alpha  radiation  is  most  likely  to  harm  you  as  it  is  most  ionising.