Radioaktivnost

Radijaciju, odnosno, radioaktivnost, nije moguće razumjeti bez razumijevanja građe atoma i razumijevanja šta su to izotopi.  Izotopi su one varijante atoma koje imaju isto broj protona, a različit broj neutrona. Ako je razlika između broja protona i broja neutrona, odnosno, između atomskog i masenog broja atoma jako velika, tada je jezgro tog atoma veoma nestabilno i raspada se. Obično jezgre atoma sa velikim masenim brojem budu nestabilne. Tako uranijum-238 ima 92 protona i 146 neutrona, nestabilan je i radioaktivan. Izotopi elemenata sa atomskim brojevima većim od 83, poput polonija, astata i radijuma su nestabilni i radioaktivni dok izotopi elemenata sa manjim atomskim brojevima također mogu biti nestabilni jer je u jezgru velika neravnoteža između neutrona i protona.  Tako su izotop karbona C-14, izotop kalcijuma Ca-45, joda I-131 predstavnici radioaktivnih izotopa elemenata sa atomskim brojem manjim od 83. Izotope koji su radioaktivni nazivamo radioizotopi.

Veliki doprinos istraživanju radioaktivnosti dali su Henri Becquerel te bračni par Marie Sklodowska Curie i Pierre Curie. Njih troje 1903. su podijelili Nobelovu nagradu za fiziku upravo za istraživanja iz oblasti radiokativnosti.

Marie Curie, vlastiti crtež

Sama radioaktivnost posljedica je radioaktivnog raspada, a to je proces u kojem jedro nestabilnog izotopa gubi energiju tako što emituje neke čestice. I ne samo da se smanjuje energija – u toku radioaktivnog raspada se smanjuje i količina radioaktivne supstance te radijacija koju ona emituje. Zapravo, kao da nestabilni radioaktivni izotop pokuša postati neka stabilna formacija, pa se „rješava“ sve onog što mu je nepotrebno. Zanimljivo je da radioaktivni izotopi nakon raspada postaju sasvim drugi elementi. Zapravo, radioaktivni raspad čini upravo ono što su alhemičari sanjali vijekovima – pretvara jedne elemente u druge. Recimo, radioaktivni izotop torijuma, torijum-232 radioaktivnim raspadom preko niza elemenata na kraju da  stabilno olovo-208. Ovakvi nizovi koji nastaju radioaktivnim raspadom jednog elementa se zovu  radioaktivni nizovi ili serije. Ipak, to nisu hemijske reakcije, nego se radi o promjenama unutar samog jezgra atoma, što je domen fizike.

Antoine Henri Becquerel

Marie i Pierre Curie

Postoje tri vrste čestica koje se oslobađaju pri radioaktivnom raspadu. Kažemo da radioaktivni izotop zrači jer emituje, oslobađa ove čestice. Pa da vidimo koje su to čestice:

Prvi tip čestica koje nastaju u radioaktivnom raspadu jesu alfa-čestice, nazvane tako po prvom slovu grčkog alfabeta. Zapravo, alfa čestice su ništa drugo do jezgre elementa helijuma, što znači da se sastoje iz 2 protona i 2 neutrona te da imaju relativnu atomsku masu 4. Pošto su to samo jezgra helijuma, nemaju elektrone, nego samo protone, to su alfa-čestice pozitivno naelektrisane. Ipak, naboj alfa čestice se izostavlja u označavanju i piše se samo grčko slovo α ili se označi jezgra helijuma,      ⁴₂He.

Drugi tip čestica koje se oslobađaju pro radioaktivnom raspadu jesu beta-čestice, koje su ime dobile po drugom slovu grčko alfabeta te se i obilježavaju tim slovom, β.  Zapravo, to su elektroni velike brzine.

Treći tip čestica jeste gama radijacija, koja se označava trećim slovom grčkog alfabeta, γ. Gama radijacija je dio elektromagnetnog spektra, a elektromagnetni spektar se javlja u obliku valova. Najmanji paket, najmanje količina energije ovakvog talasa se zove foton. Gama radijacija su fotoni velike energije i brzine.

Vrste radijacije - alfa, beta i gama

Alfa-čestice se kreću sporije i nemaju veliki domet. Zaustavlja ih list papira. Ipak, to ne znači da nisu opasne - mogu izazvati znatna oštećenja kože, iako ne mogu prodrijeti kroz kožu te, ako se unesu hranom ili zrakom, mogu napraviti veliku štetu u plućima i probavnom sistemu, uključujući i to da tada mogu izazvati rak.

Beta čestice mogu prodirati kroz predmete male gustoće, tanke pregrade, ali će ih zaustaviti list aluminijumske folije.

Gama radijacija ima veliku snagu prodiranja i može je zaustaviti olovni blok. Upravo je to najopasniji tip radijacije. Zapravo, to je ona radijacija o kojoj svi govore kada se priča o atomskoj bombi, o radioaktivnom otpadu, o nuklearnim centralama. Posebno je opasna za živi svijet, jer izaziva nasljedne promjene u DNK, koje zovemo mutacije. Mutacije izazvane gama-radijacijom vrlo čestu su veoma ružne i nepovoljne po organizam, te organizmi pogođeni ovakvim mutacijama obično umiru.

Prodornost različitih vrsta zračenja

Radioaktivnost – radioaktivni raspad, vrijeme poluraspada i vrste nuklearnih reakcija

Radioaktivni raspad je proces u kojem nestabilna jezgra emituje određene čestice, a sve te interakcije dovode do stvaranje stabilnije jezgre. Postoje alfa i beta raspadi, međutim za sada je vama dovoljno da  znate samo šta je to alfa raspad, s obzirom da su beta raspadi mnogo komplikovaniji i postoje različiti podtipovi beta raspada.

U alfa raspadu, jezgro radioaktivnog izotopa emituje jednu alfa-česticu. Kako alfa-čestica ima dva protona, to će se atomski broj početnog jezgra smanjiti za 2. Kako alfa čestica ima 4 čestice u sebi – 2 protona i 2 neutrona - to će maseni broj novog jezgra biti manji za 4 kada izgubi alfa-česticu. Recimo, od torijuma-232 alfa raspadom nastaje radijum-228, jezgra koja ima 2 protona manje od torijuma, a 4 čestice manje od torijuma-232.

Radioaktivni izotopi se ne raspadaju istom brzinom – neki se raspadaju sporije, a neki brže. 

Brzinu raspadanja mjerimo vremenom poluraspada, odnosno, vremenom koje je potrebno da polovina atoma u nekom uzorku pretrpi radioaktivni raspad. Naime, ne možemo predvidjeti raspade pojedinačnih atoma, jer se oni raspadaju nasumice, pa je ovo bolji način procjenjivanja. Od 100% uzorka, pola se raspadne, a pola ne, pa se zatim pola od te druge polovine raspadne i sve tako. Oznaka za vrijeme poluraspada je t/2 a jedinica radioaktivnog raspada je bekerel, po naučniku Henriju Bekerelu. Jedan bekerel je jednak jednom raspadu jezgre u sekundi. Drugi naziv za raspad jezgre jeste dezintegracija.

Vrijeme poluraspada urana-238 iznosi 4.5 milijardi godina, stroncijuma- 90 oko  29 godina, a polonijuma –210 iznosi 138 dana.

Međutim radioaktivni elementi ne samo da se raspadaju spontano, nego ih naučnici mogu bombardovati neutronima te tako ubrzati ovo raspadanje, a pri tome dobiti veliku količinu energije. Ta energija se može koristiti za proizvodnju struje u nuklearnim centralama ili kao gorivo za spejs-šatlove, ali i za ratovanje i razaranje.

Ovaj proces cijepanje jezgri kada ih se bombarduje neutronom se zove nuklearna fisija. Pri fisiji nastaje radioaktivni otpad.

Osim što se jezgra nestabilnih izotopa –radioizotopa, mogu raspadati na manje jezgra, emitujući pri tom određene vrste čestica i zračenja,    manja i lakša jezgra, poput jezgri vodikovih izotopa se mogu udruživati u teža, poput jezgri helijuma, naravno, u određenim uslovima. Ovaj proces se zove nuklearna fuzija i pri tom procesu se također oslobađa energija, ali nema radiokativnih nus-produkata kao pri nuklearnoj fisiji, što će reći da nema radioaktivnog otpada. Nuklearne centrale proizvode struju pomoću nuklearne fisije, dok energija na Suncu nastaje usljed nuklearne fuzije. Naučnici danas pokušavaju stvoriti nuklearni reaktor koji bi radio po principu nuklearne fuzije, baš kao Sunce, a ne bi stvarao nuklearni otpad.

Kraftwerk: Radioactivity:

(video lekciju o radijacija i radioaktivnosti možete naći na online platformi za učenje Bookvar, u sklopu kursa "Hemija")