Ραδιενέργεια είναι η διαδικασία κατά την οποία ασταθείς ατομικοί πυρήνες απελευθερώνουν ενεργητικά υποατομικά σωματίδια ή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (EMR). Αυτό το φαινόμενο μπορεί να προκαλέσει τη μετατροπή ενός στοιχείου σε άλλο και είναι εν μέρει υπεύθυνο για τη θερμότητα του πυρήνα της Γης. Η ραδιενέργεια έχει ένα ευρύ φάσμα χρήσεων, συμπεριλαμβανομένης της πυρηνικής ενέργειας, στην ιατρική και στη χρονολόγηση οργανικών και γεωλογικών δειγμάτων. Είναι επίσης δυνητικά επικίνδυνο, καθώς τα σωματίδια υψηλής ενέργειας και η ακτινοβολία μπορούν να βλάψουν και να σκοτώσουν τα κύτταρα και να αλλάξουν το DNA, προκαλώντας καρκίνο.
Ραδιενεργή αποσύνθεση
Οι ασταθείς ατομικοί πυρήνες λέγεται ότι διασπώνται, που σημαίνει ότι χάνουν μέρος της μάζας ή της ενέργειάς τους για να φτάσουν σε μια πιο σταθερή, χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Αυτή η διαδικασία παρατηρείται συχνότερα στα βαρύτερα στοιχεία, όπως το ουράνιο. Κανένα από τα στοιχεία βαρύτερα από τον μόλυβδο δεν έχει σταθερά ισότοπα, αλλά τα ελαφρύτερα στοιχεία μπορούν επίσης να υπάρχουν σε ασταθείς, ραδιενεργές μορφές, όπως ο άνθρακας-14. Θεωρείται ότι η θερμότητα από τη διάσπαση των ραδιενεργών στοιχείων διατηρεί την πολύ υψηλή θερμοκρασία του πυρήνα της Γης, διατηρώντας τον σε υγρή κατάσταση, κάτι που είναι απαραίτητο για τη διατήρηση του μαγνητικού πεδίου που προστατεύει τον πλανήτη από την καταστροφική ακτινοβολία.
Η ραδιενεργή διάσπαση είναι μια τυχαία διαδικασία, που σημαίνει ότι είναι φυσικά αδύνατο να προβλεφθεί εάν ένας δεδομένος ατομικός πυρήνας θα διασπαστεί και θα εκπέμψει ακτινοβολία σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή. Αντίθετα, ποσοτικοποιείται με τον χρόνο ημιζωής, που είναι η χρονική περίοδος που χρειάζεται για να αποσυντεθεί το μισό από ένα δεδομένο δείγμα πυρήνων. Ο χρόνος ημιζωής ισχύει για ένα δείγμα οποιουδήποτε μεγέθους, από μια μικροσκοπική ποσότητα μέχρι όλα τα άτομα αυτού του τύπου στο σύμπαν. Τα διαφορετικά ραδιενεργά ισότοπα ποικίλλουν ευρέως ως προς τους χρόνους ημιζωής τους, οι οποίοι κυμαίνονται από λίγα δευτερόλεπτα, στην περίπτωση της αστατίνης-218, έως δισεκατομμύρια χρόνια για το ουράνιο-238.
Τύποι φθοράς
Για να είναι σταθερός, ένας πυρήνας δεν μπορεί να είναι πολύ βαρύς και πρέπει να έχει τη σωστή ισορροπία πρωτονίων και νετρονίων. Ένας βαρύς πυρήνας – ένας που έχει μεγάλο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων – αργά ή γρήγορα θα χάσει κάποιο βάρος, ή μάζα, εκπέμποντας ένα σωματίδιο άλφα, το οποίο αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια συνδεδεμένα μεταξύ τους. Αυτά τα σωματίδια έχουν θετικό ηλεκτρικό φορτίο και, σε σύγκριση με άλλα σωματίδια που μπορούν να εκπέμπονται, είναι βαριά και αργά κινούμενα. Η αποσύνθεση άλφα σε ένα στοιχείο το αναγκάζει να μετατραπεί σε ελαφρύτερο στοιχείο.
Η διάσπαση βήτα συμβαίνει όταν ένας πυρήνας έχει πάρα πολλά νετρόνια για τον αριθμό των πρωτονίων του. Σε αυτή τη διαδικασία, ένα νετρόνιο, το οποίο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, μεταβάλλεται αυθόρμητα σε θετικά φορτισμένο πρωτόνιο εκπέμποντας ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο. Αυτά τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας είναι γνωστά ως ακτίνες βήτα ή σωματίδια βήτα. Δεδομένου ότι αυτό αυξάνει τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα, σημαίνει ότι το άτομο αλλάζει σε διαφορετικό στοιχείο με περισσότερα πρωτόνια.
Η αντίστροφη διαδικασία μπορεί να συμβεί όπου υπάρχουν πάρα πολλά πρωτόνια, σε σύγκριση με τα νετρόνια. Με άλλα λόγια, ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα ποζιτρόνιο, το οποίο είναι το θετικά φορτισμένο αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου. Αυτό μερικές φορές ονομάζεται θετική βήτα διάσπαση και έχει ως αποτέλεσμα το άτομο να μετατρέπεται σε στοιχείο με λιγότερα πρωτόνια. Και οι δύο τύποι διάσπασης βήτα παράγουν ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια που είναι πολύ ελαφριά και γρήγορα.
Αν και αυτοί οι μετασχηματισμοί απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή μάζας, μπορούν επίσης να αφήσουν τον εναπομείναν πυρήνα σε μια «διεγερμένη» κατάσταση, όπου έχει περισσότερη από την ελάχιστη ποσότητα ενέργειας του. Ως εκ τούτου, θα χάσει αυτή την επιπλέον ενέργεια εκπέμποντας μια ακτίνα γάμμα — μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πολύ υψηλής συχνότητας. Οι ακτίνες γάμμα δεν έχουν βάρος και ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός.
Ορισμένοι βαρείς πυρήνες μπορούν, αντί να εκπέμπουν σωματίδια άλφα, στην πραγματικότητα να χωριστούν, απελευθερώνοντας πολλή ενέργεια, μια διαδικασία γνωστή ως πυρηνική σχάση. Μπορεί να εμφανιστεί αυθόρμητα σε ορισμένα ισότοπα βαρέων στοιχείων, όπως το ουράνιο-235. Η διαδικασία απελευθερώνει επίσης νετρόνια. Εκτός από αυθόρμητα, η σχάση μπορεί να προκληθεί από έναν βαρύ πυρήνα που απορροφά ένα νετρόνιο. Εάν συγκεντρωθεί αρκετό σχάσιμο υλικό, μπορεί να λάβει χώρα μια αλυσιδωτή αντίδραση όπου τα νετρόνια που παράγονται από τη σχάση προκαλούν τη διάσπαση άλλων πυρήνων, απελευθερώνοντας περισσότερα νετρόνια και ούτω καθεξής.
μπορείτε να χρησιμοποιήσετε
Οι πιο γνωστές χρήσεις της ραδιενέργειας είναι ίσως στους πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας και στα πυρηνικά όπλα. Τα πρώτα ατομικά όπλα έκαναν χρήση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης για να απελευθερώσουν μια τεράστια ποσότητα ενέργειας με τη μορφή έντονης θερμότητας, φωτός και ιονίζουσας ακτινοβολίας. Αν και τα σύγχρονα πυρηνικά όπλα χρησιμοποιούν κατά κύριο λόγο τη σύντηξη για την απελευθέρωση ενέργειας, αυτό εξακολουθεί να ξεκινά από μια αντίδραση σχάσης. Οι πυρηνικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής χρησιμοποιούν προσεκτικά ελεγχόμενη σχάση για την παραγωγή θερμότητας για την κίνηση ατμοστροβίλων που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.
Στην ιατρική, η ραδιενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί με στοχευμένο τρόπο για την καταστροφή των καρκινικών αναπτύξεων. Δεδομένου ότι ανιχνεύεται εύκολα, χρησιμοποιείται επίσης για τον εντοπισμό της προόδου και της πρόσληψης φαρμάκων από όργανα ή για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας τους. Τα ραδιενεργά ισότοπα χρησιμοποιούνται συχνά για τη χρονολόγηση δειγμάτων υλικού. Οι οργανικές ουσίες μπορούν να χρονολογηθούν μετρώντας την ποσότητα άνθρακα-14 που περιέχουν, ενώ η ηλικία ενός δείγματος πετρώματος μπορεί να προσδιοριστεί συγκρίνοντας τις ποσότητες διαφόρων ραδιενεργών ισοτόπων που υπάρχουν. Αυτή η τεχνική επέτρεψε στους επιστήμονες να μετρήσουν την ηλικία της Γης.
Επιπτώσεις στην υγεία
Σε ένα πλαίσιο υγείας, όλες οι εκπομπές από αποσυντιθέμενους ατομικούς πυρήνες, είτε σωματίδια είτε EMR, τείνουν να περιγράφονται ως ακτινοβολία και είναι όλες δυνητικά επικίνδυνες. Αυτές οι εκπομπές είτε είναι ιονίζουσες από μόνες τους είτε αλληλεπιδρούν με την ύλη του σώματος με τρόπο που παράγει ιοντίζουσα ακτινοβολία. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να αφαιρέσουν ηλεκτρόνια από τα άτομα, μετατρέποντάς τα σε θετικά φορτισμένα ιόντα. Αυτά μπορούν στη συνέχεια να αντιδράσουν με άλλα άτομα σε ένα μόριο ή σε γειτονικά μόρια, προκαλώντας χημικές αλλαγές που μπορούν να σκοτώσουν κύτταρα ή να προκαλέσουν καρκίνο, ειδικά εάν η ακτινοβολία έχει αλληλεπιδράσει με το DNA.
Το είδος της ακτινοβολίας που είναι πιο επικίνδυνο για τον άνθρωπο εξαρτάται από τις συνθήκες στις οποίες συναντάται. Τα σωματίδια άλφα μπορούν να ταξιδέψουν μόνο σε μικρή απόσταση μέσω του αέρα και δεν μπορούν να διεισδύσουν μέσω του εξωτερικού στρώματος του δέρματος. Εάν έρθουν σε επαφή με ζωντανό ιστό, ωστόσο, είναι η πιο επικίνδυνη μορφή ακτινοβολίας. Αυτό μπορεί να συμβεί εάν κάτι που εκπέμπει ακτινοβολία άλφα καταποθεί ή εισπνευστεί.
Η ακτινοβολία βήτα μπορεί να διεισδύσει στο δέρμα, αλλά σταματά από ένα λεπτό στρώμα μετάλλου, όπως το φύλλο αλουμινίου. Τα νετρόνια και η ακτινοβολία γάμμα είναι πολύ πιο διεισδυτικά και απαιτείται παχιά θωράκιση για την προστασία της υγείας. Δεδομένου ότι η περισσότερη ακτινοβολία γάμμα διέρχεται απευθείας από το σώμα, είναι συνήθως λιγότερο πιθανό να προκαλέσει ασθένεια σε χαμηλά επίπεδα, αλλά εξακολουθεί να αποτελεί πολύ σοβαρό κίνδυνο. Εάν τα υλικά, συμπεριλαμβανομένου του ζωντανού ιστού, απορροφούν νετρόνια, μπορούν να γίνουν τα ίδια ραδιενεργά.
Η έκθεση σε επιβλαβή ακτινοβολία μετριέται γενικά ως προς την ποσότητα ενέργειας που απορροφάται από το εκτεθειμένο υλικό, ένα μέτρο που μπορεί να εφαρμοστεί σε όλες τις μορφές ακτινοβολίας και σε όλα τα υλικά, αν και χρησιμοποιείται πιο συχνά στο πλαίσιο της ανθρώπινης υγείας. Η μονάδα SI για την έκθεση είναι το γκρι, με ένα γκρι ισοδύναμο με ένα joule ενέργειας που απορροφάται ανά κιλό ύλης. Στις ΗΠΑ, ωστόσο, χρησιμοποιείται συχνά μια άλλη μονάδα – το rad, που ισοδυναμεί με 0.01 γκρι.
Δεδομένου ότι διαφορετικοί τύποι ραδιενέργειας συμπεριφέρονται με διαφορετικούς τρόπους, μια άλλη μέτρηση, το sievert, χρησιμοποιείται για να δώσει μια καλύτερη ιδέα των πιθανών επιπτώσεων στην υγεία μιας δεδομένης δόσης. Υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τη δόση σε γκρι με έναν ποιοτικό παράγοντα που είναι συγκεκριμένος για τον συγκεκριμένο τύπο ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, ο παράγοντας ποιότητας για την ακτινοβολία γάμμα είναι 1, αλλά η τιμή για τα σωματίδια άλφα είναι 20. Επομένως, η έκθεση του ζωντανού ιστού σε 0.1 γκρι σωματίδια άλφα θα είχε ως αποτέλεσμα μια δόση 2.0 sieverts και θα αναμενόταν να είναι είκοσι φορές το βιολογικό αποτέλεσμα ως ένα γκρίζο ακτινοβολίας γάμμα. Μια δόση τεσσάρων έως πέντε sieverts, που λαμβάνεται σε σύντομο χρονικό διάστημα, ενέχει 50% κίνδυνο θανάτου εντός 30 ημερών.