Radioactivitatea este procesul prin care nucleele atomice instabile eliberează particule subatomice energetice sau radiații electromagnetice (EMR). Acest fenomen poate face ca un element să se transforme în altul și este parțial responsabil pentru căldura nucleului Pământului. Radioactivitatea are o gamă largă de utilizări, inclusiv energia nucleară, în medicină și în datarea probelor organice și geologice. Este, de asemenea, potențial periculoasă, deoarece particulele de mare energie și radiațiile pot deteriora și ucide celulele și pot modifica ADN-ul, provocând cancer.
Dezintegrarea radioactivă
Se spune că nucleele atomice instabili se descompun, ceea ce înseamnă că își pierd o parte din masă sau energie pentru a ajunge la o stare mai stabilă, cu energie mai scăzută. Acest proces este observat cel mai adesea în elementele mai grele, cum ar fi uraniul. Niciunul dintre elementele mai grele decât plumbul nu are izotopi stabili, dar elementele mai ușoare pot exista și sub forme instabile, radioactive, cum ar fi carbonul-14. Se crede că căldura din degradarea elementelor radioactive menține temperatura foarte ridicată a nucleului Pământului, menținându-l în stare lichidă, ceea ce este esențial pentru menținerea câmpului magnetic care ferește planeta de radiațiile dăunătoare.
Dezintegrarea radioactivă este un proces aleatoriu, ceea ce înseamnă că este imposibil din punct de vedere fizic să preziceți dacă un anumit nucleu atomic se va descompune sau nu și va emite radiații la un moment dat. În schimb, este cuantificat prin timpul de înjumătățire, care este perioada de timp necesară pentru ca jumătate dintr-o probă dată de nuclee să se descompună. Timpul de înjumătățire se aplică unui eșantion de orice dimensiune, de la o cantitate microscopică la toți atomii de acest tip din univers. Diferiții izotopi radioactivi variază foarte mult în timpul lor de înjumătățire, care variază de la câteva secunde, în cazul astatin-218, până la miliarde de ani pentru uraniu-238.
Tipuri de degradare
Pentru a fi stabil, un nucleu nu poate fi prea greu și trebuie să aibă echilibrul corect de protoni și neutroni. Un nucleu greu – unul care are un număr mare de protoni și neutroni – va pierde mai devreme sau mai târziu din greutate, sau din masă, prin emiterea unei particule alfa, care constă din doi protoni și doi neutroni legați împreună. Aceste particule au o sarcină electrică pozitivă și, în comparație cu alte particule care pot fi emise, sunt grele și se mișcă lentă. Dezintegrarea alfa într-un element îl face să se transforme într-un element mai ușor.
Dezintegrarea beta apare atunci când un nucleu are prea mulți neutroni pentru numărul său de protoni. În acest proces, un neutron, care este neutru din punct de vedere electric, se transformă spontan într-un proton încărcat pozitiv prin emiterea unui electron încărcat negativ. Acești electroni de înaltă energie sunt cunoscuți ca raze beta sau particule beta. Deoarece aceasta crește numărul de protoni din nucleu, înseamnă că atomul se schimbă într-un element diferit cu mai mulți protoni.
Procesul invers poate avea loc acolo unde sunt prea mulți protoni, în comparație cu neutroni. Cu alte cuvinte, un proton se transformă într-un neutron prin emiterea unui pozitron, care este antiparticula încărcată pozitiv a electronului. Aceasta este uneori numită dezintegrare beta pozitivă și are ca rezultat transformarea atomului într-un element cu mai puțini protoni. Ambele tipuri de dezintegrare beta produc particule încărcate electric care sunt foarte ușoare și rapide.
Deși aceste transformări eliberează energie sub formă de masă, ele pot lăsa și nucleul rămas într-o stare „excitată”, unde are mai mult decât cantitatea minimă de energie. Prin urmare, va pierde această energie suplimentară prin emiterea unei raze gamma – o formă de radiație electromagnetică de foarte înaltă frecvență. Razele gamma nu au greutate și călătoresc cu viteza luminii.
Unele nuclee grele pot, în loc să emită particule alfa, să se despartă, eliberând multă energie, un proces cunoscut sub numele de fisiune nucleară. Poate apărea spontan în unii izotopi ai elementelor grele, cum ar fi uraniul-235. Procesul eliberează și neutroni. Pe lângă faptul că se întâmplă spontan, fisiunea poate fi provocată de un nucleu greu care absoarbe un neutron. Dacă este reunit suficient material fisionabil, poate avea loc o reacție în lanț în care neutronii produși prin fisiune provoacă scindarea altor nuclee, eliberând mai mulți neutroni și așa mai departe.
Utilizeaza
Cele mai cunoscute utilizări ale radioactivității sunt, probabil, în centralele nucleare și în armele nucleare. Primele arme atomice au folosit o reacție în lanț pentru a elibera o cantitate imensă de energie sub formă de căldură intensă, lumină și radiații ionizante. Deși armele nucleare moderne folosesc în principal fuziunea pentru a elibera energie, aceasta este încă inițiată de o reacție de fisiune. Centralele nucleare folosesc fisiunea atent controlată pentru a produce căldură pentru a conduce turbinele cu abur care generează electricitate.
În medicină, radioactivitatea poate fi utilizată într-un mod țintit pentru a distruge excrescențe canceroase. Deoarece este ușor de detectat, este folosit și pentru a urmări progresul și asimilarea medicamentelor de către organe sau pentru a verifica dacă acestea funcționează corect. Izotopii radioactivi sunt adesea folosiți pentru datarea probelor de material. Substanțele organice pot fi datate prin măsurarea cantității de carbon-14 pe care o conțin, în timp ce vârsta unei probe de rocă poate fi determinată prin compararea cantităților diferiților izotopi radioactivi prezenți. Această tehnică a permis oamenilor de știință să măsoare vârsta Pământului.
Efectele sanatatii
Într-un context de sănătate, toate emisiile de la nucleele atomice în descompunere, fie că sunt particule sau EMR, tind să fie descrise ca radiații și toate sunt potențial periculoase. Aceste emisii fie sunt ionizante în sine, fie interacționează cu materia din organism într-un mod care produce radiații ionizante. Aceasta înseamnă că pot elimina electronii din atomi, transformându-i în ioni încărcați pozitiv. Acestea pot reacționa apoi cu alți atomi dintr-o moleculă sau cu moleculele vecine, provocând modificări chimice care pot ucide celulele sau pot provoca cancer, mai ales dacă radiațiile au interacționat cu ADN-ul.
Tipul de radiație care este cel mai periculoasă pentru oameni depinde de circumstanțele în care este întâlnită. Particulele alfa pot călători doar pe o distanță scurtă prin aer și nu pot pătrunde prin stratul exterior al pielii. Dacă vin în contact cu țesutul viu, totuși, sunt cea mai periculoasă formă de radiație. Acest lucru se poate întâmpla dacă ceva care emite radiații alfa este înghițit sau inhalat.
Radiația beta poate pătrunde în piele, dar este oprită de un strat subțire de metal, cum ar fi folia de aluminiu. Neutronii și radiațiile gamma sunt mult mai pătrunzătoare și este necesară o ecranare groasă pentru a proteja sănătatea. Deoarece majoritatea radiațiilor gamma trec prin corp, este de obicei mai puțin probabil să provoace boli la niveluri scăzute, dar este totuși un pericol foarte grav. Dacă materialele, inclusiv țesutul viu, absorb neutronii, ei înșiși pot deveni radioactivi.
Expunerea la radiații nocive se măsoară în general în ceea ce privește cantitatea de energie absorbită de materialul expus, măsură care poate fi aplicată tuturor formelor de radiații și tuturor materialelor, deși este utilizată cel mai frecvent în contextul sănătății umane. Unitatea SI pentru expunere este gri, un gri fiind echivalent cu un joule de energie absorbită per kilogram de materie. În SUA, totuși, o altă unitate – rad, care este echivalent cu 0.01 gri – este adesea folosită.
Deoarece diferitele tipuri de radioactivitate se comportă în moduri diferite, o altă măsurătoare, sievert, este utilizată pentru a oferi o idee mai bună asupra efectelor probabile asupra sănătății ale unei doze date. Se calculează prin înmulțirea dozei în gri cu un factor de calitate specific unui anumit tip de radiație. De exemplu, factorul de calitate pentru radiația gamma este 1, dar valoarea pentru particulele alfa este 20. Prin urmare, expunerea țesutului viu la 0.1 gri de particule alfa ar duce la o doză de 2.0 sievert și ar fi de așteptat să aibă douăzeci de ori. efectul biologic ca un gri al radiației gamma. O doză de patru până la cinci sieverts, primită într-o perioadă scurtă de timp, prezintă un risc de 50% de deces în decurs de 30 de zile.