Radioaktivnost je proces, pri katerem nestabilna atomska jedra sproščajo energične subatomske delce ali elektromagnetno sevanje (EMR). Ta pojav lahko povzroči, da se en element spremeni v drugega in je delno odgovoren za toploto zemeljskega jedra. Radioaktivnost ima široko paleto uporab, vključno z jedrsko energijo, v medicini ter pri datiranju organskih in geoloških vzorcev. Prav tako je potencialno nevaren, saj lahko visokoenergetski delci in sevanje poškodujejo in ubijejo celice ter spremenijo DNK, kar povzroči raka.
Radioaktivni razpad
Nestabilna atomska jedra naj bi razpadla, kar pomeni, da izgubijo del svoje mase ali energije, da bi dosegli stabilnejše stanje z nižjo energijo. Ta proces je najpogosteje viden pri težjih elementih, kot je uran. Nobeden od elementov, težjih od svinca, nima stabilnih izotopov, lahko pa obstajajo tudi lažji elementi v nestabilnih, radioaktivnih oblikah, kot je ogljik-14. Menijo, da toplota zaradi razpada radioaktivnih elementov vzdržuje zelo visoko temperaturo zemeljskega jedra in ga ohranja v tekočem stanju, kar je bistveno za vzdrževanje magnetnega polja, ki ščiti planet pred škodljivim sevanjem.
Radioaktivni razpad je naključen proces, kar pomeni, da je fizično nemogoče predvideti, ali bo dano atomsko jedro v danem trenutku razpadlo in oddalo sevanje. Namesto tega je kvantificiran z razpolovno dobo, ki je čas, ki je potreben, da polovica danega vzorca jeder razpade. Razpolovna doba velja za vzorec katere koli velikosti, od mikroskopske količine do vseh atomov te vrste v vesolju. Različni radioaktivni izotopi se zelo razlikujejo po razpolovni dobi, ki se giblje od nekaj sekund, v primeru astatina-218, do milijard let za uran-238.
Vrste razpadanja
Da bi bilo jedro stabilno, ne more biti pretežko in mora imeti pravo ravnovesje protonov in nevtronov. Težko jedro – tisto, ki ima veliko število protonov in nevtronov – bo prej ali slej izgubilo nekaj teže ali mase z oddajanjem alfa delca, ki je sestavljen iz dveh protonov in dveh nevtronov, povezanih skupaj. Ti delci imajo pozitiven električni naboj in so v primerjavi z drugimi delci, ki se lahko oddajajo, težki in se počasi premikajo. Alfa razpad v elementu povzroči, da se spremeni v lažji element.
Beta razpad se pojavi, ko ima jedro preveč nevtronov za svoje število protonov. V tem procesu se nevtron, ki je električno nevtralen, spontano spremeni v pozitivno nabit proton z oddajanjem negativno nabitega elektrona. Ti visokoenergetski elektroni so znani kot beta žarki ali beta delci. Ker se s tem poveča število protonov v jedru, to pomeni, da se atom spremeni v drug element z več protoni.
Obratni proces se lahko zgodi tam, kjer je preveč protonov v primerjavi z nevtroni. Z drugimi besedami, proton se spremeni v nevtron z oddajanjem pozitrona, ki je pozitivno nabit antidelec elektrona. Temu včasih rečemo pozitiven beta razpad in povzroči, da se atom spremeni v element z manj protoni. Obe vrsti beta razpada proizvajata električno nabite delce, ki so zelo lahki in hitri.
Čeprav te transformacije sproščajo energijo v obliki mase, lahko preostalo jedro pustijo tudi v »vzbujenem« stanju, kjer ima več kot minimalno količino energije. To dodatno energijo bo torej izgubil z oddajanjem gama žarka – zelo visokofrekvenčne oblike elektromagnetnega sevanja. Gama žarki nimajo teže in potujejo s svetlobno hitrostjo.
Nekatera težka jedra se lahko, namesto da bi oddajala alfa delce, dejansko razcepijo in sprostijo veliko energije, proces, znan kot jedrska cepitev. Lahko se pojavi spontano v nekaterih izotopih težkih elementov, kot je uran-235. Postopek sprošča tudi nevtrone. Poleg tega, da se cepitev zgodi spontano, lahko povzroči težko jedro, ki absorbira nevtron. Če se združi dovolj cepljivega materiala, lahko pride do verižne reakcije, kjer nevtroni, ki nastanejo s cepljenjem, povzročijo, da se druga jedra razcepijo, pri čemer se sprosti več nevtronov itd.
uporabljate
Najbolj znane uporabe radioaktivnosti so morda v jedrskih elektrarnah in jedrskem orožju. Prvo atomsko orožje je uporabilo bežno verižno reakcijo za sprostitev ogromne količine energije v obliki močne toplote, svetlobe in ionizirajočega sevanja. Čeprav sodobno jedrsko orožje uporablja predvsem fuzijo za sproščanje energije, to še vedno sproži reakcija cepitve. Jedrske elektrarne uporabljajo skrbno nadzorovano cepitev za proizvodnjo toplote za pogon parnih turbin, ki proizvajajo električno energijo.
V medicini se radioaktivnost lahko ciljno uporablja za uničenje rakavih izrastkov. Ker se zlahka odkrije, se uporablja tudi za sledenje napredka in vnosa zdravil v organe oziroma za preverjanje njihovega delovanja. Za datiranje vzorcev materiala se pogosto uporabljajo radioaktivni izotopi. Organske snovi je mogoče datirati z merjenjem količine ogljika-14, ki jih vsebujejo, medtem ko lahko starost vzorca kamnine določimo s primerjavo količin različnih prisotnih radioaktivnih izotopov. Ta tehnika je znanstvenikom omogočila merjenje starosti Zemlje.
Učinki na zdravje
V zdravstvenem kontekstu se vse emisije iz razpadajočih atomskih jeder, bodisi delcev ali EMR, običajno opišejo kot sevanja in so vse potencialno nevarne. Te emisije so same po sebi ionizirajoče ali pa medsebojno delujejo s snovjo v telesu na način, ki proizvaja ionizirajoče sevanje. To pomeni, da lahko odstranijo elektrone iz atomov in jih spremenijo v pozitivno nabite ione. Ti lahko nato reagirajo z drugimi atomi v molekuli ali v sosednjih molekulah, kar povzroči kemične spremembe, ki lahko ubijejo celice ali povzročijo raka, zlasti če je sevanje vplivalo na DNK.
Vrsta sevanja, ki je najbolj nevarna za človeka, je odvisna od okoliščin, v katerih se srečamo. Alfa delci lahko potujejo le na kratko razdaljo po zraku in ne morejo prodreti skozi zunanjo plast kože. Če pridejo v stik z živim tkivom, pa so najnevarnejša oblika sevanja. To se lahko zgodi, če nekaj, kar oddaja alfa sevanje, pogoltne ali vdihne.
Beta sevanje lahko prodre v kožo, vendar ga ustavi tanka plast kovine, kot je aluminijasta folija. Nevtroni in gama sevanje so veliko bolj prodorni in za varovanje zdravja je potrebna debela zaščita. Ker večina gama sevanja prehaja skozi telo, je običajno manj verjetno, da bo povzročilo bolezen pri nizkih ravneh, vendar je še vedno zelo resna nevarnost. Če materiali, vključno z živim tkivom, absorbirajo nevtrone, lahko sami postanejo radioaktivni.
Izpostavljenost škodljivemu sevanju se na splošno meri glede na količino energije, ki jo absorbira izpostavljeni material, ukrep, ki ga lahko uporabimo za vse oblike sevanja in vse materiale, čeprav se najpogosteje uporablja v kontekstu zdravja ljudi. Enota SI za izpostavljenost je siva, pri čemer je ena siva enaka enemu džulu absorbirane energije na kilogram snovi. V ZDA pa se pogosto uporablja druga enota – rad, ki je enaka 0.01 sivih.
Ker se različne vrste radioaktivnosti obnašajo na različne načine, se za boljšo predstavo o verjetnih učinkih določenega odmerka na zdravje uporablja druga meritev, sivert. Izračuna se tako, da se odmerek v sivih barvah pomnoži s faktorjem kakovosti, ki je značilen za določeno vrsto sevanja. Na primer, faktor kakovosti za gama sevanje je 1, vrednost za alfa delce pa je 20. Zato bi izpostavljenost živega tkiva 0.1 sivem alfa delcem povzročila odmerek 2.0 siverta in bi bilo pričakovati dvajsetkratno biološki učinek kot ena sivina gama sevanja. Odmerek štirih do pet sievertov, prejet v kratkem časovnem obdobju, pomeni 50-odstotno tveganje smrti v 30 dneh.