Radioaktyvumas yra procesas, kurio metu nestabilūs atominiai branduoliai išskiria energingas subatomines daleles arba elektromagnetinę spinduliuotę (EMR). Dėl šio reiškinio vienas elementas gali virsti kitu ir iš dalies yra atsakingas už Žemės šerdies šilumą. Radioaktyvumas yra plačiai naudojamas, įskaitant branduolinę energiją, medicinoje ir organinių bei geologinių mėginių datavimui. Tai taip pat potencialiai pavojinga, nes didelės energijos dalelės ir spinduliuotė gali pažeisti ir nužudyti ląsteles bei pakeisti DNR ir sukelti vėžį.
Radioaktyvusis skilimas
Teigiama, kad nestabilūs atomų branduoliai suyra, o tai reiškia, kad jie praranda dalį savo masės ar energijos, kad pasiektų stabilesnę, mažesnės energijos būseną. Šis procesas dažniausiai pastebimas sunkesniuose elementuose, tokiuose kaip uranas. Nė vienas iš elementų, sunkesnių už šviną, neturi stabilių izotopų, tačiau lengvesni elementai taip pat gali egzistuoti nestabilios, radioaktyvios formos, pavyzdžiui, anglies-14. Manoma, kad radioaktyviųjų elementų skilimo šiluma palaiko labai aukštą Žemės šerdies temperatūrą, išlaiko ją skystoje būsenoje, o tai būtina norint palaikyti magnetinį lauką, kuris apsaugo planetą nuo žalingos spinduliuotės.
Radioaktyvusis skilimas yra atsitiktinis procesas, o tai reiškia, kad fiziškai neįmanoma numatyti, ar tam tikras atomo branduolys suirs ir skleis spinduliuotę bet kuriuo momentu. Vietoj to, jis kiekybiškai įvertinamas pusinės eliminacijos periodu, kuris yra laikotarpis, per kurį pusė tam tikro branduolio mėginio suyra. Pusinės eliminacijos laikas taikomas bet kokio dydžio mėginiui – nuo mikroskopinio kiekio iki visų tokio tipo atomų visatoje. Įvairių radioaktyvių izotopų pusinės eliminacijos laikas labai skiriasi – nuo kelių sekundžių (astatino-218) iki milijardų metų urano-238.
Skilimo rūšys
Kad branduolys būtų stabilus, jis negali būti per sunkus ir turi turėti tinkamą protonų ir neutronų pusiausvyrą. Sunkusis branduolys, turintis daug protonų ir neutronų, anksčiau ar vėliau neteks svorio arba masės, išskirdamas alfa dalelę, kurią sudaro du protonai ir du neutronai, sujungti. Šios dalelės turi teigiamą elektros krūvį ir, palyginti su kitomis dalelėmis, kurios gali išsiskirti, yra sunkios ir lėtai juda. Dėl alfa skilimo elemente jis virsta lengvesniu elementu.
Beta skilimas įvyksta, kai branduolyje yra per daug neutronų jo protonų skaičiui. Šiame procese neutronas, kuris yra elektriškai neutralus, spontaniškai virsta teigiamai įkrautu protonu, išskirdamas neigiamo krūvio elektroną. Šie didelės energijos elektronai yra žinomi kaip beta spinduliai arba beta dalelės. Kadangi tai padidina protonų skaičių branduolyje, tai reiškia, kad atomas pereina į kitą elementą, turintį daugiau protonų.
Atvirkštinis procesas gali vykti ten, kur yra per daug protonų, palyginti su neutronais. Kitaip tariant, protonas virsta neutronu, išskirdamas pozitroną, kuris yra teigiamai įkrauta elektrono antidalelė. Tai kartais vadinama teigiamu beta skilimu ir dėl to atomas virsta elementu, turinčiu mažiau protonų. Abiejų tipų beta skilimo metu susidaro elektra įkrautos dalelės, kurios yra labai lengvos ir greitos.
Nors šios transformacijos išskiria energiją masės pavidalu, jos taip pat gali palikti likusį branduolį „sužadintoje“ būsenoje, kur jis turi daugiau nei minimalus energijos kiekis. Todėl ji praras šią papildomą energiją skleisdama gama spinduliuotę – labai aukšto dažnio elektromagnetinės spinduliuotės formą. Gama spinduliai neturi svorio ir sklinda šviesos greičiu.
Kai kurie sunkieji branduoliai, užuot išskyrę alfa daleles, iš tikrųjų gali suskilti, išskirdami daug energijos. Šis procesas vadinamas branduolio dalijimusi. Jis gali atsirasti spontaniškai kai kuriuose sunkiųjų elementų izotopuose, tokiuose kaip uranas-235. Procesas taip pat išskiria neutronus. Dalijimąsi gali sukelti ne tik spontaniškai, bet ir sunkusis branduolys, sugeriantis neutroną. Jei surenkama pakankamai daug dalimųjų medžiagų, gali įvykti grandininė reakcija, kai dėl dalijimosi susidarančių neutronų suskaidomi kiti branduoliai, išskirdami daugiau neutronų ir pan.
Naudoja
Labiausiai žinomi radioaktyvumo panaudojimo būdai yra atominėse elektrinėse ir branduoliniuose ginkluose. Pirmieji atominiai ginklai panaudojo pabėgusią grandininę reakciją, kad išlaisvintų didžiulį energijos kiekį intensyvios šilumos, šviesos ir jonizuojančiosios spinduliuotės pavidalu. Nors šiuolaikiniai branduoliniai ginklai energijai išlaisvinti pirmiausia naudoja sintezę, tai vis tiek inicijuoja dalijimosi reakcija. Atominės elektrinės naudoja kruopščiai kontroliuojamą dalijimąsi, kad pagamintų šilumą, kad būtų varomos garo turbinos, gaminančios elektrą.
Medicinoje radioaktyvumas gali būti tikslingai panaudotas vėžinėms ataugoms sunaikinti. Kadangi jį nesunku aptikti, jis taip pat naudojamas norint sekti vaistų eigą ir įsisavinimą organuose arba patikrinti, ar jie tinkamai veikia. Radioaktyvieji izotopai dažnai naudojami medžiagos mėginiams datuoti. Organines medžiagas galima datuoti išmatavus jose esantį anglies-14 kiekį, o uolienų mėginio amžių galima nustatyti lyginant įvairių esamų radioaktyviųjų izotopų kiekius. Ši technika leido mokslininkams išmatuoti Žemės amžių.
Poveikis sveikatai
Sveikatos kontekste visi yrančių atomų branduolių išmetimai, nesvarbu, ar jie yra dalelės, ar EMR, paprastai apibūdinami kaip spinduliuotė, ir jie visi yra potencialiai pavojingi. Šios emisijos arba pačios jonizuojasi, arba sąveikauja su kūno medžiaga taip, kad gamina jonizuojančiąją spinduliuotę. Tai reiškia, kad jie gali pašalinti elektronus iš atomų, paversdami juos teigiamai įkrautais jonais. Tada jie gali reaguoti su kitais molekulės ar kaimyninių molekulių atomais, sukeldami cheminius pokyčius, kurie gali nužudyti ląsteles arba sukelti vėžį, ypač jei spinduliuotė sąveikauja su DNR.
Žmonėms pavojingiausia spinduliuotė priklauso nuo aplinkybių, kuriomis ji susiduria. Alfa dalelės gali nukeliauti tik trumpą atstumą per orą ir negali prasiskverbti per išorinį odos sluoksnį. Tačiau jei jie liečiasi su gyvais audiniais, jie yra pavojingiausia spinduliuotės forma. Taip gali nutikti, jei kažkas, skleidžiantis alfa spinduliuotę, yra nuryjamas ar įkvėptas.
Beta spinduliuotė gali prasiskverbti į odą, tačiau ją sustabdo plonas metalo sluoksnis, pavyzdžiui, aliuminio folija. Neutronai ir gama spinduliuotė yra daug geriau prasiskverbianti, todėl norint apsaugoti sveikatą, reikalingas storas ekranas. Kadangi dauguma gama spinduliuotės prasiskverbia tiesiai per kūną, paprastai mažesnė tikimybė, kad ji sukels ligas, tačiau vis tiek yra labai rimtas pavojus. Jei medžiagos, įskaitant gyvus audinius, sugeria neutronus, jos pačios gali tapti radioaktyvios.
Žalingos spinduliuotės poveikis paprastai matuojamas veikiamos medžiagos sugertos energijos kiekiu – matas, kuris gali būti taikomas visų formų spinduliuotei ir visoms medžiagoms, nors jis dažniausiai naudojamas žmonių sveikatai. Ekspozicijos SI vienetas yra pilka, o viena pilka spalva atitinka vieną džaulį sugertos energijos kilogramui medžiagos. Tačiau JAV dažnai naudojamas kitas vienetas – rad, kuris atitinka 0.01 pilkumo.
Kadangi skirtingų tipų radioaktyvumas veikia skirtingai, siekiant geriau suprasti galimą tam tikros dozės poveikį sveikatai, naudojamas kitas matavimas, sivertas. Jis apskaičiuojamas padauginus dozę pilka spalva iš kokybės koeficiento, būdingo konkrečiai spinduliuotės rūšiai. Pavyzdžiui, gama spinduliuotės kokybės koeficientas yra 1, o alfa dalelių vertė yra 20. Todėl gyvą audinį veikiant 0.1 gray alfa dalelių, gautų 2.0 sivertų dozę ir turėtų būti dvidešimt kartų. biologinis poveikis kaip vienas gama spinduliuotės pilkumas. Per trumpą laiką gauta keturių ar penkių sivertų dozė kelia 50% mirties riziką per 30 dienų.