radioaktivnost

radioaktivnost (radio- + aktivnost), spontano emitiranje alfa-česticȃ i beta-česticȃ iz tvari, često praćeno i emisijom gama-elektromagnetskih valova, pri čem se mijenjaju svojstva tvari, tj. kemijski elementi prelaze iz jednih u druge te se oslobađa energija u obliku kinetičke energije emitiranih čestica ili energije elektromagnetskih valova.

Povijest istraživanja

Prirodnu radioaktivnost otkrio je Antoine Henri Becquerel 1896. uočivši da uranijeve soli emitiraju nevidljivo zračenje koje djeluje na fotografsku ploču kroz zaštitni papir te da pod utjecajem toga zračenja elektroskop gubi električni naboj. Maria Curie-Skłodowska otkrila je 1898. da se na zračenje ne može utjecati električnom strujom, zagrijavanjem, kemijskim reakcijama i sl., da se radioaktivni kemijski elementi pretvaraju jedni u druge i da vjerojatnost raspada ne ovisi o starosti pojedinog atoma. Ernest Rutherford otkrio je 1899. da se zračenje radija može podijeliti u dvije komponente, koje se različito apsorbiraju u tvarima. Slabo prodornu komponentu, koja je jako ionizirala zrak, nazvao je alfa-zrakama, prodorniju komponentu beta-zrakama. Francuski fizičar Paul Urlich Villard već je 1900. otkrio još prodorniju komponentu zračenja, gama-zrake. Rutherford i Frederick Soddy (1902) na temelju analize gibanja zrakâ u magnetskome polju objasnili su prirodu radioaktivnosti. Wolfgang Pauli postavio je 1930. hipotezu o postojanju neutrina, tadašnjim detektorima neuhvatljive čestice koja odnosi dio energije u beta-raspadu. Enrico Fermi postavio je 1933. prvu strogu teoriju beta-raspada koja pretpostavlja da prijelaz neutrona u proton ili obratno uzrokuje slabo nuklearno međudjelovanje, a pritom dolazi do simultane emisije, odnosno apsorpcije elektrona i neutrina. Irène Joliot-Curie i Frédéric Joliot-Curie prvi su 1934. umjetno izazvali radioaktivnost i proizveli umjetni radionuklid stabilnog kemijskog elementa.

Zakon radioaktivnog raspadanja

Zakon radioaktivnoga raspadanja statistički opisuje koliko će se radioaktivnih atomskih jezgara raspasti u nekom uzorku radioaktivne tvari u određenom vremenskom intervalu. Broj raspadnutih jezgri ovisi o početnom broju radioaktivnih jezgara N₀, promatranom vremenu raspadanja t i vremenu poluraspada T : tako da je N = N₀2^(–t/T). Može se izraziti i s pomoću konstante raspada λ = (ln2)/T kao N = N₀e^–λt.

Radioaktivne promjene atomske jezgre

Nestabilna atomska jezgra (nastala prirodno ili proizvedena) može emitirati gama-zračenje i/ili čestice: elektrone ili pozitrone (beta-zračenje) praćene neutrinima i jezgre helija (alfa-zračenje).

Alfa-raspad promjena je atomske jezgre pri kojoj jezgra emitira alfa-česticu (jezgru helija), maseni broj se smanjuje za 4, a atomski broj za 2. Primjerice alfa-raspadom ²³⁸U nastaju ²³⁴Th i alfa-čestica:

\(\displaystyle {\rm _{\;92}^{238}U}\rightarrow{\rm _{\;90}^{234}Th}+{_2^4{\rm α}}\).

Beta-raspad promjena je jezgre pri kojoj dolazi do emisije, odnosno apsorpcije elektrona ili pozitrona i antineutrina ili neutrina. Pritom se maseni broj ne mijenja, a redni broj atoma promijeni se za jedan. U prirodnim radioaktivnim nizovima pri tzv. beta-minus-raspadu jedan neutron u jezgri raspada se na elektron, antineutrino i proton te se atomski broj atoma poveća za jedan. Primjerice beta-raspadom ²³⁴Th nastaju ²³⁴Pa, beta-minus-čestica i antineutrino:

\(\displaystyle {\rm _{\;90}^{234}Th}\rightarrow{\rm _{\;91}^{234}Pa}+{_{-1}^{\;\;0}{\rm β}}+\overline{\rm ν}\).

Prilikom umjetno izazvane radioaktivnosti može doći i do beta-plus-raspada, tj. emisije pozitrona i neutrina; maseni broj atoma ostaje isti, a atomski se broj smanji za jedan:

\(\displaystyle {\rm _{\;6}^{11}C}\rightarrow{\rm _{\;5}^{11}B}+{_1^0{\rm β}^++{\rm ν}}\).

Elektronski uhvat pojava je pri kojoj jezgra zahvati jedan elektron iz atomskog omotača i smanji svoj pozitivni naboj za jedan. Udaljeni elektroni popunjavaju ispražnjena mjesta i pritom se emitira rendgensko zračenje:

\(\displaystyle {\rm _{4}^{7}Be}+{\rm_{-1}^{\;\;0}e}\rightarrow+{\rm _{3}^{7}Li}+{\rm ν}\).

Gama-radioaktivnost prijelaz je između stanja više pobuđenosti atomske jezgre u stanje niže pobuđenosti ili u osnovno stanje, a elektromagnetsko zračenje visoke frekvencije koje se pritom emitira naziva se gama-zračenje. Tada se ne mijenjaju atomski ni maseni broj atoma.

Unutarnja konverzija proces je pri kojem atomska jezgra izravno predaje višak energije elektronu u unutarnjim slojevima atomskog omotača. Taj elektron napušta atom, a njegovo izbacivanje prati emisija rendgenskog zračenja. Atomski i maseni brojevi atoma ne mijenjaju se.

Zračenja nastala radioaktivnošću međusobno se razlikuju po prodornosti, električnom naboju, i po procesima koji dovode do njihove emisije. Alfa-zračenje u zraku je dometa 2 cm do 8 cm, ovisno o energiji, a može ga zaustaviti i papir; domet beta-zračenja je do 10 m, može ga zaustaviti aluminijski lim debeo nekoliko milimetara; domet gama-zračenja u zraku je do 100 m, a većinu gama-zračenja može zaustaviti desetak centimetara debela olovna ploča. U magnetskom polju alfa-zrake savijaju se kao pozitivno nabijene čestice, beta-zrake kao negativne, a gama-zrake prolaze nesmetano.

Radioaktivnost se detektira i mjeri (→ bekerel; grej) detektorima za radioaktivno zračenje, npr. Geiger-Müllerovim brojilom, ionizacijskom komorom, scintilacijskim brojilom, Wilsonovom komorom.

Radioaktivni nizovi

Radioaktivni nizovi su skupine prirodnih radionuklida koji nastaju jedni od drugih. Početni je radionuklid onaj s najduljim vremenom poluraspada, a konačni su radionuklidi stabilni. Budući da se prirodnom radioaktivnošću maseni broj atomske jezgre može promijeniti samo za 4, sve radionuklide može se svrstati u četiri niza s masenim brojevima A koji zadovoljavaju: A = 4n + k, gdje je n prirodan broj, a k = 0, 1, 2, 3.

Na Zemlji prirodno postoje samo produkti triju nizova: uranijeva, aktinijeva i torijeva, dok su se svi članovi neptunijeva niza zbog kratkoga vremena poluraspada već odavno raspali. Prirodna radioaktivnost potječe od približno 60 prirodnih radionuklida koji se nalaze u tlu, zraku i vodi.

Umjetna radioaktivnost

Radioaktivne jezgre mogu se dobiti bombardiranjem stabilnih jezgara protonima, alfa-česticama, neutronima itd., a najprikladniji su neutroni zato što nemaju električnoga naboja pa ne moraju imati veliku kinetičku energiju kako bi prodrli u atomske jezgre. Danas kao glavni izvor umjetnih radioaktivnih elemenata služe nuklearni reaktori i akceleratori. Tijekom II. svjetskog rata i pedeset godina poslije razvijano je nuklearno oružje, a radioaktivnost razarajuće djeluje na ljude i sve žive organizme, kontaminira materijalne tvorevine, zemljište i zrak. (→ izotopi; radioaktivne oborine; radioaktivni otpad; radioizotopno datiranje)