Radioaktivitāte ir process, kurā nestabili atomu kodoli atbrīvo enerģētiskas subatomiskas daļiņas vai elektromagnētisko starojumu (EMR). Šī parādība var izraisīt viena elementa pārvēršanos citā un daļēji ir atbildīga par Zemes kodola siltumu. Radioaktivitātei ir plašs lietojumu klāsts, tostarp kodolenerģija, medicīnā un organisko un ģeoloģisko paraugu datēšanai. Tas ir arī potenciāli bīstams, jo augstas enerģijas daļiņas un starojums var bojāt un nogalināt šūnas, kā arī mainīt DNS, izraisot vēzi.
Radioaktīvā sabrukšana
Tiek uzskatīts, ka nestabilie atomu kodoli sadalās, kas nozīmē, ka tie zaudē daļu savas masas vai enerģijas, lai sasniegtu stabilāku, zemākas enerģijas stāvokli. Šo procesu visbiežāk novēro smagākos elementos, piemēram, urānā. Nevienam no elementiem, kas ir smagāki par svinu, nav stabilu izotopu, bet vieglāki elementi var pastāvēt arī nestabilās, radioaktīvās formās, piemēram, oglekļa-14. Tiek uzskatīts, ka radioaktīvo elementu sabrukšanas radītais siltums uztur ļoti augsto temperatūru Zemes kodolā, uzturot to šķidrā stāvoklī, kas ir būtiski, lai uzturētu magnētisko lauku, kas pasargā planētu no kaitīga starojuma.
Radioaktīvā sabrukšana ir nejaušs process, kas nozīmē, ka fiziski nav iespējams paredzēt, vai konkrētais atoma kodols jebkurā brīdī sadalīsies un izstaros starojumu. Tā vietā to kvantitatīvi nosaka ar pussabrukšanas periodu, kas ir laika periods, kas nepieciešams, lai puse no konkrētā kodolu parauga sadalītos. Pussabrukšanas periods attiecas uz jebkura izmēra paraugu, sākot no mikroskopiskā daudzuma līdz visiem šāda veida atomiem Visumā. Dažādu radioaktīvo izotopu pussabrukšanas periods ir ļoti atšķirīgs, kas svārstās no dažām sekundēm astatīna-218 gadījumā līdz miljardiem gadu urāna-238.
Sabrukšanas veidi
Lai kodols būtu stabils, tas nevar būt pārāk smags, un tam ir jābūt pareizam protonu un neitronu līdzsvaram. Smagais kodols — tāds, kurā ir liels skaits protonu un neitronu — agrāk vai vēlāk zaudēs kādu svaru jeb masu, izstarojot alfa daļiņu, kas sastāv no diviem protoniem un diviem kopā saistītiem neitroniem. Šīm daļiņām ir pozitīvs elektriskais lādiņš, un, salīdzinot ar citām daļiņām, kuras var izstarot, tās ir smagas un lēni kustas. Alfa sabrukšana elementā izraisa tā pārveidošanu par vieglāku elementu.
Beta sabrukšana notiek, ja kodolā ir pārāk daudz neitronu protonu skaitam. Šajā procesā neitrons, kas ir elektriski neitrāls, spontāni pārvēršas par pozitīvi lādētu protonu, izstarojot negatīvi lādētu elektronu. Šie augstas enerģijas elektroni ir pazīstami kā beta stari vai beta daļiņas. Tā kā tas palielina protonu skaitu kodolā, tas nozīmē, ka atoms mainās uz citu elementu ar vairāk protonu.
Apgrieztais process var notikt, ja protonu ir pārāk daudz, salīdzinot ar neitroniem. Citiem vārdiem sakot, protons pārvēršas par neitronu, izstarojot pozitronu, kas ir pozitīvi lādēta elektrona antidaļiņa. To dažreiz sauc par pozitīvu beta sabrukšanu, un tā rezultātā atoms pārvēršas elementā ar mazāk protonu. Abi beta sabrukšanas veidi rada elektriski lādētas daļiņas, kas ir ļoti vieglas un ātras.
Lai gan šīs pārvērtības atbrīvo enerģiju masas veidā, tās var atstāt arī atlikušo kodolu “satrauktā” stāvoklī, kur tam ir vairāk nekā minimālais enerģijas daudzums. Tāpēc tas zaudēs šo papildu enerģiju, izstarojot gamma staru — ļoti augstas frekvences elektromagnētiskā starojuma formu. Gamma stariem nav svara, un tie pārvietojas ar gaismas ātrumu.
Daži smagie kodoli tā vietā, lai izstarotu alfa daļiņas, faktiski var sadalīties, atbrīvojot daudz enerģijas. Šis process ir pazīstams kā kodola skaldīšana. Tas var rasties spontāni dažos smago elementu izotopos, piemēram, urānā-235. Process atbrīvo arī neitronus. Dalīšanos var izraisīt ne tikai spontāni, bet arī smagais kodols, kas absorbē neitronu. Ja tiek savākts pietiekami daudz skaldāmo materiālu, var notikt ķēdes reakcija, kurā dalīšanās rezultātā radītie neitroni izraisa citu kodolu sadalīšanos, atbrīvojot vairāk neitronu utt.
Izmanto
Vispazīstamākie radioaktivitātes lietojumi, iespējams, ir kodolspēkstacijās un kodolieročos. Pirmajos atomu ieročos tika izmantota ķēdes reakcija, lai atbrīvotu milzīgu enerģijas daudzumu intensīva siltuma, gaismas un jonizējošā starojuma veidā. Lai gan mūsdienu kodolieroči galvenokārt izmanto kodolsintēzi, lai atbrīvotu enerģiju, to joprojām ierosina skaldīšanas reakcija. Atomelektrostacijas izmanto rūpīgi kontrolētu skaldīšanu, lai ražotu siltumu, lai darbinātu tvaika turbīnas, kas ražo elektrību.
Medicīnā radioaktivitāti var mērķtiecīgi izmantot, lai iznīcinātu vēža veidojumus. Tā kā tas ir viegli nosakāms, to izmanto arī, lai izsekotu progresam un narkotiku uzņemšanai orgānos vai pārbaudītu, vai tās darbojas pareizi. Materiālu paraugu datēšanai bieži izmanto radioaktīvos izotopus. Organiskās vielas var datēt, izmērot tajās esošā oglekļa-14 daudzumu, savukārt iežu parauga vecumu var noteikt, salīdzinot dažādu klātesošo radioaktīvo izotopu daudzumu. Šis paņēmiens ir ļāvis zinātniekiem izmērīt Zemes vecumu.
Ietekme uz veselību
Veselības kontekstā visas emisijas no sadalīšanās atomu kodoliem, neatkarīgi no tā, vai tās ir daļiņas vai EMR, parasti tiek raksturotas kā starojums, un tās visas ir potenciāli bīstamas. Šīs emisijas vai nu pašas par sevi jonizē, vai arī mijiedarbojas ar vielu organismā tādā veidā, kas rada jonizējošo starojumu. Tas nozīmē, ka tie var noņemt elektronus no atomiem, pārvēršot tos pozitīvi lādētos jonos. Pēc tam tie var reaģēt ar citiem atomiem molekulā vai blakus esošajās molekulās, izraisot ķīmiskas izmaiņas, kas var nogalināt šūnas vai izraisīt vēzi, īpaši, ja starojums ir mijiedarbojies ar DNS.
Radiācijas veids, kas ir visbīstamākais cilvēkiem, ir atkarīgs no apstākļiem, kādos ar to saskaras. Alfa daļiņas var pārvietoties tikai nelielu attālumu pa gaisu un nevar iekļūt caur ārējo ādas slāni. Tomēr, ja tie nonāk saskarē ar dzīviem audiem, tie ir visbīstamākais starojuma veids. Tas var notikt, ja kaut kas, kas izstaro alfa starojumu, tiek norīts vai ieelpots.
Beta starojums var iekļūt ādā, bet to aiztur plāns metāla slānis, piemēram, alumīnija folija. Neitroni un gamma starojums ir daudz caurlaidīgāks, un, lai aizsargātu veselību, ir nepieciešams biezs ekranējums. Tā kā lielākā daļa gamma starojuma iziet tieši caur ķermeni, parasti ir mazāka iespējamība izraisīt slimības zemā līmenī, taču tas joprojām ir ļoti nopietns apdraudējums. Ja materiāli, tostarp dzīvie audi, absorbē neitronus, tie paši var kļūt radioaktīvi.
Pakļaušanu kaitīgajam starojumam parasti mēra, ņemot vērā enerģijas daudzumu, ko absorbē pakļautais materiāls. Šo mērījumu var attiecināt uz visu veidu starojumu un visiem materiāliem, lai gan to visbiežāk izmanto saistībā ar cilvēku veselību. Ekspozīcijas SI vienība ir pelēkā krāsa, un viena pelēka ir vienāda ar vienu džoulu absorbētās enerģijas uz kilogramu vielas. Tomēr ASV bieži izmanto citu vienību – rad, kas ir līdzvērtīga 0.01 pelēkajam.
Tā kā dažādi radioaktivitātes veidi darbojas atšķirīgi, lai iegūtu labāku priekšstatu par konkrētās devas iespējamo ietekmi uz veselību, tiek izmantots cits mērījums, zīverts. To aprēķina, reizinot devu pelēkajā krāsā ar kvalitātes koeficientu, kas ir raksturīgs konkrētajam starojuma veidam. Piemēram, gamma starojuma kvalitātes faktors ir 1, bet alfa daļiņu vērtība ir 20. Tāpēc, pakļaujot dzīvos audus 0.1 gray alfa daļiņu devai, tiktu iegūta 2.0 sīverta deva, un tā būtu sagaidāma divdesmit reizes. bioloģiskais efekts kā viens gamma starojuma pelēks. Četru līdz piecu zīvertu deva, kas saņemta īsā laika periodā, rada 50% nāves risku 30 dienu laikā.