Ραδιενέργεια και τα είδη της ραδιενεργής διάσπασης

Ραδιενέργεια είναι η αυθόρμητη εκπομπή ιονίζουσας ακτινοβολίας από την πυρηνική διάσπαση και τις αντιδράσεις. Οι τρεις κύριοι τύποι ραδιενεργής διάσπασης είναι η διάσπαση άλφα, βήτα και γάμμα, αλλά υπάρχουν και άλλες πυρηνικές αντιδράσεις που ευθύνονται για τη ραδιενέργεια. Ακολουθεί μια ματιά στον ορισμό της ραδιενέργειας, τις μονάδες της, τους τύπους ραδιενεργής διάσπασης και τον τρόπο με τον οποίο η ραδιενέργεια διεισδύει στην ύλη.

Ορισμός ραδιενέργειας

Ως ραδιενέργεια ορίζεται η εκπομπή σωματιδίων και ακτινοβολίας από πυρηνικές αντιδράσεις. Αυτές οι πυρηνικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν ραδιενεργό διάσπαση από ασταθείς ατομικούς πυρήνες, σχάση και σύντηξη.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν προέρχεται όλη η ακτινοβολία από τη ραδιενέργεια. Για παράδειγμα, μια φωτιά εκπέμπει θερμότητα (υπέρυθρη ακτινοβολία) και φως (ορατή ακτινοβολία) από μια χημική αντίδραση και όχι μια πυρηνική αντίδραση. Το υπέρυθρο και το ορατό φως είναι τύποι μη ιονίζουσας ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία από τη ραδιενέργεια είναι ιονίζουσα ακτινοβολία. Η ιονίζουσα ακτινοβολία είναι επαρκώς ενεργητική για να αλλάξει το ηλεκτρικό φορτίο ενός ατόμου. Συνήθως, αυτό οφείλεται στην αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου από ένα άτομο, αλλά μερικές φορές η ιονίζουσα ακτινοβολία επηρεάζει τον ατομικό πυρήνα. Μια ουσία που εκπέμπει ιονίζουσα ακτινοβολία είναι ραδιενεργή .

Σε ένα ραδιενεργό υλικό, η εκπομπή ραδιενέργειας συμβαίνει σε ατομικό επίπεδο. Ένας ασταθής ατομικός πυρήνας τελικά αποσυντίθεται, αλλά δεν είναι δυνατό να προβλεφθεί ακριβώς πότε θα συμβεί αυτό. Όμως, σε ένα δείγμα υλικού, οημιζωή είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστούν τα μισά άτομα. Ο χρόνος ημιζωής ενός ραδιενεργού στοιχείου κυμαίνεται από ένα κλάσμα του δευτερολέπτου έως ένα χρόνο μεγαλύτερο από την ηλικία του σύμπαντος.

Διαφορά μεταξύ σταθερού και ασταθούς

Ένα ραδιενεργό ισότοπο ή ραδιοϊσότοπο υφίσταται ραδιενεργό διάσπαση. Ένα σταθερό ισότοπο είναι αυτό που δεν διασπάται ποτέ. Παραδείγματα σταθερών ισοτόπων περιλαμβάνουν το πρωτίου και τον άνθρακα-12. Ένα σταθερό ραδιοϊσότοπο έχει τόσο μεγάλο χρόνο ημιζωής που είναι σταθερό για όλους τους πρακτικούς σκοπούς. Ένα παράδειγμα σταθερού ραδιοϊσοτόπου είναι το τελλούριο-128, το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 7,7 x 10 χρόνια. Ένα ασταθές ισότοπο είναι ένα ραδιοϊσότοπο με σχετικά μικρό χρόνο ημιζωής. Ένα παράδειγμα ασταθούς ισοτόπου είναι ο άνθρακας-14, που έχει χρόνο ημιζωής 5730 χρόνια. Ωστόσο, πολλά ασταθή ισότοπα έχουν τιμές ημιζωής που είναι πολύ, πολύ μικρότερες.

Μονάδες ραδιενέργειας

Το μπεκερέλ (Bq) είναι η μονάδα ραδιενέργειας του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων (SI). Το όνομά του τιμά τον Γάλλο επιστήμονα Henri Becquerel, τον ανακάλυψε τη ραδιενέργεια. Ένα μπεκερέλ είναι μια αποσύνθεση ή αποσύνθεση ανά δευτερόλεπτο.

Μια άλλη κοινή μονάδα ραδιενέργειας είναι το κιουρί (Ci). Ένα κιουρί είναι 3,7 x 10 αποσαθρώσεις ανά δευτερόλεπτο ή 3,7 x 10 μπεκερέλ.

Ενώ το μπεκερέλ και το κιουρί αντανακλούν τον ρυθμό ραδιενεργού αποσύνθεσης, δεν εξετάζουν την αλληλεπίδραση μεταξύ ακτινοβολίας και ανθρώπινου ιστού. Το γκρι (Gy) είναι η απορρόφηση ενός joule ενέργειας ακτινοβολίας ανά κιλό μάζας σώματος. Το sievert (Sv) είναι η ποσότητα ακτινοβολίας που έχει ως αποτέλεσμα 5,5% πιθανότητα καρκίνου που τελικά προκύπτει από έκθεση.

Τύποι ραδιενεργού αποσύνθεσης

Η ραδιενεργή διάσπαση συμβαίνει όταν ένα ασταθές ισότοπο (το μητρικό ισότοπο ή το μητρικό νουκλίδιο) υφίσταται αντίδραση, παράγοντας τουλάχιστον ένα θυγατρικό νουκλίδιο. Η κόρη(ες) μπορεί να είναι είτε σταθερά είτε ασταθή ισότοπα. Ορισμένοι τύποι διάσπασης περιλαμβάνουν μεταστοιχείωση, όπου το μητρικό ισότοπο διασπάται και παράγει ένα θυγατρικό ισότοπο ενός διαφορετικού στοιχείου. Σε άλλους τύπους διάσπασης, ο ατομικός αριθμός και η ταυτότητα του στοιχείου του γονέα και της κόρης είναι τα ίδια.

Η διάσπαση άλφα (α), βήτα (β) και γάμμα (γ) ήταν οι τρεις πρώτοι τύποι ραδιενέργειας που ανακαλύφθηκαν, αλλά υπάρχουν και άλλες πυρηνικές αντιδράσεις. Όταν συζητάμε τύπους διάσπασης, να θυμάστε ότι Α είναι ο μαζικός αριθμός ενός ατόμου ή ο αριθμός των πρωτονίων συν νετρονίων, ενώ το Z είναι ο ατομικός αριθμός ή ο αριθμός των πρωτονίων. Το A προσδιορίζει το ισότοπο ενός ατόμου, ενώ το Z προσδιορίζει ποιο στοιχείο είναι.

Λειτουργία αποσύνθεσης	Σύμβολο	Αντίδραση	Κόρη Πυρήνας
Αποσύνθεση άλφα	α	Ο μητρικός πυρήνας εκπέμπει ένα σωματίδιο άλφα ή έναν πυρήνα ηλίου (A=4, Z=2)	(Α − 4, Z − 2)
Εκπομπή πρωτονίων	p	Ο γονικός πυρήνας εκτοξεύει ένα πρωτόνιο	(Α − 1, Z − 1)
Διπλή εκπομπή πρωτονίων	2p	Ο πυρήνας εκτοξεύει δύο πρωτόνια ταυτόχρονα	(Α − 2, Z − 2)
Εκπομπή νετρονίων	n	Ο πυρήνας εκτοξεύει ένα νετρόνιο	(Α − 1, Z )
Διπλή εκπομπή νετρονίων	2n	Ο πυρήνας εκτοξεύει δύο νετρόνια ταυτόχρονα	(Α − 2, Z )
Αυθόρμητη σχάση	SF	Ο πυρήνας αποσυντίθεται σε δύο ή περισσότερους μικρότερους πυρήνες και άλλα σωματίδια	ποικίλλει
Αποσύνθεση συμπλέγματος	CD	Ο πυρήνας εκπέμπει έναν συγκεκριμένο μικρότερο πυρήνα που είναι μεγαλύτερος από ένα σωματίδιο άλφα	(Α − A 1 , Z − Z 1 ) + (Α 1 , Z 1 )
Βήτα μείον αποσύνθεση	β	Ο πυρήνας εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο αντινετρίνο	(Α , Z + 1)
Beta plus decay	β	Ο πυρήνας εκπέμπει ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο ηλεκτρονίων	(Α , Z − 1)
Λήψη ηλεκτρονίων	ε (EC)	Ο πυρήνας συλλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο σε τροχιά και εκπέμπει ένα νετρίνο, αφήνοντας μια ενθουσιασμένη ασταθή κόρη	(Α , Z − 1)
Αποσύνθεση beta δεσμευμένης κατάστασης		Ένας πυρήνας ή ελεύθερο νετρόνιο διασπάται σε ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο, αλλά διατηρεί το ηλεκτρόνιο σε ένα κενό κέλυφος Κ	(Α , Z + 1)
Διπλή αποσύνθεση beta	ββ	Ένας πυρήνας εκπέμπει σε ηλεκτρόνια και δύο αντινετρίνα	(Α , Z + 2)
Διπλή σύλληψη ηλεκτρονίων	εε	Ένας πυρήνας απορροφά δύο τροχιακά ηλεκτρόνια και εκπέμπει δύο νετρίνα, δημιουργώντας μια διεγερμένη ασταθή κόρη	(Α , Z − 2)
Λήψη ηλεκτρονίων με εκπομπή ποζιτρονίων		Ένας πυρήνας απορροφά ένα τροχιακό ηλεκτρόνιο και εκπέμπει ένα ποζιτρόνιο και δύο νετρίνα	(Α , Z − 2)
Διπλή διάσπαση ποζιτρονίων	ββ	Ένας πυρήνας εκπέμπει δύο ποζιτρόνια και δύο νετρίνα	(Α , Z − 2)
Ισομερική μετάβαση	IT	Ένας διεγερμένος πυρήνας απελευθερώνει ένα φωτόνιο ακτίνων γάμμα υψηλής ενέργειας (μετά από>10 δευτερόλεπτα)	(Α , Z )
Εσωτερική μετατροπή	–	Ένας διεγερμένος πυρήνας μεταφέρει ενέργεια σε ένα τροχιακό ηλεκτρόνιο και το ηλεκτρόνιο εκτινάσσεται	(Α , Z )
Αποσύνθεση γάμμα	γ	Ένας διεγερμένος πυρήνας (συχνά μετά από διάσπαση άλφα ή βήτα) εκπέμπει ένα φωτόνιο ακτίνων γάμμα (~10 s)	(Α , Z )

Παράδειγμα σχημάτων αποσύνθεσης

Η διάσπαση άλφα του ουρανίου-238 είναι:

₉₂ U → ₂ Αυτός +₉₀ Θ

Η βήτα διάσπαση του θορίου-234 είναι:

₉₀ Th → _-1 e + ₉₁ Πα

Η διάσπαση γάμμα συνοδεύει περισσότερες πυρηνικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένης της διάσπασης άλφα ή βήτα. Η διάσπαση γάμμα του ουρανίου-238 είναι:

₉₂ U → ₂ Αυτός + ₉₀ Th + 2₀ γ

Ωστόσο, η διάσπαση γάμμα δεν εμφανίζεται συνήθως όταν γράφετε πυρηνικές αντιδράσεις.

Διείσδυση της ύλης

Το άλφα, το βήτα και η διάσπαση γάμμα ονομάζονται για τα τρία πρώτα γράμματα του ελληνικού αλφαβήτου ανάλογα με την ικανότητά τους να διεισδύσουν στην ύλη.

• Τα σωματίδια άλφα είναι ουσιαστικά πυρήνες ηλίου. Έχουν τη μεγαλύτερη μάζα, την υψηλότερη ικανότητα ιονισμού και τη μικρότερη απόσταση διείσδυσης. Δέρμα, ένα χοντρό φύλλο χαρτιού ή ένα στρώμα ρούχων είναι αρκετά για να σταματήσουν τα σωματίδια άλφα. Η ακτινοβολία άλφα αποτελεί κυρίως απειλή κατά την εισπνοή, την ένεση ή την κατάποση.
• Τα σωματίδια βήτα είναι ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια. Έχουν πολύ μικρότερη μάζα από τα σωματίδια άλφα, επομένως διεισδύουν στον ιστό περισσότερο από τα σωματίδια άλφα, αλλά είναι λιγότερο πιθανό να ιονίσουν άτομα. Ένα παχύ φύλλο αλουμινόχαρτου σταματά τα σωματίδια βήτα. Και πάλι, η κύρια απειλή για την υγεία εμφανίζεται κατά την κατάποση, την ένεση ή την εισπνοή.
• Οι ακτίνες γάμμα είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι ακτίνες γάμμα είναι τόσο ενεργητικές που διεισδύουν βαθιά στην ύλη. Ενώ οι ακτίνες γάμμα μπορεί να περάσουν μέσα από ένα ανθρώπινο σώμα χωρίς να αλληλεπιδρούν, σταματούν με θωράκιση μολύβδου. Όταν οι ακτίνες γάμμα κάνουν αλληλεπιδρούν με ζωντανούς ιστούς, προκαλούν σημαντικές βλάβες.

Αναφορές

• L’Annunziata, Michael F. (2007). Ραδιενέργεια:Εισαγωγή και Ιστορία . Άμστερνταμ, Ολλανδία:Elsevier Science. ISBN 9780080548883.
• Loveland, W.; Morrissey, D.; Seaborg, G.T. (2006). Σύγχρονη Πυρηνική Χημεία . Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-11532-8.
• Martin, B.R. (2011). Πυρηνική και Σωματιδιακή Φυσική:Εισαγωγή (2η έκδ.). John Wiley &Sons. ISBN 978-1-1199-6511-4.
• Soddy, Frederick (1913). «Τα ραδιοστοιχεία και ο περιοδικός νόμος». Chem. Ειδήσεις . Nr. 107, σελ. 97–99.
• Stabin, Michael G. (2007). Ακτινοπροστασία και δοσιμετρία:Εισαγωγή στη Φυσική της Υγείας . Πηδών. doi:10.1007/978-0-387-49983-3 ISBN 978-0-387-49982-6.