Radioactivitate

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Un editor a propus unirea acestei pagini cu o alta. S-a sugerat ca paginile „Dezintegrare” şi „Radioactivitate” să fie unite într-una singură.

Radioactivitatea (lat. radius = rază, radiaţie) este un fenomen rezultat din dezintegrarea radioactivă a atomilor sau, mai bine zis, a nucleelor acestora, este procesul prin care nucleul unui atom se transformă spontan în altă specie de nucleu atomic. O specie de atomi - un izotop - care pot suferi dezintegrare radioactivă se numeşte izotop radioactiv. Radioactivitatea depinde fundamental de numărul de neutroni din nucleu, izotopii aceluiaşi element chimic comportându-se în general foarte diferit.

Transformarea este însoţită de obicei de expulzarea unor particule subatomice având viteză foarte mare, precum şi emiterea unor unde electromagnetice cu lungime de undă foarte mică. Radioactivitatea este un fenomen exoterm (produce eliberarea energiei către mediu).

Cuprins 1 Principii de bază 1.1 Viteza dezintegrării 1.2 Radiaţiile emise 1.3 Transformările suferite de nuclee 1.4 Măsurarea radioactivităţii 2 Familii radioactive 3 Transmutaţii nucleare artificiale 4 Efectele biologice ale radiaţiilor şi măsuri de radioprotecţie 5 Istoric 5.1 Radioactivitatea naturală 5.2 Radioactivitatea artificială 6 Bibliografie

[modifică] Principii de bază

[modifică] Viteza dezintegrării

Dezintegrarea radioactivă este un fenomen spontan (se produce fără a fi provocat extern). Nu depinde de temperatură, presiune sau de combinaţia chimică în care apare atomul al cărui nucleu suferă dezintegrarea. Pe de altă parte, dezintegrarea este un fenomen aleator: nu se poate determina când se va dezintegra un anumit nucleu atomic, deşi pentru o populaţie mare de nuclee de un anumit tip se poate estima câte nuclee vor suferi dezintegrarea într-un anumit interval de timp.

Cantitatea de substanţă variază după o lege exponenţială:, unde:

• n₀ este cantitatea iniţială de substanţă (dată ca masă sau ca număr de atomi),
• n_t este cantitatea rămasă (dată sub aceeaşi formă),
• t este timpul scurs de la începutul experimentului,
• Δt este o mărime numită perioadă de înjumătăţire, specifică speciei de atomi, şi reprezintă timpul după care dintr-o cantitate dată de substanţă radioactivă rămâne jumătate din cantitatea iniţială.

De remarcat că asta înseamnă că prin dezintegrare radioactivă o substanţă radioactivă nu dispare niciodată complet. Practic, după 100-200 de perioade de înjumătăţire dintr-o cantitate egală cu masa Pământului ar rămâne un singur atom.

Timpul de înjumătăţire variază în limite foarte largi, de la fracţiuni de secundă până la miliarde de ani. Printre cele mai lungi perioade de înjumătăţire au Uraniu-238, Uraniu-235, Thorium-232 şi Kalium-40.

[modifică] Radiaţiile emise

Există două tipuri de „radiaţii” emise cu ocazia dezintegrării radioactive:

• Particule subatomice. Acestea au primit iniţial nume de raze deoarece natura lor nu era cunoscută la început.
  • nuclee de heliu (He²⁺) de mare viteză, numite şi raze α,
  • electroni, numiţi şi raze β,
  • pozitroni, numiţi şi raze β⁺,
  • neutroni
• Unde electromagnetice de mare energie (frecvenţă mare sau, echivalent, lungime de undă mică), numite radiaţii (raze) gamma.

Toate aceste „radiaţii” au proprietatea de-a ioniza gazele prin care trec, făcându-le astfel conductoare electrice. Din acest motiv, aceste „radiaţii” se numesc radiaţii ionizante.

„Radiaţiile” α, β şi γ se deosebesc prin puterea de penetrare (distanţa pe care o pot parcurge într-un anumit mediu, până sunt absorbite complet). Razele α sunt cele mai rapide, dar sunt complet oprite în grosimea unei foi de hârtie obişnuită sau în cel mult o zecime de milimetru de aluminiu. În aer, distanţa maximă pe care o poate străbate nu depăşeşte 11cm. Razele β sunt mai puţin rapide, dar considerabil mai dure decât cele α, putând să străbată 2-3mm de aluminiu. În aer distanţa nu depăşeşte mai mult de 10-15m. În schimb razele γ sunt cele mai penetrante datorită puterii lor de ionizare foarte scăzută(procesele de interacţiune cu atomii substanţei prin care trec sunt foarte rare), neavând nici sarcină electrică şi nici masă. Razele γ pot străbate cu uşurinţă grosimi considerabile din ţesuturi animale şi vegetale, substanţe uşoare şi chiar câţiva centimetri din substanţe grele cum ar fi de exemplu plumbul. Datorită puterii lor mari de penetrare, mai mare chiar decât a razelor X descoperite de Röentgen, razele γ sunt folosite în aceleaşi scopuri ca cele dintâi. Astfel sunt folosite în medicină, sau la măsurarea unor obiecte metalice din exterior, fără să fie nevoie măcar desfacerea acestora, se poate face controlul unor piese de maşini fabricate în serie, se pot face cercetări geologice cu privire la zăcămintele de petrol şi multe altele.

Detectarea radiaţiilor se poate face pe mai multe căi:

• datorită efectului de ionizare, pot fi detectate cu electrometre sensibile; pe acest principiu funcţionează de exemplu detectorul Geiger-Müller;
• prin înnegrirea unei plăci fotografice
• cu ajutorul camerei cu ceaţă

[modifică] Transformările suferite de nuclee

La cele mai multe tipuri de descompunere radioactivă, are loc o transformare a nucleului în nucleul altui atom:

• Dezintegrarea α produce un nucleu cu număr atomic cu 2 mai mic şi număr de masă cu 4 mai mic
• Dezintegrarea β produce un nucleu cu număr atomic cu 1 mai mare şi cu acelaşi număr de masă. La dezintegrarea β are loc transformarea unui neutron într-un proton şi un electron, electronul fiind expulzat ca rază β. Exemplu: tritiul (₃H) se transformă în heliu 3 (₃He), perioada de înjumătăţire fiind de 12,46 ani.

Există izotopi radioactivi – este drept puţin la număr – la care unele nuclee se dezintegrează prin raze β, celelalte prin raze α. Un exemplu: ₂₁₂⁸³Bi (bismut) numit şi thoriu C, se dezintegrează prin raze β, restul de 33,7%, prin raze α. Este ceea ce se numeşte o „dezintegrare bifurcată”.

[modifică] Măsurarea radioactivităţii

Radioactivitatea se măsoară prin numărul de dezintegrări produse într-o secundă. Unitatea de măsură este unitatea becquerel (bq) prin care se exprimă cantitatea de radiaţii pe secundă.

[modifică] Familii radioactive

Uraniul 238 (₂₃₈⁹²U, cel mai greu dintre izotopii naturali), se dezintegrează foarte încet (timp de înjumătăţire 4,5milioane ani) prin emisie de raze α. Pierzând astfel 4 unităţi din numărul său de masă şi două unităţi din numărul său atomic, uraniul se transformă în nucleul de thoriu 234 (₂₃₄⁹⁰Th); elementul uraniu se transformă în elementul thoriu. Acesta din urmă este şi el radioactiv, nucleul său emite o particulă β şi se transmută în nucleul de ₂₃₄⁹¹Pa (protactiniu); acesta tot prin emisie de raze β se transmută în mai departe în nucleul de ₂₃₄⁹²U, luând naştere un alt izotop al uraniului, decât cel de la începutul seriei căruia i se dă numele de Uraniu II, fiind radioactiv prin emisie de raze α. Acesta se transmută mai departe în ₂₃₀⁹⁰Th, adică un nou izotop toriu căruia i se dă numele special de Ioniu. Ioniul se dezintegrează tot prin emisie de raze α şi dă naştere izotopului ₂₂₆⁸⁸Ra, adică radiul descoperit de soţii Curie. Mai departe, radiul dezintegrându-se prin raze α, dă naştere izotopului radioactiv ₂₂₂⁸⁶Rn (radon), care este un gaz inert asemănător din punct de vedere chimic cu heliul, neonul, etc. Cascada aceasta de dezintegrări succesive se continuă mai departe până ce se ajunge la izotopul ₂₁₀⁸⁴Po, adică poloniul descoperit de soţii Curie. Poloniul se transmută mai departe în ₂₀₆⁸²Pb, adică un izotop al metalului plumb. Acesta este „stabil” ceea ce înseamnă că prin nici unul din mijloacele cunoscute în prezent nu putem constata o eventuală dezintegrare a lui. Astfel succesiunea de dezintegrări în cascadă se opreşte practic aici şi putem vedea că a luat naştere o adevărată „familie” radioactivă, al cărei strămoş comun este uraniul.

Familia pe care tocmai am descris-o se numeşte familia „radiu-uraniu”. În natură mai există încă două familii radioactive: una dintre ele, începe cu ₂₃₅⁹²U(numit şi actino-uraniu) şi se termină cu un alt izotop de plumb(₂₀₇⁸²Pb). Cea de-a treia familie este cea a thoriului, care începe cu ₂₃₂⁹⁰Th şi se termină iarăşi cu un izotop de plumb(₂₀₈⁸²Pb).

[modifică] Transmutaţii nucleare artificiale

Ştim că particulele α sunt proiectate în spaţiu cu viteze de ordinul zecilor de mii de km/s. Ele constituie proiectile cu o energie cinetică mult mai mare decât a electronilor β. Deci este de aşteptat ca o ciocnire între particulele α şi nucleele atomice să producă o zdruncinătură din temelie şi modificări profunde în nucleele lovite. Acest lucru i-a îndemnat pe fizicieni să „bombardeze” diferite elemente cu particule α. Cea dintâi experienţă a fost realizată în 1929, de către Rutherford prin bombardarea gazului azot. S-a constatat că nucleele lovite se transmută prin ceea ce numim noi reacţie nucleară. Adică în cazul de faţă ₁₄⁷N+₄²He(adică o rază α)=₁₇⁸O+ 1p1, nucleul de azot se transmută într-un izotop de oxigen.

[modifică] Efectele biologice ale radiaţiilor şi măsuri de radioprotecţie

În urma interacţiunii dintre radiaţii şi organismele vii apar fenomene fizice (ionizări, excitări) care determină fenomene chimice (alterări ale macromoleculelor şi a sistemelor enzimatice). Dar cele mai importante efecte se observă la celulele germinale. În urma interacţiunii dintre radiaţii şi celulele germinale se observă o alterare a cromozomilor şi a codului genetic - ADN. Gravitatea acestor probleme este amplificată prin transmiterea lor la descendenţi chiar şi la doze foarte mici.

Una dintre cele mai simple soluţii, folosite pentru micşorarea dozelor absorbite, pentru cei care lucrează în medii radioactive este învelirea cu ecrane protectoare (din plumb) a aparatelor care utilizează radiaţii. Este cunoscut faptul că plumbul este un material foarte absorbant de radiaţii provenite de la materiale sau aparatură care produc asemenea radiaţii.

[modifică] Istoric

[modifică] Radioactivitatea naturală

Fenomenul radioactivităţii a fost descoperit în 1896 de fizicianul Henri Becquerel la elementul uraniu, ca urmare a dezvoltării generale a fizicii şi ca o consecinţă directă a descoperirii de către Roentgen, în 1895 a razelor X. Becquerel a observat că uraniul emite raze invizibile, cu proprietăţi asemănătoare razelor X. Ceva mai târziu s-a descoperit că şi thoriul emite asemenea radiaţii şi de asemenea faptul că razele γ sunt cele mai asemănătoare cu razele X, atât prin duritatea lor, adică puterea lor de penetrare, cât şi prin viteza lor.

Ceva mai târziu, în 1898, soţii Pierre şi Marie Curie au descoperit două noi specii atomice radioactive pe care le-au numit: pe cea dintâi poloniu (Po), pe al doilea radiu (Ra) pentru deosebita sa radioactivitate. Un număr mare de savanţi din diferite ţări au întreprins apoi cercetări pe căile deschise de aceste noi importante descoperiri.

[modifică] Radioactivitatea artificială

Experienţele de bombardare cu raze α au dus în 1934 la o nouă descoperire de importanţă primordială. Este vorba de radioactivitatea artificială descoperită de soţii Frederic şi Irene Joliot-Curie, ginere şi fiică ai descoperitorului poloniului şi radiului. În 1934 aceştia au supus unui bombardament cu raze α nişte foiţe de aluminiu. Au observat faptul că în timpul bombardamentului, aluminiul emitea neutroni. Când bombardamentul înceta, foiţele de aluminiu încetau şi ele să mai emită neutroni, însă foiţele de aluminiu continuau să emită o radiaţie asemănătoare cu razele β.

După multe cercetări, soţii Joliot-Curie au lămurit ce se întâmpla: sub acţiunea razelor α, nucleul de aluminiu se transmuta într-un nucleu de fosfor radioactiv care nu exista în natură.

În acelaşi mod, prin transmutarea elementului magneziu şi bor soţii Joliot-Curie au obţinut un radiosiliciu şi respectiv un radioazot. Descoperirea posibilităţii de a crea pe cale artificială izotopi radioactivi ai celor mai felurite elemente au avut un răsunet deopotrivă de mare ca şi descoperirea radioactivităţii naturale cu 36 de ani în urmă. Punând această idee în practică, fizicianul Ernico Fermi a bombardat vreo 60 de elemente diferite şi 40 dintre ele a dat naştere la izotopi radioactivi artificiali, cu timpi de înjumătăţire cuprinşi între câteva secunde şi câteva zile.

[modifică] Bibliografie

• Sanielevici Alexandru - Radioactivitatea, editura Tehnică – Bucureşti
• Microsoft Encarta Encicopedia Reference Library 2003
• http://www.sciencehowstuffworks.com/radioactivity