Radioaktiivisuus on prosessi, jossa epävakaat atomiytimet vapauttavat energisiä subatomisia hiukkasia tai sähkömagneettista säteilyä (EMR). Tämä ilmiö voi saada yhden elementin muuttumaan toiseksi ja on osittain vastuussa maapallon ytimen lämmöstä. Radioaktiivisuudella on laaja käyttöalue, mukaan lukien ydinvoima, lääketieteessä ja orgaanisten ja geologisten näytteiden dating. Se on myös mahdollisesti vaarallinen, koska suuren energian hiukkaset ja säteily voivat vahingoittaa ja tappaa soluja sekä muuttaa DNA: ta ja aiheuttaa syöpää.
Radioaktiivinen hajoaminen
Epävakaiden atomien sanotaan hajoavan, mikä tarkoittaa, että ne menettävät osan massastaan tai energiastaan saavuttaakseen vakaamman, matalamman energian tilan. Tämä prosessi näkyy useimmiten raskaammissa alkuaineissa, kuten uraanissa. Yhdessäkään lyijyä raskaammasta elementistä ei ole stabiileja isotooppeja, mutta kevyempiä elementtejä voi esiintyä myös epävakaissa, radioaktiivisissa muodoissa, kuten hiili-14. Uskotaan, että radioaktiivisten elementtien hajoamisesta tuleva lämpö ylläpitää maapallon ytimen erittäin korkean lämpötilan pitäen sen nestemäisessä tilassa, mikä on välttämätöntä planeettaa vahingoittavalta säteilyltä suojaavan magneettikentän ylläpitämiseksi.
Radioaktiivinen hajoaminen on satunnainen prosessi, mikä tarkoittaa sitä, että on fyysisesti mahdotonta ennustaa hajoaako tietty ydin tietyllä hetkellä. Sen sijaan se määritetään puoliintumisajalla, joka on aika, joka kuluu puoleen annetusta ydinnäytteestä hajoamaan. Puoliintumisaika koskee minkä tahansa kokoista näytettä mikroskooppisesta määrästä kaikkiin tämän tyyppisiin atomeihin maailmankaikkeudessa. Eri radioaktiivisten isotooppien puoliintumisajat vaihtelevat suuresti, ja ne vaihtelevat muutamasta sekunnista, kun kyseessä on astatiini-218, ja miljardeihin vuosiin uraani-238: ssa.
Hajoamistyypit
Jotta ydin olisi vakaa, se ei voi olla liian raskas, ja sillä on oltava oikea protonien ja neutronien tasapaino. Raskas ydin – jossa on paljon protoneja ja neutroneja – menettää ennemmin tai myöhemmin jonkin verran painoa tai massaa emittoimalla alfahiukkasen, joka koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, jotka on sidottu yhteen. Näillä hiukkasilla on positiivinen sähkövaraus, ja ne ovat raskaita ja hitaasti liikkuvia verrattuna muihin hiukkasiin, joita voidaan päästää. Alfahajoaminen elementissä saa sen muuttumaan kevyemmäksi elementiksi.
Beetahajoaminen tapahtuu, kun ytimessä on liikaa neutroneja protonien lukumäärään nähden. Tässä prosessissa sähköisesti neutraali neutroni muuttuu spontaanisti positiivisesti varautuneeksi protoniksi lähettämällä negatiivisesti varautuneen elektronin. Nämä suuren energian elektronit tunnetaan beetasäteinä tai beetahiukkasina. Koska tämä lisää protonien määrää ytimessä, se tarkoittaa, että atomi muuttuu eri alkuaineeksi, jossa on enemmän protoneja.
Käänteinen prosessi voi tapahtua, kun protoneja on liikaa neutroneihin verrattuna. Toisin sanoen protoni muuttuu neutroniksi emittoimalla positronin, joka on elektronin positiivisesti varautunut antihiukkanen. Tätä kutsutaan joskus positiiviseksi beetahajoamiseksi, ja sen seurauksena atomi muuttuu alkuaineeksi, jossa on vähemmän protoneja. Molemmat beetahajoamistyypit tuottavat sähköisesti varautuneita hiukkasia, jotka ovat erittäin kevyitä ja nopeita.
Vaikka nämä muunnokset vapauttavat energiaa massana, ne voivat myös jättää jäljelle jääneen ytimen “virittyneeseen” tilaan, jossa sillä on enemmän kuin vähimmäismäärä energiaa. Siksi se menettää tämän ylimääräisen energian lähettämällä gammasäteen – erittäin korkeataajuisen sähkömagneettisen säteilyn muodon. Gammasäteillä ei ole painoa ja ne kulkevat valon nopeudella.
Jotkut raskaat ytimet voivat alfa -hiukkasten lähettämisen sijaan itse asiassa haljeta toisistaan ja vapauttaa paljon energiaa, mikä tunnetaan ydinfissioina. Se voi esiintyä spontaanisti joissakin raskaiden alkuaineiden isotooppeissa, kuten uraani-235: ssä. Prosessi vapauttaa myös neutroneja. Sekä spontaanin tapahtumisen että halkeamisen voi saada aikaan raskas ydin, joka absorboi neutronin. Jos tarpeeksi halkeamiskelpoista materiaalia kootaan yhteen, voi tapahtua ketjureaktio, jossa fissiolla syntyvät neutronit saavat muut ytimet halkeamaan, vapauttaen enemmän neutroneja jne.
käytät
Tunnetuimmat radioaktiivisuuden käyttökohteet ovat ehkä ydinvoimaloissa ja ydinaseissa. Ensimmäiset ydinaseet käyttivät karkaavaa ketjureaktiota vapauttaakseen valtavan määrän energiaa voimakkaan lämmön, valon ja ionisoivan säteilyn muodossa. Vaikka nykyaikaiset ydinaseet käyttävät ensisijaisesti fuusiota energian vapauttamiseen, tämä on edelleen fissioreaktion käynnistämä. Ydinvoimalat käyttävät huolellisesti ohjattua halkeamaa tuottaakseen lämpöä sähköä tuottavien höyryturbiinien käyttämiseksi.
Lääketieteessä radioaktiivisuutta voidaan käyttää kohdennetusti syöpäkasvainten tuhoamiseen. Koska se on helppo havaita, sitä käytetään myös jäljittämään elinten edistymistä ja lääkkeiden ottamista tai tarkistamaan, toimivatko ne oikein. Radioaktiivisia isotooppeja käytetään usein materiaalinäytteiden päivämäärään. Orgaaniset aineet voidaan päivämäärällä mitata niiden sisältämän hiili-14 määrän perusteella, kun taas kivinäytteen ikä voidaan määrittää vertaamalla eri läsnä olevien radioaktiivisten isotooppien määriä. Tämä tekniikka on antanut tutkijoille mahdollisuuden mitata maapallon ikää.
Terveysvaikutukset
Terveyteen liittyvissä asioissa kaikki hajoavien atomien ytimet, olivatpa ne hiukkasia tai EMR: ää, kuvataan yleensä säteilyksi ja ne ovat kaikki mahdollisesti vaarallisia. Nämä päästöt joko ionisoivat itsessään tai ovat vuorovaikutuksessa kehon aineen kanssa tavalla, joka tuottaa ionisoivaa säteilyä. Tämä tarkoittaa, että ne voivat poistaa elektroneja atomista ja muuttaa ne positiivisesti varautuneiksi ioneiksi. Nämä voivat sitten reagoida muiden atomien kanssa molekyylissä tai naapurimolekyyleissä aiheuttaen kemiallisia muutoksia, jotka voivat tappaa soluja tai aiheuttaa syöpää, varsinkin jos säteily on vuorovaikutuksessa DNA: n kanssa.
Ihmisille vaarallisin säteily riippuu olosuhteista, joissa sitä esiintyy. Alfahiukkaset voivat kulkea vain lyhyen matkan ilman läpi eivätkä tunkeutua ihon ulkokerroksen läpi. Jos ne joutuvat kosketuksiin elävän kudoksen kanssa, ne ovat kuitenkin vaarallisin säteilymuoto. Tämä voi tapahtua, jos jokin alfa -säteilyä lähettävä aine niellään tai hengitetään.
Beetasäteily voi tunkeutua ihon läpi, mutta ohut metallikerros, kuten alumiinifolio, pysäyttää sen. Neutronit ja gammasäteily tunkeutuvat paljon enemmän, ja terveyden suojelemiseksi tarvitaan paksu suojaus. Koska suurin osa gammasäteilystä kulkee suoraan kehon läpi, se aiheuttaa tyypillisesti vähemmän todennäköisesti sairauksia pienillä tasoilla, mutta on silti erittäin vakava vaara. Jos materiaalit, mukaan lukien elävä kudos, absorboivat neutroneja, ne voivat itse muuttua radioaktiivisiksi.
Altistuminen haitalliselle säteilylle mitataan yleensä altistuneen materiaalin absorboiman energian määrän perusteella, jota voidaan soveltaa kaikkiin säteilymuotoihin ja kaikkiin materiaaleihin, vaikka sitä käytetään yleisimmin ihmisten terveyden yhteydessä. Altistuksen SI -yksikkö on harmaa, ja yksi harmaa vastaa yhtä joulea energiaa absorboitua ainekiloa kohti. Yhdysvalloissa käytetään kuitenkin usein toista yksikköä – radia, joka vastaa 0.01 harmaata.
Koska erityyppiset radioaktiivisuudet käyttäytyvät eri tavoin, toista mittausta, sieverttiä, käytetään antamaan parempi käsitys tietyn annoksen todennäköisistä terveysvaikutuksista. Se lasketaan kertomalla harmaiden annos tietyntyyppiselle säteilylle ominaisella laatutekijällä. Esimerkiksi gammasäteilyn laatukerroin on 1, mutta alfahiukkasten arvo on 20. Siksi elävän kudoksen altistuminen 0.1 harmaalle alfahiukkaselle johtaisi 2.0 sievertin annokseen, ja sen odotetaan olevan kaksikymmentä kertaa biologinen vaikutus yhtenä gammasäteilyn harmaana. Neljän tai viiden sievertin annos, joka on saatu lyhyen ajan kuluessa, sisältää 50% kuoleman riskin 30 päivän kuluessa.