Desintegrazio erradioaktibo

Erradioaktibitatea Henri Becquerel zientzialari frantziarrak aurkitu zuen 1896an. Becquerel fosforeszentzia aztertzen ari zen: materialek energia argi gisa xurgatzen eta igortzen duten fenomenoa. Material fosforeszenteek argia igortzen dute argitan denbora jakin batez egon ondoren. Becquerel-en helburua fosforeszentziak X izpiekin izan zezakeen lotura aztertzea zen, X izpiak aurreko urtean (1895) aurkitu baitzituen Wilhelm Roentgen fisikari alemaniarrak eta, ordura arte, ez ziren izpi horien propietateak guztiz ezagutzen.

Becquerel-ek mineral fosforeszenteak paper beltzean bildutako argazki-xaflekin ukipenean jarri zituen. Mineralek ez zuten xaflan inolako aldaketarik eragin, uranioa erabili zuen arte: orduan, argazki-xafla belztu egin zen. Emaitza ikusita, argi zegoen uranioak nolabaiteko erradiazio ikusezina igortzen zuela, paper beltza zeharkatu eta argazki-xaflari eragiten ziona, xafla argitan egongo balitz bezala. Izpi horiei "Becquerel-en izpiak" deritze. Alabaina, izpien jatorria ezezaguna zen. Lehenik, fenomeno honek fosforeszentziarekin zerikusirik ez zuela ondorioztatu zuen Becquerel-ek, uranioa aurretik ez baitzen argiarekin kontaktuan egon. Gainera, uranioak igortzen zuena X izpiak ez zirela frogatu zuen esperimentu baten bidez. Esperimentu horretan, uranioaren igorpena eremu magnetiko baten eraginpean desbideratu egiten zela behatu zuen, eta ordurako jakina zen X izpiei kanpo-eremu magnetikoek ez dietela eragiten.^[7]

Aurkikuntza honen ondotik, Becquerel-ek beste esperimentu batzuk egin zituen erradiazioa aztertzeko xedez. Uranioak kanpo-eraginen independentea den erradiazio sarkorra igortzen duela frogatu zuen. Horrez gain, erradiazioak gorputz elektrifikatuak deskargatu ditzakeela erakutsi zuen, eta, ondorioz, aireko molekulak ioniza ditzakeela, airea eroale elektriko bilakatuz.^[8]

Pierre eta Marie Curie-k erradioaktibitatearen inguruan egindako ikerketak bereziki garrantzitsuak izan dira fisikan eta kimikan, eta baita medikuntzan ere (izan ere, "erradioaktibitate" hitza aurrenekoz Marie-k erabili zuen, zenbait atomok espontaneoki igorritako igorpen sarkor eta ionizatzaileak izendatzeko). Batetik, 1898an polonioa eta radioa lehenengo aldiz isolatzea lortu zuten; bestetik, uranioak igorritako izpien eragina aztertu zuten. Azken horrek aplikazio ugari ditu minbiziaren tratamenduan eta medikuntza nuklearrean.^[9]

1899an, Ernest Rutherford-ek esperimentuen bidez erakutsi zuen substantzia erradioaktiboek mota anitzetako erradiazioa igortzen dutela, eta alfa eta beta izpiak bereizi zituen. Hurrengo urtean, 1900ean alegia, Paul Villard kimikari frantziarrak gamma izpiak aurkitu zituen.^[8]

1902an, Ernest Rutherford eta Federick Soddy lehenengoz ohartu ziren desintegratzen diren elementu guztiek formula matematiko berdintsua betetzen dutela, eta desintegrazio erradioaktiboaren ondorioz elementu batetik besterako transmutazioa gertatzen dela. Transmutazioa arautzen duten zenbait lege enpiriko topatu zituzten, eta horiei jarraikiz, agerian geratu zen elementu kimiko guztiak oinarrizko partikula batzuez osaturik daudela.^[10]

Desintegrazio erradioaktiboaren aurkikuntzak, beste hainbatekin batera, kolokan jarri zuen XX. mendera arte nagusi zen mekanika klasikoa, eta teoria berri baten beharra azaleratu zuen: mekanika kuantikoa. Gainera, erradioaktibitatearen ikerketek bidea ireki zieten gaur egungo fisikaren aplikazio ugariri.

Erradioaktibitatearen fenomenoa aurkitu eta gutxira igorpen erradioaktiboak hiru mota desberdinetan sailkatu ziren:

Nukleo bateko protoien eta neutroien lotura-energia handia izan arren, nukleoa apur dezaketen prozesuak gerta daitezke. Horrelakoetan, nukleoiz osatutako sistema lotu bat igor dezake jatorrizko nukleoak. Halako sistema lotu bat sortzeko probabilitatea murriztuz doa beharrezkoak diren nukleoi kopurua handitu ahala. Horregatik, 2 protoiz eta 2 neutroiz osatutako nukleidoen igorpena beste nukleido astunagoen igorpena baino ohikoagoa da. 2 protoiz eta 2 neutroiz osatutako nukleidoari alfa partikula deritzo, eta nukleo batek alfa partikula bat igortzen duen prozesuari alfa desintegrazio deritzo. Historikoki, alfa desintegrazioarekiko ezegonkorrak ziren nukleoek igortzen zituzten partikulei alfa partikula izena eman zitzaien, Rutherford-ek 1908an helio-4 nukleo gisa identifikatu baino lehen, eta izena mantendu egin da.^[11] Nukleo batek alfa partikula bat igorritakoan, bere zenbaki atomikoa 2 unitate txikitzen da, eta masa-zenbakia, aldiz, 4 unitate. Alfa desintegrazioa sorrarazten duen elkarrekintza fisikoa elkarrekintza nuklear bortitza da.

Nukleoa hautsi beharrean, nukleoaren gehiegizko protoi edo neutroi kopurua murriztu daiteke, protoi bat neutroi bihurtuz edo alderantziz. Neutroia desintegratzean, nukleoan protoi bat sortzen da eta elektroi bat eta elektroi antineutrino bat igortzen dira. Prozesu horri "beta minus" (β⁻) deritzo. Protoia desintegratzean, aldiz, nukleoan neutroi bat sortzen da eta positroi bat eta elektroi neutrino bat igortzen dira. Beste prozesu horri "beta plus" (β⁺) deritzo. Aurreko biez gain, beste beta desintegrazio bat ere badago: elektroi-harrapaketa. Elektroi-harrapaketan, atomo bateko nukleotik hurbil dagoen elektroi bat nukleoko protoi batekin batu daiteke, neutroi bat osatuz. Elektroi-harrapaketa atomo astunetan gertatzen da batez ere; izan ere, nukleo astunek erradio handiagoa eta orbitalen erradio txikiagoa izan ohi dute.

Aipatutako hiru prozesuetan, kargaren kontserbazioaren printzipioa betetzen da. Alfa desintegrazioan ez bezala, beta desintegrazioa sortzen duen elkarrekintza fisikoa elkarrekintza nuklear ahula da.

Nukleo batek nukleoiderik igorri gabe eta beta desintegraziorik jasan gabe energia txikiagoko egoera batera aldatu dezake bere burua. Hori egitean, nukleoa egoera kitzikatu batetik energia txikiagoko maila batera aldatzen da, eta maiztasun oso handiko fotoi bat igortzen du. Fotoiaren energia nukleoaren bi egoeren arteko energia-aldearen berdina da (fotoiaren igorpenak nukleoari eragindako atzerapena arbuiatuz gero). Gamma desintegrazioa, alfa edo beta desintegrazioa gertatu ondoren jazo ohi da, desintegrazio horiek egoera kitzikatuetan uzten baitituzte nukleido semeak.

Atomo erradioaktiboz osatutako lagin baten desintegrazio-gertakari kopuruaren eboluzioa erraz adieraz daiteke matematikoki. Ondoz ondoko desintegrazioen kate baten formulazioa konplexua izan badaiteke ere, kasurik sinpleena eta kualitatiboki interesgarriena aztertuko da. Demagun lagin bateko ${\displaystyle {\ce {A}}}$  atomoa ${\displaystyle {\ce {B}}}$  atomoan desintegratzen dela ${\displaystyle {\ce {A -> B}}}$  prozesuaren bitartez. Aurrera jarraitzeko, ${\displaystyle \Delta t}$  denbora-tartean desintegra daitekeen nukleo baten inguruan honako suposizio hauek onartuko dira:^[2]

1. Desintegratzeko probabilitatea nukleoaren historiaren independentea da; hots, berbera da edozein ${\displaystyle t}$  aldiunetan.
2. Desintegratzeko probabilitatea nukleoaren ingurunearen independentea da.
3. Desintegratzeko probabilitatea berbera da mota eta kitzikapen-energia jakin bateko nukleo guztien kasuan.

Badaude kasu batzuk non "2" suposizioa zuzena ez baita, baina 1-3 suposizioak zuzenak dira kasu gehienetan. Ondorioz, ${\displaystyle {\text{d}}t}$  denbora-tarte infinitesimalean, desintegrazio-gertakari kopurua laginean dagoen ${\displaystyle N}$  atomo kopuruaren proportzionala da:

${\displaystyle -{\frac {{\text{d}}N}{{\text{d}}t}}\propto N,}$ 

non zeinu negatiboak adierazten baitu desintegraziorik jasan ez duen atomo-kopuruak, denborak aurrera egin ahala, behera egiten duela. Isotopo erradioaktibo bakoitzak desintegrazio-abiadura propioa dauka; beraz, bakoitzak ${\displaystyle \lambda }$  desintegrazio-konstante propioa dauka. Hortaz:

${\displaystyle -{\frac {{\text{d}}N}{{\text{d}}t}}=\lambda N}$ 

Lortutako ekuazioa lehen ordenako ekuazio diferentzial arrunta da. Horrelako ekuazio diferentzialak ebazteko, non aurkitu nahi den funtzioaren deribatua(k) eta funtzioa bera agertzen baita (baitira), esponentzial motako soluzioak saiatzen dira. Gauzak horrela, honako hau da soluzio orokorra:

${\displaystyle N(t)=N_{0}e^{-\lambda t},}$ 

non ${\displaystyle N_{0}=N(t=0)}$  integrazio-konstantea baita. Beraz, isotopo erradioaktibo baten lagineko atomoen desintegrazioek lege esponentziala jarraitzen dute.

Sarritan, ${\displaystyle t_{1/2}}$  magnitudea erabiltzen da, hots, erdibizitza. Erdibizitzak, atomo erradioaktiboz osatutako lagin batean, atomoen erdiak desintegratzeko igaro behar den denbora adierazten du. Desintegrazio bakarreko prozesuetan honela kalkulatzen da erdibizitza:

${\displaystyle {\frac {N_{0}}{2}}=N_{0}e^{-\lambda t_{1/2}}}$ 

${\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln {2}}{\lambda }}=\tau \ln {2},}$ 

non ${\displaystyle \tau }$  batez besteko bizidenbora definitu baita. Desintegrazioen eboluzioa jakiteak aplikazio ugari ekarri ditu, karbono-14 bidezko datazioa esate baterako. Substantzia erradioaktiboen artean alde handia dago erdibizitzari dagokionez.

Desintegrazio erradioaktiboaren abiadura edo aktibitate erradioaktiboa Bq-etan neurtzen da SI sisteman. Denbora unitateko jazotzen den desintegrazio-kopurua adierazten du. Honela definitzen da:

${\displaystyle A(t)=-{\frac {{\text{d}}N(t)}{{\text{d}}t}}}$ 

Hortaz, desintegrazio erradioaktiboaren formula aplikatuz, hurrengoa lortzen da:

${\displaystyle A(t)=\lambda N_{0}e^{-\lambda t}=A_{0}e^{-\lambda t},}$ 

non ${\displaystyle A_{0}=A(t=0)}$  hasierako aktibitate erradioaktiboa baita.

Erradiazio ionizatzaileak energia nahikoa dauka zelula bizien atomoei eragiteko, eta, ondorioz, material genetikoa (DNA) kaltetzeko edo, muturreko kasuetan, zelula bera suntsitzeko. Horrez gain, gorputzeko elementu kimikoak ionizatu ditzake eta zelulan duten funtzioa betetzea eragotzi.^[12] Oro har, zelulak gai dira kalte hau konpontzeko; kaltea iraunkorra denean edo behar bezala neutralizatzen ez denean, ordea, zelula hil edo tumoral bilakatu daiteke. Erradiazio-maila altua jasateak osasunean eragin akutua izan dezake, hala nola, erredurak azalean eta erradiazio sindrome akutua ("erradiazio-gaitza"). Erradiazio-maila baxua luzaroan jasateak ere baditu ondorioak, berehala nabaritu ez arren, epe luzean ager daitezkeenak: minbizia eta eritasun kardiobaskularrak, besteak beste.^[13]

Hauek dira erradiazioak giza gorputzean eragin ditzakeen gaitzetako batzuk:

• Tiroidean: iodina erradioaktiboak minbizia eragiten du.
• Biriketan: erradioisotopoak arnasteak DNA kaltetzen du.
• Begietan: kataratak (begi-lausoa) eragin ditzake.
• Urdailean: isotopo erradioaktiboak urdailean gera daitezke eta bertan luzaroan erradiatzen jarraitu.
• Ugal-organoetan: erradiazio-dosi handiek mutazioak edo antzutasuna eragin ditzakete.
• Azalean: erradiazioak erredurak eta minbizia sor ditzake.
• Hezur-muinean: leuzemia eta odoleko bestelako gaitzak ager daitezke.^[12]

Erradiologia-babesa diziplina anitzeko arlo zientifiko-teknikoa da eta gizakia eta ingurumena erradiazio ionizatzaileak dakartzan kalteetatik babestea du helburu. Erradiologia-Babeserako Nazioarteko Komisioa (ICRP) nazioarteko erakunde independentea da eta 1928an eratu zen. Gomendioak eta aholkuak ematen ditu erradazioaren aurkako babesa behar den edozein esparrutarako. Gomendiook aintzat hartzen dituzte beste erakunde batzuek eta gobernuek erradiologian bete beharreko neurriak eta arauak ezartzerakoan.^[14] Aipaturiko gomendioek ondorengo hiru oinarriak jarraitzen dituzte:

1. Justifikazioa: erradiazioa erabiltzen duen jardunak nolabait onuragarria izan behar du gizartearentzat (adibidez, ikerkuntzan edo medikuntzan) eta ondorio negatiboak kontsideratu egin behar dira.
2. Optimizazioa: erradiazioan esposizioak ahalik eta txikiena izan behar du, faktore ekonomiko zein sozialak kontuan hartuta.
3. Dosia mugatzea: pertsona batek jasandako erradiazio-dosiak ezin du izan indarrean dagoen legeriak adierazten duena baino handiagoa.^[14]

Desintegrazio erradioaktiboak aplikazio ugari ditu egungo teknologian. Ondoren azalduta datoz adibiderik nabarmenenak:

Zenbait elementu astunen desintegrazioan askatutako energia gizartearentzat erabilgarria den energia elektrikoan eraldatu daiteke. Helburu horretarako erabilitako bi isotopo ohikoenak uranio-235 eta plutonio-239 dira. Neutroi aske batek nukleo astun baten aurka talka egitean, nukleoa apur dezake, neutroi askeak eta energia handiko fotoiak igorriz. Igorritako neutroiek beste nukleo batzuen aurka talka egin dezakete, erreakzioa behin eta berriro errepikatuz eta kate-erreakzio bat sortuz. Prozesu horri fisio nuklear induzitu deritzo. Erreaktore nuklearretan neutroi-moderatzaile bat erabiltzen da, hots, neutroiak xurgatu gabe beren abiadura murrizten duen ingurunea. Horrela, neutroi lasterrak neutroi termiko bilakatzen ditu, zeintzuek probabilitate handiagoa baitute fisioa induzitzeko. Moderatzaile gisa ur arina erabili ohi da, baita grafitoa eta ur astuna ere. Erreaktore nuklearretan, gainera, ezinbestekoa da erreakzioa kontrolpean izatea eta, horretarako, kontrol-barrak erabiltzen dira. Horien helburua neutroiak xurgatzea da, erreaktibotasuna kontrolatzeko. Kontrol-barrek neutroiak xurgatzeko probabilitate handia duten materialez eginda egon behar dute, hala nola zilarra, indioa, kadmioa edota boroa. Erreaktorean gertatzen diren erreakzio nuklearrek beroa sortzen dute eta, zirkuitu itxi batetik dabilen ura lurrun bihurtuz, alternadore bat higiarazten da energia elektrikoa sortzeko.^[15][16] Energia nuklearra ibilgailuak higiarazteko ere erabil daiteke, urpekari eta itsasontzi nuklearretan adibidez.^[17]

Erreaktore nuklearren beharrik gabe energia nuklearra energia elektriko bihurtzeko beste modu batzuk daude. Sorgailu termoelektrikoen bitartez, desintegrazio erradioaktiboak eragindako tenperatura-aldeak erabiliz energia elektrikoa lor daiteke. Teknika hori Eguzkitik urrun dauden satelite artifizialetan eta espazio-zundetan erabili ohi da.^[18]

Nukleo ezengokorren desintegrazioetan askatutako partikulak eta energia minbizia tratatzeko erabil daitezke. Zelula tumoralen aurka erradiazio ionizatzaileak bideratuz, zelula tumoralak hil edo beren hazkundea murriztu daiteke. Minbizia tratatzeko teknika horri erradioterapia deritzo.^[19]

Bestalde, medikuntza nuklear izeneko medikuntzaren adarrean, isotopo ezegonkorrak erabiltzen dira organoen funtzionamendua aztertzeko.^[20] Horretarako, isotopo ezegonkorra molekula bati atxikirik gorputzean sartzen da. Modu horretan, isotopo ezegonkorra gorputzean zehar edo organo jakin batean zehar garraiatu daiteke eta, isotopoaren igorpena aztertuz, gorputzeko organoen funtzionamendua iker daiteke.

Lagin organikoetan dauden isotopo ezegonkorren presentzia beren adina jakiteko balia daiteke. Karbono-14 isotopoaren bidezko datazioa horren adibide da.^[21]

Izpi kosmikoek eguratseko molekulen aurka jotzean, nitrogenoaren nukleoek neutroi bat xurgatzen dute eta karbono-14 nukleo bihurtzen dira. Desintegratzean, karbono-14 nukleoek beta minus prozesua jasaten dute eta berriro ere nitrogeno bihurtzen dira. Prozesu hori etengabe gertatzen da. Eguratseko karbono-14 isotopoa fotosintesiaren bitartez landareek xurgatzen dute eta, hortik, elikadura prozesuen bitartez, animalien gorputzetan metatzen da. Bizidunak bizirik dauden bitartean, etengabe ordezten dute desintegratutako karbonoa, horrela karbono-14aren eta karbonoaren beste isotopoen arteko proportzioa konstante mantenduz. Izaki bizidun bat hiltzean, karbono-14aren ordezkapena eteten denez, isotopo ezegonkor horren kopurua etengabe murrizten da. Lagin baten karbono-14 isotopoaren kontzentrazioa neurtzen bada, bere denboraren eboluzioa ezaguna denez, laginaren adina zehaztasun handiz zenbatets daiteke. Nolanahi ere, 50.000 urtetik beherako materialak datatzeko balia daiteke soilik, karbono-14aren erdibizitza 5.730 urte ingurukoa baita.