Радиоактивност

Радиоактивност је спонтано емитирање алфа-честицȃ и бета-честицȃ из твари, често праћено и емисијом гама електромагнетских валова, при чему кемијски елементи прелазе из једних у друге те се ослобађа енергија у облику кинетичке енергије емитираних честица или енергије електромагнетских валова а свака атомска језгра има карактеристично вријеме полураспада.

У радиоактивним процесима, елементарне честице или електромагнетска зрачења емитирају се из језгри атома. Најуобичајенији облици зрачења традиционално се називају алфа-честице (α), бета-честице (β) и гама (γ) зрачењима. Зрачења из језгре се догађају и у другим облицима, укључујући емитирање протона или неутрона, те спонтаних нуклеарних фисија (цијепања) масивних језгри. Од свих језгри које су пронађене у природи, многе су стабилне. То је због тога што су се све краткоживуће радиоактивне језгре распале током хисторије Земље. У природи се налази око 270 стабилних и око 50 природних радиоактивних изотопа. Тисуће других радиоактивних изотопа умјетно су стварани у лабораторијима.

Радиоактивни распад претвара једну језгру у другу ако нова језгра има већу енергију везања по нуклеону него што је имала почетна језгра. Разлика у енергији везања (прије и послије распада) одређује који се распади могу енергијски догађати, а који не. Вишак ће енергије везања излазити у облику кинетичке енергије или масе честица у распаду. ^[1]

Нуклеарни распади морају задовољити неколико закона очувања енергије, подразумијевајући да вриједност очуване величине након распада (узимајући у обзир све продукте) има једнаку вриједност као и за језгру прије распада. Очуване величине су укупна енергија (укључујући еквивалент енергије масе), електрични набој, линеарна и кутна количина гибања, број нуклеона, те лептонски број (тј. сума броја електрона, неутрина, те позитрона и антинеутрина, узимајући античестице с -1). ^[2]

Природну радиоактивност открио је Хенри Бецqуерел 1896. уочивши да уранијеве соли емитирају невидљиво зрачење које дјелује на фотографску плочу кроз заштитни папир слично рендгенским зракама те да под утјецајем тога зрачења електроскоп губи набој. Примијетио је да уранијеве соли стално у мраку флуоресцирају. Тако на примјер, чисти калијев уранил сулфат у мраку стално свијетли слабом зеленкастом луминисцентном свијетлошћу. Даљњим испитивањем, Бецqуерел је пронашао да зрачење које изазивају уранијеви спојеви ионизирају зрак (ионизирајуће зрачење), изазивају флуоресценцију и пролазе кроз папир, плочице алуминија и бакра. Кроз затворени спремник оне дјелују на фотографску плочу, а дјелују и на нашу кожу и клице разних биљака. Утврдио је да ти зраци имају слична својства као рендгенске зраке (X – зраке), па су се у почетку те зраке називале и Бецqуерелове зраке. 1899. је Бецqуерел пронашао да те зраке скрећу у магнетском пољу, па се разликују од рендгенских зрака, које не скрећу у магнетском пољу. ^[3]

Марие Цурие-Скłодоwска открила је 1898. такво зрачење код торијевих спојева, те да се на зрачење не може утјецати електричном струјом, загријавањем, кемијским реакцијама и сл., да се радиоактивни кемијски елементи претварају једни у друге и да је вјеројатност распада неовисна о старости појединог атома. Открила је да уранијев минерал уранинит (пехбленд) емитира пет пута јаче зраке него чисти ураниј. Када је ишла истраживати уранинит, пронашла је да се састоји 75% од уранијевог оксида У₃О₈, а пронашла је још и неке друге кемијске твари: ПбС, ЦаО, СиО₂, ФеО, МгО и Би. 1898. је Марие мјерила зрачење појединих удјела, помоћу осјетљивог електроскопа, уз примјену пиезоелектрицитета и ионизације зрака. Утврдила је на примјер да бизмут, добијен из уранинита, има 60 пута јаче зрачење од чистог уранија. Пронашла је да бизмутово јако зрачење настаје услијед присуства назнатне количине једног непознатог кемијског елемента, за који се касније утврдило да је радиј. Зато је предложила да се кемијски елементи који изазивају Бецqуерелове зраке назову радиоактивни елементи, а њихово својство радиоактивност. Тек 1910. је успјела издвојити радиј.

Ернест Рутхерфорд открио је 1899. да се зрачење радија састоји од двије компоненте које се различито апсорбирају у тварима. Ону врсту зрака које не могу да прођу кроз алуминијску плочицу дебљине 0,02 мм назвао је алфа-честицама, а ону врсту која је пролазила и кроз дебље слојеве назвао је бета-честицама. На основу скретања у магнетском пољу, утврдено је да алфа-честице имају позитивни електрични набој, а бета-честице негативан електрични набој. ^[4]

Паул Виллард је 1900. открио још продорнију компоненту, гама-зраке. Ернест Рутхерфорд и Фредерицк Соддy (1902.) на темељу анализе гибања зракâ у магнетском пољу објаснили су природу радиоактивности. Wолфганг Паули поставио је 1930. хипотезу о постојању неутрина, тадашњим детекторима неухватљиве честице која односи дио енергије у бета-распаду. Енрицо Ферми поставио је 1933. прву строгу теорију бета-распада која претпоставља да пријелаз неутрона у протон или обратно узрокује слабо нуклеарно међудјеловање, а притом долази до симултане емисије или апсорпције електрона и неутрина. Ирèне Јолиот-Цурие и Фредерик Јолиот-Цурие први су 1934. умјетно изазвали радиоактивност и произвели умјетни радиоизотоп стабилног елемента.

Алфа распад промјена је атомске језгре при којој језгра емитира алфа-честицу, масени број се смањује за 4, а атомски број за 2. Примјерице алфа-распадом уранија-238 настају ториј-234 и алфа-честица. Ернест Рутхерфорд закључио да су алфа-честице уствари иони хелија или само атомска језгра хелија. ^[5]

Бета распад промјена је атомске језгре при којој долази до емисије или апсорпције електрона или позитивног електрона (позитрона) и антинеутрина или неутрина. Притом се масени број не мијења, а атомски број елемента промијени се за један. У природним радиоактивним низовима при тзв. бета-минус-распаду један неутрон у језгри распада се на електрон, антинеутрино и протон. Примјерице бета-распадом торија-233 настају паладиј-234, бета-минус-честица и антинеутрино. Приликом умјетно изазване радиоактивности може доћи и до бета-плус-распада, тј. емисије позитрона и неутрина; масени број елемента остаје исти, а атомски се број смањи за један. Бета-честице су уствари електрони великих брзина, али за разлику од електрона у електронском омотачу атома, настају из атомске језгре.

Електронски ухват појава је при којој језгра захвати један електрон из атомског омотача и смањи свој позитивни набој за један. Удаљени електрони попуњавају испражњена мјеста и притом долази до емисије рендгенскога зрачења.

Гама-радиоактивност пријелаз је између стања више побуђености атомске језгре у стање ниже побуђености или у основно стање, а електромагнетско зрачење високе фреквенције које се притом емитира назива се гама-зрачење. Тада се не мијењају више атомски ни масени број елемента. За гама-зрачење је утврђено да одговарају тврдим рендгенским зракама. То су доказали Ернест Рутхерфорд и Е. Н. да Цоста Андраде 1914., огибом или дифракцијом гама-честица кроз одговарајућу кристалну решетку, помоћу које су успијели и одредити и њихову валну дуљину. Према досадашњим мјерењима утврђено је да су валне дуљине гама-честица између 0,000466 нм и 0,0428 нм. Према томе, гама-честице одговарају кратковалном рендгенском зрачењу, али за разлику од рендгенског зрачења настају у атомској језгри.

Унутарња конверзија процес је при којем језгра изравно предаје вишак енергије електрону у унутарњим слојевима атомског омотача. Тај електрон напушта атом, а његово избацивање прати емисија рендгенских зрака. Редни и масени бројеви атома не мијењају се.

Зрачење настало радиоактивношћу разликује се по продорности, електричном набоју, грађи и по процесима који доводе до емисије. Алфа-зрачење може зауставити папир, бета-зрачење може зауставити алуминијски лим дебео неколико милиметара, а већину гама-зрачења може зауставити десетак центиметара дебела оловна плоча. У магнетском пољу алфа-зраке савијају се као позитивно набијене честице, бета-зраке као негативне или позитивне, а гама-зраке пролазе несметано.

Неутронско зрачење је рој брзих неутрона, по маси слични протонима. Врло лако продиру кроз неку кемијску твар, јер немају електрични набој. Неутронско зрачење може бити посљедица нуклеарне реакције. Компонента је козмичког зрачења и зрачења из нестабилних тешких језгри. Врло снажно неутронско зрачење настаје у нуклеарним реакторима током нуклеарне ланчане реакције језгри. Енергија неутрона код неутронских зрачења износи од око 10 МеВ па наниже. Ако се енергија неутрона смањи на енергије мање од 1 еВ, називају се термичким неутронима.

Остала зрачења се називају према честицама од којих се састоје: протонско, деутеријско, трицијско, тешкоионско, и друго. Таква зрачења могу настати у нуклеарним реакцијама, дио су козмичког зрачења, а настају и у нуклеарним реакторима или нуклеарним експлозијама.

Врста радиоактивности	Елементарне честице које судјелују	Нови кемијски елемент
Радиоактвно зрачење с емисијом протона и неутрона:
Алфа распад	Алфа-честица (А = 4, З = 2) која је емитирана из атомске језгре	(А − 4, З − 2)
Протонско зрачење	Протон избачен из атомске језгре	(А − 1, З − 1)
Неутронско зрачење	Неутрон избачен из атомске језгре	(А − 1, З)
Двоструко протонско зрачење	Два протона избачена из атомске језгре истовремено	(А − 2, З − 2)
Самостална нуклеарна фисија	Атомска језгра се распада у двије или висе мање атомске језгре и остале честице	—
Тешкоионско зрачење	Атомска језгра зрачи одређену врсту мањих атомских језгри (А1, З1) које су мање или веће од алфа-честица	(А − А1, З − З1) + (А1, З1)
Различити облици бета распада:
Бета- распад	Атомска језгра зрачи електрон и електронски антинеутрино	(А, З + 1)
Позитронско зрачење или бета+ распад	Атомска језгра зрачи позитрон и електронски антинеутрино	(А, З − 1)
Електронски ухват	Атомска језгра ухвати електрон из орбите и зрачи неутрино, па је нова атомска језгра у побуђеном и нестабилном стању	(А, З − 1)
Ограничени бета распад	Атомска језгра зрачи електрон и антинеутрино, али електрон буде ухваћен у празну К-љуску; нова атомска језгра у побуђеном и нестабилном стању. Та појава је ријетка, осим код ионизираних атома, који имају празнину у К-љусци.	(А, З + 1)
Двоструки бета распад	Атомска језгра зрачи два електрона и два антинеутрина	(А, З + 2)
Двоструки електронски ухват	Атомска језгра ухвати два орбитална електрона и зрачи два неутрина – нова атомска језгра у побуђеном и нестабилном стању	(А, З − 2)
Електронски ухват са зрачењем позитрона	Атомска језгра ухвати орбитални електрон и зрачи позитон и два неутрина	(А, З − 2)
Двоструко позитронско зрачење	Атомска језгра зрачи два позитрона и два антинеутрина	(А, З − 2)
Пријелазно стање истог атомског језгра:
Изометарски пријелаз	Побуђена атомска језгра зрачи високоенергетски фотон (гама-зрачење)	(А, З)
Унутарња претворба	Побуђена атомска језгра преноси енергију на орбитални електрон, који буде избачен из атома	(А, З)

Ионизирајуће зрачење је појава за коју људска осјетила нису развијена, за разлику од многих других појава у природи. Изравне посљедице дјеловања ионизирајућег зрачења на живи свијет већином су закашњеле и тешко их је повезати с узроком. Човјек може бити изложен и смртоносној дози ионизирајућег зрачења, а да у самом тренутку озрачивања ништа не осјети. Посљедице озрачивања, без осјетилне везе с узроком запажају се тек након неког времена, од неколико сати до неколико дана или чак година, што овиси о врсти и својствима тог зрачења. Отуда је разумљив човјеков страх, а познавање основних својстава ионизирајућег зрачења, међудјеловања зрачења с твари, а посебно дјеловања зрачења на жива бића, је необично важно у стручном и психолошком смислу.

Ионизирајуће зрачење је појава пријеноса енергије у облику фотона (кванти електромагнетског зрачења) или масених честица, а које има довољно енергије да у међудјеловању с кемијском твари ионизира ту твар. Ионизирајуће зрачење посљедица је промјене стања материје у микросвијету. То су промјене у енергији или у саставу атома или атомске језгре, при чему се емитирају фотони или друге честице. У међудјеловању с твари долази до измјене енергије и измјене структуре озрачене твари. Такве посљедице могу бити корисне, али и врло штетне. ^[6]

Вјеројатност да ће се поједина атомска језгра распасти током неког временског интервала не овиси о доби дотичне језгре или о томе како је она створена. Иако се стварно вријеме живота поједине језгре не може предвидјети, средње (или просјечно) вријеме живота неког узорка идентичних језгри може бити измјерено и предвиђено. Једноставан начин одређивања времена живота неких изотопа је мјерење времена распада половице језгри тог проматраног узорка. То се вријеме назива временом полураспада, т_1/2. Од оригиналног броја језгри које се нису распале, њих половица ће се распасти ако чекамо други интервал времена полураспада па их остаје једна четвртина. За још један интервал времена полураспада остат ће их само осмина нераспаднутих, итд.

Број језгри неког узорка који ће се распасти у датом временском интервалу је размјеран броју језгри тог узорка. То води на закључак да је процес радиоактивног распада експоненцијални процес. Број Н атомских језгри које су остале нераспаднуте након времена т, у односу на изворни број језгри Н₀, је:

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

гдје се λ назива константа радиоактивног распада и вриједи:

${\displaystyle \tau ={\frac {1}{\lambda }}.}$

а мјерна јединица је реципрочна секунда, с^-1.

Свијет у којем живимо радиоактиван је од свог постанка. Постоји око 60 радионуклида (радиоактивних елемената), које можемо пронаћи у тлу, зраку, води, храни, а тиме и у свим живим бићима. По томе како су настали дијеле се на оне који су одувијек присутни на Земљи, оне који настају као посљедица дјеловања козмичких зрака, те оне који су посљедица људске технологије.

У првој су скупини радиоактивни елементи попут уранија-235, уранија-238, торија-232, радија-226, радона-222 или калија-40. Они потјечу још из времена стварања Земље, а карактеризира их врло дуго вријеме полураспада, чак и до милијарду година (изнимка је плин радон, чији је полуживот 3,8 дана). Козмичко зрачење нас непрестано погађа. Извор му је углавном изван нашег Сунчевог сустава, а састоји се од разних облика зрачења: од врло брзих тешких честица, па до високоенергијских фотона и миона. Оно међудјелује с атомима у горњим слојевима атмосфере и тако производи радионуклиде, који су најчешће краћих времена полуживота. То су, на примјер, угљик-14, трициј, берилиј-7 и други.

Људи су својим дјеловањем, поглавито развојем нуклеарних реактора и тестирањем нуклеарног оружја, створили још неке радиоактивне елементе, попут стронција-90, јода-129, јода-131, цезија-137, плутонија-239 итд.

Активност радиоактивног узорка мјери се у бекерелима (Бq). Активност од 1 Бq значи један радиоактивни распад у секунди. Како су активности узорака често врло велике у употреби је и већа јединица кири (Цу). 1 Цу износи 3,7∗ 10¹⁰ Бq.

Да би се мјерила енергија, коју путем ионизирајућег зрачења апсорбира одређена твар, користи се јединица греј (Гy). Омјер те енергије и масе тијела које ју апсорбира зове се апсорбирана доза. Ако се енергија од 1 Ј апсорбира у 1 кг твари говоримо о апсорбираној дози од 1 Гy. Овако дефинирана доза не говори ништа о биолошким учинцима апсорбираног зрачења. Свака врста зрачења (α, β, γ) има другачији утјецај на живе станице, који се описује фактором Q. Зато се дефинира еквивалентна доза, коју добијемо тако да апсорбирану дозу помножимо фактором Q. Јединица за еквивалентну дозу је сиеверт (Св).

Зрачење је неизбјежан феномен и сваки човјек прима годишњу еквивалентну дозу зрачења од приближно 3,5 мСв. То је просјечна доза, а састоји се од сљедећих доприноса:

• Удисање радона - 2 мСв
• Остали радионуклиди унесени у тијело - 0,39 мСв
• Земљино зрачење - 0,28 мСв
• Козмичко зрачење - 0,28 мСв

Тако испада да је укупна доза од природних извора 3 мСв, а укупна доза од умјетних извора 0,5 мСв. Укупна доза од умјетних извора прорачуната је према просјечној изложености медицинском зрачењу, кориштењу разних апарата, те доприносу од тестирања нуклеарног оружја и рада нуклеарних електрана. Највећи допринос од умјетних извора даје медицинско зрачење.

Просјечна доза коју прими становништво у појединим дијеловима Хрватске од вањског озрачивања: ^[7]

• Осијек (највише): 1,30 мСв/година
• Загреб: 1,14 мСв/година
• Вараждин: 1,10 мСв/година
• Рабац (најмање): 0,66 мСв/година
• просјек: око 1,00 мСв/година

• више од 10 Св изазива тешку болест и смрт у неколико тједана.
• 2-10 Св примљених у кратком року изазива смрт с вјеројатношћу од 50%.
• 1 Св примљен у кратком року изазвао би радијацијску болест (мучнину, губитак косе), али највјеројатније не и смрт.
• 50 мСв годишње је најмања доза за коју постоје докази да изазива рак.

Учинци великих доза познати су из судбина преживјелих људи из Хирошиме и Нагасакија, за које је накнадно процијењена доза зрачења коју су примили. О учинцима малих доза говори се на темељу екстраполације учинака великих доза и претпоставке њихове линеарности, јер је учинке малих доза тешко директно пратити и разлучити од бројних других фактора који утјечу на здравље. На тај је начин израчунато да ће од милијун људи који приме додатну дозу зрачења од 1 мСв њих 50 због тога умријети од рака.

Радиоактивне језгре могу се добити бомбардирањем стабилних језгара протонима, алфа-честицама, неутронима итд. Главни извор умјетних радиоактивних елемената су нуклеарни реактори и акцелератори честица. Током Другог свјетског рата и педесет година послије развијано је нуклеарно оружје. Радиоактивни елементи могу се добити и на умјетан начин, нпр. тако да се природни елемент бомбардира нуклеарним пројектилима, протонима, алфа-честицама, неутронима итд., те у њему изазове нуклеарна трансмутација у нови елемент или нови изотоп истог елемента. Као пројектили за бомбардирање неутрони су јако погодни јер немају набоја и стога лако продиру у језгру атома.

Извори радиоактивних елемената могу бити:

• примјена зрачења у медицини (радиобиологија, нуклеарна медицина, радиотерапија)
• покусне нуклеарне експлозије
• индустрија
• нуклеарне електране (зраче мање од телевизијског екрана)
• други извори (апарати за радиобиологију с рендгенским зракама или неутронима, акцелератори честица)