Radioaktiivisuus on epästabiilien ytimien säteilyä. Tämä säteily voi esiintyä subatomisina hiukkasina (pääasiassa alfa- ja beetahiukkasina) tai energian muodossa (pääasiassa gammasäteinä).
Radioaktiivisuuden löysi sattumalta ranskalainen fyysikko Henri Becquerel (1852-1908) vuonna 1896. Becquerelin löytöä seuranneina vuosikymmeninä radioaktiivisuuden tutkimus tuotti vallankumouksellisia läpimurtoja aineen luonteen ymmärtämisessä ja johti moniin tärkeisiin käytännön sovelluksiin. Näihin sovelluksiin kuuluu lukuisia uusia laitteita ja tekniikoita ydinaseista ja ydinvoimaloista lääketieteellisiin tekniikoihin, joita voidaan käyttää vakavien sairauksien diagnosointiin ja hoitoon.
Vakaat ja epävakaat ytimet
Kaikkien atomien (vetyä lukuun ottamatta) ydin sisältää yhden tai useamman protonin ja yhden tai useamman neutronin. Esimerkiksi useimpien hiiliatomien ytimessä on kuusi protonia ja kuusi neutronia. Useimmissa tapauksissa atomien ytimet ovat stabiileja, eli ne eivät muutu itsestään. Hiiliydin näyttää sadan vuoden kuluttua (tai miljoonan vuoden kuluttua) täsmälleen samalta kuin nyt.
Mutta jotkut ytimet ovat epävakaita. Epävakaa ydin on sellainen, jossa tapahtuu jokin sisäinen muutos spontaanisti. Tässä muutoksessa ydin luovuttaa subatomisen hiukkasen tai energiapurkauksen tai molempia. Esimerkiksi hiilen isotoopin, hiili-14:n, ydin koostuu kuudesta protonista ja kahdeksasta (eikä kuudesta) neutronista. Ytimen, joka luovuttaa hiukkasen tai energiaa, sanotaan hajoavan radioaktiivisesti tai vain hajoavan.
Words to know
Alfahiukkanen: Heliumatomin ydin, joka koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista.
Beetahiukkanen: Atomiytimen lähettämä elektroni.
Gammasäteily: Sähkömagneettisen säteilyn korkeaenerginen muoto.
Isotoopit: Alkuaineen kaksi tai useampia muotoja, joiden atomiytimissä on sama määrä protoneja mutta eri määrä neutroneita.
Ydin (atomi): Atomin ydin, joka koostuu yleensä yhdestä tai useammasta protonista ja neutronista.
Radioaktiivinen hajoaminen: Prosessi, jossa atomiydin luovuttaa säteilyä ja muuttuu uudeksi ytimeksi.
Radioaktiivinen suku: Radioaktiivisten isotooppien ryhmä, jossa yhden isotoopin hajoaminen johtaa toisen radioaktiivisen isotoopin muodostumiseen.
Vakaa ydin: Atomiydin, joka ei muutu spontaanisti.
Subatominen hiukkanen: Atomia pienempi aineen ja energian perusyksikkö (protoni, neutroni, elektroni, neutriino ja positroni).
Epävakaa ydin: Atomiydin, jossa tapahtuu jokin sisäinen muutos spontaanisti.
Tutkijat eivät ole täysin selvillä siitä, mikä tekee ytimestä epävakaan. Näyttää siltä, että joissakin ytimissä on liikaa protoneja tai neutroneita tai liikaa energiaa. Nämä ytimet palauttavat protonien, neutronien ja energian tasapainon palauttamalla subatomisen hiukkasen tai energiapurkauksen.
Tässä prosessissa ydin muuttaa koostumustaan ja voi itse asiassa muuttua kokonaan eri ytimeksi. Esimerkiksi hiili-14-ydin luovuttaa beetahiukkasen yrittäessään saavuttaa stabiilisuutta. Kun hiili-14-ydin on menettänyt beetahiukkasen, se koostuu seitsemästä protonista ja seitsemästä neutronista. Seitsemästä protonista ja seitsemästä neutronista koostuva ydin ei kuitenkaan ole enää hiiliydin. Se on nyt typpiatomin ydin. Hiili-14-atomi on muuttunut typpiatomiksi luovuttamalla beetahiukkasen.
Säteilylajit
Radioaktiivisen ytimen yleisimmin lähettämiä säteilyn muotoja kutsutaan alfahiukkasiksi, beetahiukkasiksi ja gammasäteiksi. Alfahiukkanen on heliumatomin ydin. Se koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Tarkastellaan esimerkiksi radium-226-atomia. Radium-226-atomin ydin koostuu 88 protonista ja 138 neutronista. Jos tämä ydin synnyttää alfahiukkasen, sen on menetettävä kaksi protonia ja kaksi neutronia, joista alfahiukkanen koostuu. Kun alfahiukkanen on lähtenyt liikkeelle, jäljelle jäävässä ytimessä on vain 86 protonia (88 – 2) ja 136 neutronia (138 – 2). Tämä ydin on radonatomin ydin, ei radiumatomin. Lähettämällä alfahiukkasen radium-226-atomi on muuttunut radonatomiksi.
Ytimien beetahiukkasten emittoituminen on hämmentänyt tiedemiehiä monta vuotta. Beetahiukkanen on elektroni. Ongelma on siinä, että elektroneja ei ole atomien ytimissä. Niitä voi esiintyä ytimen ulkopuolella, mutta ei sen sisällä. Miten on siis mahdollista, että epävakaasta ytimestä lähtee beetahiukkanen (elektroni)?
Vastaus on, että beetahiukkanen syntyy, kun atomiytimen sisällä oleva neutroni hajoaa ja muodostaa protonin ja elektronin:
neutroni → protoni + elektroni
Muistetaan, että protonilla on yksi positiivinen varaus ja elektronilla yksi negatiivinen varaus. Tämä tarkoittaa, että neutroni, joka ei kanna lainkaan sähkövarausta, voi hajota ja muodostaa kaksi uutta hiukkasta (protoni ja elektroni), joiden sähkövaraukset summautuvat nollaksi.
Ajatelkaa aiemmin mainittua hiili-14:n esimerkkiä. Hiili-14:n ydin hajoaa synnyttämällä beetahiukkasen. Se tarkoittaa, että yksi neutroni hiili-14-ytimessä hajoaa ja muodostaa protonin ja elektronin. Elektroni vapautuu beetasäteilynä, ja protoni jää ytimeen. Uudessa ytimessä on seitsemän protonia (alkuperäiset kuusi plus yksi uusi protoni) ja seitsemän neutronia (alkuperäiset kahdeksan, joista yksi on hajonnut).
Alfahiukkasen tai beetahiukkasen häviämiseen epävakaasta ytimestä liittyy usein myös gammasäteilyn häviäminen. Gammasäteily on eräs suurienergisen säteilyn muoto. Se muistuttaa röntgensäteilyä, mutta sen energia on hieman suurempi. Jotkin epävakaat ytimet voivat hajota pelkästään gammasäteitä lähettämällä. Kun ne ovat menettäneet gammasäteiden kuljettaman energian, niistä tulee stabiileja.
Luonnollinen ja synteettinen radioaktiivisuus
Luonnossa esiintyy monia radioaktiivisia alkuaineita. Itse asiassa kaikki vismuttia (atomiluku 83) raskaammat alkuaineet ovat radioaktiivisia. Niillä ei ole stabiileja isotooppeja.
Radioaktiivisista alkuaineista raskaimmat osallistuvat radioaktiivisiksi perheiksi kutsuttuihin jaksoihin. Radioaktiivinen perhe on alkuaineiden ryhmä, jossa yhden radioaktiivisen alkuaineen hajoaminen tuottaa toisen alkuaineen, joka on myös radioaktiivinen. Yhden radioaktiivisen perheen kantaisotooppi on esimerkiksi uraani-238. Kun uraani-238 hajoaa, se muodostaa torium-234:ää. Torium-234 on kuitenkin myös radioaktiivinen. Kun se hajoaa, se muodostaa protactinium-234:ää. Protactinium-234 on puolestaan myös radioaktiivinen ja hajoaa uraani-234:ksi. Prosessi jatkuu vielä yhdentoista vaiheen ajan. Lopuksi isotooppi polonium-210 hajoaa lyijy-206:ksi, joka on stabiili.
Monilla kevyemmillä alkuaineilla on myös radioaktiivisia isotooppeja. Esimerkkejä ovat vety-3, hiili-14, kalium-40 ja telluuri-123.
Radioaktiivisia isotooppeja voidaan valmistaa myös keinotekoisesti. Tavallinen prosessi on pommittaa vakaata ydintä protoneilla, neutroneilla, alfahiukkasilla tai muilla subatomisilla hiukkasilla. Pommitusprosessi voidaan toteuttaa hiukkaskiihdyttimillä (atomismurskaimilla) tai ydinreaktoreissa. Kun jokin pommitettavista hiukkasista (luodeista) osuu vakaaseen ytimeen, se voi saada ytimen muuttumaan epävakaaksi ja siten radioaktiiviseksi.