A radioaktivitás az instabil atommagok által kibocsátott sugárzás. Ez a sugárzás létezhet szubatomi részecskék (elsősorban alfa- és béta-részecskék) vagy energia (elsősorban gamma-sugárzás) formájában.
A radioaktivitást véletlenül fedezte fel 1896-ban Henri Becquerel (1852-1908) francia fizikus. A Becquerel felfedezését követő évtizedekben a radioaktivitás kutatása forradalmi áttörést hozott az anyag természetének megértésében, és számos fontos gyakorlati alkalmazáshoz vezetett. Ezek az alkalmazások számos új eszközt és technikát foglalnak magukban, a nukleáris fegyverektől és atomerőművektől kezdve a súlyos betegségek diagnosztizálására és kezelésére alkalmas orvosi technikákig.
Stabil és instabil atommagok
Minden atom magja (a hidrogén kivételével) egy vagy több protont és egy vagy több neutront tartalmaz. A legtöbb szénatom magja például hat protont és hat neutront tartalmaz. Az atomok atommagjai a legtöbb esetben stabilak, azaz önmaguktól nem változnak. Egy szénmag száz év múlva (vagy egymillió év múlva) pontosan ugyanúgy fog kinézni, mint ma.
Néhány atommag azonban instabil. Az instabil atommag az, amelyik spontán módon valamilyen belső változáson megy keresztül. Ebben a változásban az atommag egy szubatomi részecskét bocsát ki, vagy egy energiakitörést, vagy mindkettőt. Például a szén egyik izotópjának, a szén-14-nek az atommagja hat protonból és nyolc (nem hat) neutronból áll. Az olyan atommagot, amely részecskét vagy energiát bocsát ki, radioaktív bomlásnak vagy egyszerűen bomlásnak nevezzük.
Ismertető szavak
Alfa részecske: A héliumatom magja, amely két protonból és két neutronból áll.
Béta-részecske: Egy atommag által kibocsátott elektron.
Gammasugárzás: Az elektromágneses sugárzás nagy energiájú formája.
Izotópok: Egy elem két vagy több olyan formája, amelynek atommagjában a protonok száma megegyezik, de a neutronok száma eltérő.
Atommag (atommag): Az atom magja, amely általában egy vagy több protonból és neutronból áll.
Radioaktív bomlás: Az a folyamat, amelynek során egy atommag sugárzást bocsát ki és új atommaggá alakul át.
Radioaktív család: Radioaktív izotópok olyan csoportja, amelyben az egyik izotóp bomlása egy másik radioaktív izotóp keletkezéséhez vezet.
Stabil atommag: Olyan atommag, amely spontán módon nem megy át semmilyen változáson.
Szubatomi részecske: Az anyag és az energia atomnál kisebb alapegysége (proton, neutron, elektron, neutrínó és pozitron).
Instabil atommag: Olyan atommag, amely spontán módon valamilyen belső változáson megy keresztül.
A tudósok nem teljesen tisztában vannak azzal, hogy mitől lesz egy atommag instabil. Úgy tűnik, hogy egyes atommagok túlzott számú protont vagy neutront, vagy túlzott mennyiségű energiát tartalmaznak. Ezek az atommagok egy szubatomi részecske vagy energiakitörés kibocsátásával állítják helyre a protonok, neutronok és energia megfelelő egyensúlyát.
Ebben a folyamatban az atommag megváltoztatja az összetételét, és valójában egy teljesen más atommaggá válhat. Például a szén-14 atommag a stabilitás elérésére tett kísérletében béta-részecskét bocsát ki. Miután a szén-14 atommag elvesztette a béta-részecskét, hét protonból és hét neutronból áll. A hét protonból és hét neutronból álló atommag azonban már nem szénmag. Ez most egy nitrogénatom magja. A béta-részecske leadásával a szén-14 atom nitrogénatommá változott.
A sugárzás fajtái
A radioaktív atommag által leggyakrabban kibocsátott sugárzási formákat alfa-részecskéknek, béta-részecskéknek és gamma-sugárzásnak nevezzük. Az alfa-részecske a héliumatom magja. Két protonból és két neutronból áll. Vegyük egy rádium-226 atom esetét. A rádium-226 atom magja 88 protonból és 138 neutronból áll. Ha ez az atommag alfa-részecskét bocsát ki, akkor el kell veszítenie azt a két protont és két neutront, amelyekből az alfa-részecske áll. Az alfa-részecske kibocsátása után a megmaradó atommag csak 86 protont (88-2) és 136 neutront (138-2) tartalmaz. Ez az atommag egy radonatom magja, nem pedig egy rádiumatomé. Az alfa-részecske kibocsátásával a rádium-226 atom radonatommá változott.
Az atommagok béta-részecskék kibocsátása sokáig zavart okozott a tudósoknak. A béta-részecske egy elektron. A probléma az, hogy az elektronok nem léteznek az atommagokban. Az atommagon kívül is megtalálhatók, de az atommagban nem. Hogyan lehetséges tehát, hogy egy instabil atommag béta-részecskét (elektron) bocsásson ki?
A válasz az, hogy a béta-részecske akkor keletkezik, amikor az atommagban lévő neutron szétesik, és egy proton és egy elektron keletkezik:
neutron → proton + elektron
Emlékezzünk vissza, hogy a proton egyetlen pozitív, az elektron pedig egyetlen negatív töltést hordoz. Ez azt jelenti, hogy a neutron, amely egyáltalán nem hordoz elektromos töltést, szét tud szakadni, hogy két új részecskét (egy protont és egy elektront) alkosson, amelyek elektromos töltése összeadódva nulla.
Gondoljunk vissza a korábban említett szén-14 példájára. A szén-14 atommag egy béta-részecske kibocsátásával bomlik. Ez azt jelenti, hogy a szén-14 atommagban egy neutron szétesik, és egy proton és egy elektron keletkezik. Az elektron béta-sugárként távozik, a proton pedig az atommagban marad. Az új atommag hét protont (az eredeti hat proton és egy új proton) és hét neutront (az eredeti nyolc neutron egy neutron lebomlásával csökkentve) tartalmaz.
Az instabil atommagból történő alfa- vagy béta-részecske elvesztését gyakran gammasugár elvesztése kíséri. A gammasugár a nagyenergiájú sugárzás egyik formája. Hasonló a röntgensugárhoz, de valamivel nagyobb energiájú. Egyes instabil atommagok csak gammasugárzás kibocsátásával képesek bomlani. Amikor elveszítik a gammasugarak által elvitt energiát, stabilakká válnak.
Természetes és szintetikus radioaktivitás
A természetben számos radioaktív elem fordul elő. Valójában a bizmutnál (83-as atomi szám) nehezebb elemek mindegyike radioaktív. Nincsenek stabil izotópjaik.
A radioaktív elemek közül a legnehezebbek radioaktív családoknak nevezett sorozatokban vesznek részt. A radioaktív család olyan elemcsoport, amelyben egy radioaktív elem bomlása során egy másik, szintén radioaktív elem keletkezik. Az egyik radioaktív család szülőizotópja például az urán-238. Az urán-238 bomlásakor tórium-234 keletkezik. A tórium-234 azonban szintén radioaktív. Amikor bomlik, protaktínium-234 keletkezik belőle. A tektónium-234 viszont szintén radioaktív, és bomlása során urán-234 keletkezik. A folyamat további tizenegy lépésben folytatódik. Végül a polónium-210 izotóp bomlása során ólom-206 keletkezik, amely stabil.
Sok könnyebb elemnek is vannak radioaktív izotópjai. Néhány példa erre a hidrogén-3, a szén-14, a kálium-40 és a tellúr-123.
Radioaktív izotópokat mesterségesen is elő lehet állítani. A szokásos eljárás az, hogy egy stabil atommagot protonokkal, neutronokkal, alfa-részecskékkel vagy más szubatomi részecskékkel bombáznak. A bombázási folyamatot részecskegyorsítókkal (atomszórókkal) vagy atomreaktorokban lehet elvégezni. Amikor a bombázó részecskék (golyók) egyike eltalál egy stabil atommagot, az atommag instabillá válhat, és így radioaktívvá válhat.