Radioactivitatea este emisia de radiații de către nucleele instabile. Această radiație poate exista sub formă de particule subatomice (în principal particule alfa și beta) sau sub formă de energie (în principal raze gamma).
Radioactivitatea a fost descoperită accidental în 1896 de către fizicianul francez Henri Becquerel (1852-1908). În deceniile care au urmat descoperirii lui Becquerel, cercetările privind radioactivitatea au produs progrese revoluționare în înțelegerea naturii materiei și au condus la o serie de aplicații practice importante. Aceste aplicații includ o serie de noi dispozitive și tehnici, de la arme nucleare și centrale nucleare până la tehnici medicale care pot fi utilizate pentru diagnosticarea și tratarea unor boli grave.
Nuclei stabili și instabili
Nucleul tuturor atomilor (cu excepția hidrogenului) conține unul sau mai mulți protoni și unul sau mai mulți neutroni. Nucleul majorității atomilor de carbon, de exemplu, conține șase protoni și șase neutroni. În majoritatea cazurilor, nucleele atomilor sunt stabile, adică nu suferă modificări de la sine. Un nucleu de carbon va arăta exact la fel peste o sută de ani (sau peste un milion de ani) ca în prezent.
Dar unele nuclee sunt instabile. Un nucleu instabil este un nucleu care suferă unele modificări interne în mod spontan. În această schimbare, nucleul eliberează o particulă subatomică, sau o explozie de energie, sau ambele. Ca exemplu, un izotop al carbonului, carbon-14, are un nucleu format din șase protoni și opt (și nu șase) neutroni. Se spune că un nucleu care eliberează o particulă sau energie suferă o dezintegrare radioactivă, sau pur și simplu o dezintegrare.
Cuvinte de știut
Particulă alfa: Nucleul unui atom de heliu, format din doi protoni și doi neutroni.
Particula beta: Un electron emis de un nucleu atomic.
Raza gamma: O formă de radiație electromagnetică de mare energie.
Izotopi: Două sau mai multe forme ale unui element cu același număr de protoni, dar cu numere diferite de neutroni în nucleele lor atomice.
Nucleu (atomic): Nucleul unui atom, format de obicei din unul sau mai mulți protoni și neutroni.
Dezintegrare radioactivă: Procesul prin care un nucleu atomic emite radiații și se transformă într-un nou nucleu.
Familie radioactivă: Un grup de izotopi radioactivi în care dezintegrarea unui izotop duce la formarea unui alt izotop radioactiv.
Nucleu stabil: Un nucleu atomic care nu suferă modificări spontane.
Particulă subatomică: Unitate de bază a materiei și energiei (proton, neutron, electron, neutrino și pozitron) mai mică decât un atom.
Nucleu instabil: Un nucleu atomic care suferă unele modificări interne în mod spontan.
Oamenii de știință nu sunt pe deplin lămuriți cu privire la ceea ce face ca un nucleu să fie instabil. Se pare că unele nuclee conțin un număr excesiv de protoni sau neutroni sau o cantitate excesivă de energie. Aceste nuclee restabilesc ceea ce pentru ele trebuie să fie un echilibru adecvat de protoni, neutroni și energie prin emiterea unei particule subatomice sau a unei explozii de energie.
În acest proces, nucleul își schimbă compoziția și poate deveni, de fapt, un nucleu complet diferit. De exemplu, în încercarea sa de a obține stabilitate, un nucleu de carbon-14 emite o particulă beta. După ce nucleul de carbon-14 a pierdut particula beta, acesta este format din șapte protoni și șapte neutroni. Dar un nucleu format din șapte protoni și șapte neutroni nu mai este un nucleu de carbon. Acesta este acum nucleul unui atom de azot. Prin emiterea unei particule beta, atomul de carbon-14 s-a transformat într-un atom de azot.
Tipuri de radiații
Formele de radiații emise cel mai frecvent de un nucleu radioactiv se numesc particule alfa, particule beta și raze gamma. O particulă alfa este reprezentată de nucleul unui atom de heliu. Ea este formată din doi protoni și doi neutroni. Luați în considerare cazul unui atom de radium-226. Nucleul unui atom de radiu-226 este format din 88 de protoni și 138 de neutroni. Dacă acest nucleu emite o particulă alfa, el trebuie să piardă cei doi protoni și doi neutroni din care este formată particula alfa. După emiterea particulei alfa, nucleul rămas conține doar 86 de protoni (88 – 2) și 136 de neutroni (138 – 2). Acest nucleu este nucleul unui atom de radon, nu al unui atom de radiu. Prin emiterea unei particule alfa, atomul de radiu-226 s-a transformat într-un atom de radon.
Emisia de particule beta din nuclee a fost o sursă de confuzie pentru oamenii de știință timp de mulți ani. O particulă beta este un electron. Problema este că electronii nu există în nucleele atomilor. Ei pot fi găsiți în afara nucleului, dar nu în interiorul acestuia. Cum este posibil, atunci, ca un nucleu instabil să emită o particulă beta (electron)?
Răspunsul este că particula beta este produsă atunci când un neutron din interiorul nucleului atomic se sparge pentru a forma un proton și un electron:
neutron → proton + electron
Reamintim că un proton poartă o singură sarcină pozitivă, iar electronul o singură sarcină negativă. Aceasta înseamnă că un neutron, care nu poartă nicio sarcină electrică, se poate descompune pentru a forma două noi particule (un proton și un electron) ale căror sarcini electrice se adună pentru a face zero.
Gândiți-vă din nou la exemplul carbonului 14, menționat anterior. Un nucleu de carbon-14 se dezintegrează prin degajarea unei particule beta. Aceasta înseamnă că un neutron din nucleul de carbon-14 se desparte pentru a forma un proton și un electron. Electronul este emis sub forma unei raze beta, iar protonul rămâne în nucleu. Noul nucleu conține șapte protoni (cei șase inițiali plus un nou proton) și șapte neutroni (cei opt inițiali reduși prin descompunerea unuia).
Pierderea unei particule alfa sau a unei particule beta dintr-un nucleu instabil este adesea însoțită de pierderea unei raze gamma. O rază gamma este o formă de radiație de înaltă energie. Este asemănătoare cu o rază X, dar cu o energie ceva mai mare. Unele nuclee instabile se pot dezintegra numai prin emiterea de raze gamma. Atunci când au pierdut energia transportată de razele gamma, ele devin stabile.
Radioactivitate naturală și sintetică
În natură apar multe elemente radioactive. De fapt, toate elementele mai grele decât bismutul (număr atomic 83) sunt radioactive. Ele nu au izotopi stabili.
Cele mai grele dintre elementele radioactive sunt implicate în secvențe cunoscute sub numele de familii radioactive. O familie radioactivă este un grup de elemente în care dezintegrarea unui element radioactiv produce un alt element care este, de asemenea, radioactiv. Ca exemplu, izotopul părinte al unei familii radioactive este uraniul-238. Când uraniul-238 se dezintegrează, formează toriu-234. Dar thoriul-234 este, de asemenea, radioactiv. Când se dezintegrează, formează protactiniu-234. Protactiniul-234, la rândul său, este de asemenea radioactiv și se dezintegrează pentru a forma uraniu-234. Procesul continuă pentru încă unsprezece etape. În cele din urmă, izotopul poloniu-210 se dezintegrează pentru a forma plumb-206, care este stabil.
Multe elemente mai ușoare au, de asemenea, izotopi radioactivi. Câteva exemple includ hidrogenul-3, carbonul-14, potasiul-40 și telurul-123.
Izotopii radioactivi pot fi, de asemenea, obținuți în mod artificial. Procesul obișnuit constă în bombardarea unui nucleu stabil cu protoni, neutroni, particule alfa sau alte particule subatomice. Procesul de bombardare poate fi realizat cu acceleratoare de particule (atom-smashers) sau în reactoare nucleare. Atunci când una dintre particulele de bombardament (gloanțe) lovește un nucleu stabil, poate face ca acel nucleu să devină instabil și, prin urmare, să devină radioactiv.