Mis on radioaktiivne lagunemine? Definitsioon, põhimõte ja ajalugu
Tutvu radioaktiivse lagunemise definitsiooni, põhimõtte ja ajaloolise avastusega — Becquerel, Curie ning nende mõju aatomite muutustele ja tuumafüüsikale.
Radioaktiivne lagunemine toimub mõne keemilise elemendi puhul. Enamik keemilisi elemente on stabiilsed. Keemilised elemendid koosnevad aatomitest. Stabiilsete elementide aatom jääb samaks. Isegi keemilises reaktsioonis ei muutu aatomid ise kunagi.
19. sajandil avastas Henri Becquerel, et mõnel keemilisel elemendil on aatomid, mis muutuvad. Aastal 1898 nimetasid Marie ja Pierre Curie seda nähtust radioaktiivseks lagunemiseks. Becquerel ja Curie'd said selle avastuse eest 1903. aastal Nobeli füüsikaauhinna.
Mis on radioaktiivne lagunemine?
Radioaktiivne lagunemine on protsess, mille käigus ebastabiilne aatomituum vabastab energiat ja/või osakesi, et saavutada stabiilsem koostis. See tähendab, et tuum muudab oma prootonite ja neutronite arvu või energiajaotust. Muudatus võib viia uue keemilise elemendi või teisendi tekkeni (isotoopide muutumine).
Põhimõte ja miks see toimub
Aatomituum koosneb prootonitest ja neutronitest, mida hoiavad koos tuuma jõud. Kui tuumas on tasakaaluprobleem (näiteks liiga palju neutroneid või prootoneid), saab see olla ebastabiilne. Ebastabiilsus vabastatakse kas osakeste eraldamise või elektromagnetkiirguse näol. Protsessi juhib tuuma sisemiste jõudude ja kvantmehaanika seadused — lagunemine on juhuslik sündmus üksiku tuuma tasandil, kuid suurte tuumade rühma puhul ennustatakse statistiliselt lagunemismäära.
Lagunemise põhiliigid
- Alfa-lagunemine – tuum eraldab alfa-osakese (2 prootoni ja 2 neutronit, ehk heeliumi aatomituum). Alfa-kiirgus on suhteliselt tugevalt lõikev, kuid vähese ulatusega ja senikaua ei läbi paberit ega naha pealmist kihti.
- Beeta-lagunemine – tuum muudab neutroni prootoniks või prootoni neutroniks, eraldades elektroni (beta-) või positroni (beta+) ning neutrino või antineutrino. Beta-kiirgus läbib rohkem materjali kui alfa, aga sellel on siiski piiratud läbitungimisvõime.
- Gamma-kiirgus – elektromagnetiline kiirgus ehk kõrgeenergeetilised footonid, mis sageli kaasnevad alfa- või beeta-lagunemisega, kui tuum jääb kõrgendatud energias olekusse. Gamma-kiirgus on väga läbitungiv ja nõuab tihedat varjestust (näiteks pliid või betooni).
- Neutronkiirgus – vabanevad neutroonid, näiteks mõnedes tuumareaktsioonides või mõnedes lagunemisjärjestustes. Neutronid ei kanna laengut ja nende varjestamiseks kasutatakse sageli vedelikku (vesi) või aineid, mis aeglustavad neutronid (moderatiivsed materjalid).
Lagunemise määr ja poolestusaeg
Radioaktiivsete isotoopide lagunemise kiirust iseloomustatakse lagunemiskiiruse või poolestusaja kaudu. Poolestusaeg (t1/2) on aeg, mille jooksul pool algsest nukleidide arvust on lagunenud. Poolestusaeg võib varieeruda mikrosekunditest miljardite aastateni, sõltuvalt isotoobist.
Matemaatiliselt kirjeldatakse lagunemist eksponentsiaalse seadusega: osakeste arv väheneb aja jooksul sõltuvalt konstantsest lagunemiskonstandist λ. Praktikas kasutatakse sageli poolestusaega, mis seostub konstandiga valemiga t1/2 = ln(2) / λ.
Avastus ja ajalugu (täiendatud)
Henri Becquerel leidis 1896, et uraanisisaldusega ühendid kiirgavad nähtamatut kiirgust, mis tumendas fotoplaate. Marie ja Pierre Curie uurisid seda nähtust edasi ning eraldasid uusi väga radioaktiivseid elemente — polooniumi ja raadiiumi — ning kasutasid terminoloogiat "radioaktiivsus" (radioactivity). 1903. aastal anti Becquerelile ning Marie ja Pierre Curiele Nobeli füüsikapreemia nende tööde eest. Hiljem aitas Ernest Rutherford klassifitseerida kiirguse tüüpe (alfa ja beeta) ning Paul Villard avastas gamma-kiirguse; 1932 avastas James Chadwick neutroni, mis täiustas tuumafüüsika arusaama.
Avastuse tähendus ja praktilised kasutused
- Meditsiin: radioaktiivseid isotoope kasutatakse diagnostikas (näiteks PET-skaneerimine) ja ravis (kiiritusravi vähiravis).
- Energeetika: tuumareaktorites kontrollitakse neutronite abil ahelreaktsioone, mis vabastavad suures koguses energiat.
- Arheoloogia ja geoloogia: radioaktiivsete isotoopide hulk ja lagunemiskiirus võimaldavad vanuse määramist (näiteks süsiniku-14/dateerimine).
- Tootmise kontroll ja tööstus: radiograafia materjalide kontrolliks, mõõteseadmed ja steriliseerimine.
- Teadusuuringud: isotoopide kasutamine protsesside jälgimisel, tracermaterjalid bioloogias ja keemias.
Kiirguse mõõtmine ja ühikud
Radioaktiivsust mõõdetakse aktivituse ühikuga becquerel (Bq), mis näitab ühte lagunemist sekundis. Ajalooline ühik on curie (Ci). Kiirguse mõju inimesele väljendatakse erinevate suurustega: gray (Gy) mõõdab neeldunud doosi (energia massiühiku kohta) ja sievert (Sv) arvestab bioloogilist efekti (sõltuvalt kiirguse tüübist ja koe tundlikkusest).
Ohutus ja kaitse
Radioaktiivne kiirgus võib mõjutada elusorganisme ja põhjustada raku ning DNA kahjustusi. Ohutusprintsiibid on lihtsad ja praktilised:
- Vähenda aega, mida olete kiirgusallika lähedal.
- Suurenda kaugust allikast (kiirguse intensiivsus väheneb kaugusega).
- Kasutage sobivat varjestust (näiteks paksu plii- või betoonkihiga või spetsiaalsete materjalidega).
Looduslik taustkiirgus (kosmiline kiirgus, maapõuest pärinev radon jne.) on igapäevane ja üldjuhul madal, kuid suurenenud kokkupuude teatud allikatega võib nõuda kaitsemeetmeid ja regulatsioone.
Lõppsõna
Radioaktiivne lagunemine on fundamentaalne füüsikaline nähtus, mis on avardanud meie arusaama aatomitest ja universumist ning leidnud laialdase rakenduse meditsiinis, teaduses ja tööstuses. Selle mõistmine ja nõuetekohane käitlemine on oluline nii tehnoloogiliseks arenguks kui ka inimeste ja keskkonna kaitseks.
Radioaktiivse materjali tähistamiseks kasutatakse kolmekirju sümbolit.
Näide
Enamiku süsiniku aatomite tuumas on kuus prootonit ja kuus neutronit. Sellist süsinikku nimetatakse süsinik-12s (kuus prootonit + kuus neutronit = 12). Selle aatommass on 12. Kui süsiniku aatomil on kaks neutronit rohkem, siis on see süsinik-14. Süsinik-14 käitub keemiliselt nagu muu süsinik, sest kuus prootonit ja kuus elektroni määravad tema keemilised omadused. Tegelikult on süsinik-14 olemas kõigis elusolendites; kõik taimed ja loomad sisaldavad süsinik-14. Süsinik-14 on aga radioaktiivne. See laguneb beetah lagunemise teel lämmastik-14-ks. Looduses leiduvas väikeses koguses on süsinik-14 kahjutu. Arheoloogias kasutatakse seda liiki süsinikku puidu ja muude kunagiste elusolendite vanuse määramiseks. Meetodit nimetatakse radiosüsiniku dateerimiseks.
Erinevad lagunemisviisid
Ernest Rutherford leidis, et need osakesed läbivad ainet erinevalt. Ta leidis kaks erinevat liiki, mida ta nimetas alfa- ja beetahajumisteks. Paul Villard avastas 1900. aastal kolmanda liigi. Rutherford nimetas seda 1903. aastal gammahajumiseks.
Radioaktiivse süsiniku-14 muutumine stabiilseks lämmastik-14-ks on radioaktiivne lagunemine. See toimub siis, kui aatom kiirgab alfa-osakesi. Alfa-osake on energiaimpulss, kui elektron või positron lahkub tuumast.
Hiljem avastati ka muid lagunemisviise. Need lagunemisliigid erinevad üksteisest, sest eri liiki lagunemisel tekivad eri liiki osakesed. Algset radioaktiivset tuuma nimetatakse emaatomiks ja tuuma, milleks see muutub, nimetatakse tütaratomiks. Radioaktiivsete ainete tekitatud kõrge energiaga osakesi nimetatakse kiirguseks.
Need erinevad lagunemisviisid võivad toimuda järjestikku "lagunemisahelas". Üks tuumaliik laguneb teiseks tuumaliikiks, mis laguneb jälle teiseks ja nii edasi, kuni sellest saab stabiilne isotoop ja ahel lõpeb.
Lagunemiskiirus
Selle muutuse kiirus on iga elemendi puhul erinev. Radioaktiivset lagunemist reguleerib juhus: Seda aega, mis keskmiselt kulub poole aine aatomite muutumiseks, nimetatakse poolväärtusajaks. Kiirus on antud eksponentsiaalfunktsiooniga. Näiteks joodi (131 I) poolväärtusaeg on umbes 8 päeva. Plutooniumi poolväärtusaeg jääb vahemikku 4 tundi (243 Pu) kuni 80 miljonit aastat (244 Pu).
Tuumamuutused ja energia
Radioaktiivne lagunemine muudab aatomi aatomi, mille tuumas on suurem energia, väiksema energiaga aatomiks. Tuuma energia muutus antakse tekkinud osakestele. Radioaktiivse lagunemise käigus vabanev energia võib olla kas gammakiirguse elektromagnetilise kiirguse (valguse liik), beetoosakeste või alfoosakeste kujul. Kõigil neil juhtudel viiakse tuuma energia muutus ära. Ja kõigil neil juhtudel on aatomi prootonite ja elektronide positiivsete ja negatiivsete laengute summa enne ja pärast muutust null.
Alfa lagunemine
Alfahajumise käigus vabaneb aatomituumast alfa-osake. Aatomituuma kaotab alfahajaotuse tagajärjel kaks prootonit ja kaks neutronit. Alfahajaotus põhjustab aatomi muutumise teiseks elemendiks, sest aatom kaotab kaks prootonit (ja kaks elektroni). Näiteks kui ameriitsium läbiks alfahajaotuse, muutuks ta neptuuniumiks, sest neptuunium on määratletud sellega, et tal on kaks prootonit vähem kui ameriitsiumil. Alfahajumine toimub tavaliselt kõige raskemates elementides, näiteks uraanis, tooriumis, plutooniumis ja raadiumis.
Alfaosakesed ei saa läbida isegi paari sentimeetri pikkust õhku. Alfakiirgus ei saa inimesele haiget teha, kui alfakiirguse allikas on väljaspool inimkeha, sest inimese nahk ei lase alfaosakesi läbi. Alfakiirgus võib olla väga kahjulik, kui kiirgusallikas on keha sees, näiteks kui inimesed hingavad sisse tolmu või gaasi, mis sisaldab materjale, mis lagunevad alfaosakesi (kiirgust) eraldades.
Beeta lagunemine
On olemas kahte liiki beetahajumist, beeta-pluss ja beeta-miinus.
Beeta-miinuse lagunemisel annab tuum välja negatiivselt laetud elektroni ja neutron muutub prootoniks:
n 0 → p + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}} 
.
kus
n 0 {\displaystyle n^{0}}
on neutron
p + {\displaystyle \ p^{+}}
on prooton
e - {\displaystyle e^{-}}
on elektron
ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}
on anti-neutriino
Beeta-minus lagunemine toimub tuumareaktorites.
Beeta-pluss lõhustumisel vabaneb tuumast positron, mis on nagu elektron, kuid positiivselt laetud, ja prooton muutub neutroniks:
p + → n 0 + e + + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}} 
.
kus
p + {\displaystyle \ p^{+}} on prooton
n 0 {\displaystyle n^{0}} on neutron
e + {\displaystyle e^{+}}
on positroni
ν e {\displaystyle {\nu }_{e}}
on neutriino
Beeta-pluss lagunemine toimub päikese sees ja teatud tüüpi osakeste kiirendites.
Gamma lagunemine
Gammahajumine toimub siis, kui tuum tekitab suure energiaga energiapaketi, mida nimetatakse gammakiirguseks. Gammakiirtel ei ole elektrilist laengut, kuid neil on nurgamoment. Gammakiirgus eraldub tuumadest tavaliselt vahetult pärast muud liiki lagunemist. Gammakiirgust saab kasutada materjali läbinägemiseks, bakterite tapmiseks toidus, mõnede haiguste leidmiseks ja mõnede vähivormide raviks. Gammakiirgus on elektromagnetlainetest kõige suurema energiaga ja gammakiirguse pursked kosmosest on kõige energilisemad teadaolevad energiaväljundid.
Otsige