Radioaktivnost je proces u kojem nestabilne atomske jezgre oslobađaju energične subatomske čestice ili elektromagnetsko zračenje (EMR). Ovaj fenomen može uzrokovati da se jedan element pretvori u drugi i dijelom je odgovoran za toplinu Zemljine jezgre. Radioaktivnost ima širok raspon primjena, uključujući nuklearnu energiju, u medicini, te u datiranju organskih i geoloških uzoraka. Također je potencijalno opasan, jer čestice visoke energije i zračenje mogu oštetiti i ubiti stanice, te promijeniti DNK, uzrokujući rak.
Radioaktivni raspad
Za nestabilne atomske jezgre se kaže da se raspadaju, što znači da gube dio svoje mase ili energije kako bi dosegle stabilnije stanje niže energije. Taj se proces najčešće vidi u težim elementima, kao što je uran. Nijedan od elemenata težih od olova nema stabilne izotope, ali lakši elementi također mogu postojati u nestabilnim, radioaktivnim oblicima, kao što je ugljik-14. Smatra se da toplina raspada radioaktivnih elemenata održava vrlo visoku temperaturu Zemljine jezgre, održavajući je u tekućem stanju, što je bitno za održavanje magnetskog polja koje štiti planet od štetnog zračenja.
Radioaktivni raspad je slučajan proces, što znači da je fizički nemoguće predvidjeti hoće li se određena atomska jezgra raspasti i emitirati zračenje u bilo kojem trenutku. Umjesto toga, kvantificira se prema poluživotu, što je vrijeme potrebno da se polovica danog uzorka jezgri raspadne. Poluživot se odnosi na uzorak bilo koje veličine, od mikroskopske količine do svih atoma te vrste u svemiru. Različiti radioaktivni izotopi uvelike variraju u svom poluživotu, koji se kreće od nekoliko sekundi, u slučaju astatina-218, do milijardi godina za uran-238.
Vrste propadanja
Da bi bila stabilna, jezgra ne može biti preteška i mora imati pravu ravnotežu protona i neutrona. Teška jezgra – ona koja ima veliki broj protona i neutrona – prije ili kasnije će izgubiti nešto na težini, odnosno masi, emitirajući alfa česticu, koja se sastoji od dva protona i dva neutrona povezana zajedno. Ove čestice imaju pozitivan električni naboj i, u usporedbi s drugim česticama koje se mogu emitirati, teške su i sporo se kreću. Alfa raspad u elementu uzrokuje njegovu promjenu u lakši element.
Beta raspad se događa kada jezgra ima previše neutrona za svoj broj protona. U tom procesu, neutron, koji je električno neutralan, spontano se mijenja u pozitivno nabijeni proton emitirajući negativno nabijeni elektron. Ovi visokoenergetski elektroni poznati su kao beta zrake ili beta čestice. Budući da se time povećava broj protona u jezgri, to znači da se atom mijenja u drugi element s više protona.
Obrnuti proces može se dogoditi tamo gdje ima previše protona, u usporedbi s neutronima. Drugim riječima, proton se pretvara u neutron emitirajući pozitron, koji je pozitivno nabijena antičestica elektrona. To se ponekad naziva pozitivnim beta raspadom i rezultira pretvaranjem atoma u element s manje protona. Obje vrste beta raspada proizvode električno nabijene čestice koje su vrlo lagane i brze.
Iako te transformacije oslobađaju energiju u obliku mase, one također mogu ostaviti preostalu jezgru u “pobuđenom” stanju, gdje ima više od svoje minimalne količine energije. Stoga će izgubiti ovu dodatnu energiju emitirajući gama zrake – vrlo visokofrekventni oblik elektromagnetskog zračenja. Gama zrake nemaju težinu i putuju brzinom svjetlosti.
Neke teške jezgre mogu se, umjesto da emitiraju alfa čestice, zapravo razdvojiti, oslobađajući puno energije, što je proces poznat kao nuklearna fisija. Može se spontano pojaviti u nekim izotopima teških elemenata, kao što je uran-235. Proces također oslobađa neutrone. Osim što se događa spontano, fisiju može potaknuti teška jezgra koja apsorbira neutron. Ako se spoji dovoljno materijala koji se može cijepati, može se dogoditi lančana reakcija u kojoj neutroni proizvedeni fisijom uzrokuju cijepanje drugih jezgri, oslobađajući više neutrona i tako dalje.
Koristi
Najpoznatije upotrebe radioaktivnosti su možda u nuklearnim elektranama i nuklearnom oružju. Prvo atomsko oružje koristilo je odbjeglu lančanu reakciju za oslobađanje ogromne količine energije u obliku intenzivne topline, svjetlosti i ionizirajućeg zračenja. Iako moderno nuklearno oružje prvenstveno koristi fuziju za oslobađanje energije, to se još uvijek pokreće reakcijom fisije. Nuklearne elektrane koriste pažljivo kontroliranu fisiju za proizvodnju topline za pogon parnih turbina koje proizvode električnu energiju.
U medicini se radioaktivnost može ciljano koristiti za uništavanje kancerogenih izraslina. Budući da se lako otkriva, koristi se i za praćenje napretka i unosa lijekova u organi ili za provjeru funkcioniranja. Radioaktivni izotopi se često koriste za datiranje uzoraka materijala. Organske tvari mogu se datirati mjerenjem količine ugljika-14 koju sadrže, dok se starost uzorka stijene može odrediti usporedbom količina različitih prisutnih radioaktivnih izotopa. Ova tehnika omogućila je znanstvenicima mjerenje starosti Zemlje.
Učinci na zdravlje
U zdravstvenom kontekstu, sve emisije iz raspadajućih atomskih jezgri, bilo čestica ili EMR, obično se opisuju kao zračenje i sve su potencijalno opasne. Te emisije su ili same po sebi ionizirajuće ili u interakciji s materijom u tijelu na način da proizvode ionizirajuće zračenje. To znači da mogu ukloniti elektrone iz atoma, pretvarajući ih u pozitivno nabijene ione. Oni tada mogu reagirati s drugim atomima u molekuli ili u susjednim molekulama, uzrokujući kemijske promjene koje mogu ubiti stanice ili uzrokovati rak, osobito ako je zračenje stupilo u interakciju s DNK.
Vrsta zračenja koja je najopasnija za ljude ovisi o okolnostima u kojima se na njih susreće. Alfa čestice mogu putovati samo na kratku udaljenost kroz zrak i ne mogu prodrijeti kroz vanjski sloj kože. Međutim, ako dođu u dodir sa živim tkivom, oni su najopasniji oblik zračenja. To se može dogoditi ako se nešto što emitira alfa zračenje proguta ili udahne.
Beta zračenje može prodrijeti u kožu, ali ga zaustavlja tanki sloj metala, kao što je aluminijska folija. Neutroni i gama zračenje mnogo su prodorniji i potrebna je debela zaštita radi zaštite zdravlja. Budući da većina gama zračenja prolazi ravno kroz tijelo, obično je manje vjerojatno da će uzrokovati bolest na niskim razinama, ali je i dalje vrlo ozbiljna opasnost. Ako materijali, uključujući živo tkivo, apsorbiraju neutrone, sami mogu postati radioaktivni.
Izloženost štetnom zračenju općenito se mjeri u smislu količine energije koju apsorbira izloženi materijal, mjera koja se može primijeniti na sve oblike zračenja i sve materijale, iako se najčešće koristi u kontekstu ljudskog zdravlja. SI jedinica za ekspoziciju je siva, pri čemu je jedna siva ekvivalentna jednom džulu apsorbirane energije po kilogramu tvari. U SAD-u se, međutim, često koristi druga jedinica – rad, koja je ekvivalentna 0.01 sivih.
Budući da se različite vrste radioaktivnosti ponašaju na različite načine, drugo mjerenje, sivert, koristi se za bolju predodžbu o vjerojatnim zdravstvenim učincima određene doze. Izračunava se množenjem doze u sivim bojama s faktorom kvalitete koji je specifičan za određenu vrstu zračenja. Na primjer, faktor kvalitete za gama zračenje je 1, ali vrijednost za alfa čestice je 20. Stoga bi izlaganje živog tkiva 0.1 sivih alfa čestica rezultiralo dozom od 2.0 siverta, a za očekivati je dvadeset puta biološki učinak kao jedno sivilo gama zračenja. Doza od četiri do pet siverta, primljena u kratkom vremenskom razdoblju, nosi 50% rizik od smrti unutar 30 dana.