Radioaktivnost je spontano emitiranje alfa-česticȃ i beta-česticȃ iz tvari, često praćeno i emisijom gama elektromagnetskih valova, pri čemu kemijski elementi prelaze iz jednih u druge te se oslobađa energija u obliku kinetičke energije emitiranih čestica ili energije elektromagnetskih valova a svaka atomska jezgra ima karakterističnovrijeme poluraspada.
U radioaktivnim procesima,elementarne čestice ilielektromagnetska zračenja emitiraju se izjezgri atoma. Najuobičajeniji oblici zračenja tradicionalno se nazivajualfa-čestice (α),beta-čestice (β) igama (γ) zračenjima. Zračenja iz jezgre se događaju i u drugim oblicima, uključujući emitiranjeprotona ilineutrona, te spontanihnuklearnih fisija (cijepanja) masivnih jezgri. Od svih jezgri koje su pronađene u prirodi, mnoge su stabilne. To je zbog toga što su se sve kratkoživuće radioaktivne jezgre raspale tokomhistorijeZemlje. U prirodi se nalazi oko 270 stabilnih i oko 50 prirodnih radioaktivnihizotopa. Tisuće drugih radioaktivnih izotopa umjetno su stvarani ulaboratorijima.
Radioaktivni raspad pretvara jednu jezgru u drugu ako nova jezgra ima većuenergiju vezanja ponukleonu nego što je imala početna jezgra. Razlika u energiji vezanja (prije i poslije raspada) određuje koji se raspadi mogu energijski događati, a koji ne. Višak će energije vezanja izlaziti u oblikukinetičke energije ili mase čestica u raspadu.[1]
Prirodnu radioaktivnost otkrio jeHenri Becquerel1896. uočivši dauranijevesoli emitiraju nevidljivo zračenje koje djeluje na fotografsku ploču kroz zaštitni papir sličnorendgenskim zrakama te da pod utjecajem toga zračenja elektroskop gubi naboj. Primijetio je da uranijeve soli stalno u mrakufluoresciraju. Tako na primjer, čistikalijev uranil sulfat u mraku stalno svijetli slabom zelenkastomluminiscentnom svijetlošću. Daljnjim ispitivanjem, Becquerel je pronašao da zračenje koje izazivaju uranijevi spojeviioniziraju zrak (ionizirajuće zračenje), izazivaju fluorescenciju i prolaze krozpapir, pločicealuminija ibakra. Kroz zatvoreni spremnik one djeluju nafotografsku ploču, a djeluju i na našukožu iklice raznih biljaka. Utvrdio je da ti zraci imaju slična svojstva kaorendgenske zrake (X – zrake), pa su se u početku te zrake nazivale iBecquerelove zrake. 1899. je Becquerel pronašao da te zrake skreću umagnetskom polju, pa se razlikuju od rendgenskih zraka, koje ne skreću u magnetskom polju.[3]
Marie Curie-Skłodowska otkrila je 1898. takvo zračenje kod torijevih spojeva, te da se na zračenje ne može utjecati električnom strujom, zagrijavanjem, kemijskim reakcijama i sl., da se radioaktivni kemijski elementi pretvaraju jedni u druge i da je vjerojatnost raspada neovisna o starosti pojedinog atoma. Otkrila je da uranijev mineraluraninit (pehblend) emitira pet puta jače zrake nego čistiuranij. Kada je išla istraživati uraninit, pronašla je da se sastoji 75% od uranijevog oksida U3O8, a pronašla je još i neke drugekemijske tvari: PbS, CaO, SiO2, FeO, MgO iBi. 1898. je Marie mjerila zračenje pojedinih udjela, pomoću osjetljivogelektroskopa, uz primjenu piezoelektriciteta i ionizacije zraka. Utvrdila je na primjer dabizmut, dobijen iz uraninita, ima 60 puta jače zračenje od čistog uranija. Pronašla je da bizmutovo jako zračenje nastaje uslijed prisustva naznatne količine jednog nepoznatog kemijskog elementa, za koji se kasnije utvrdilo da jeradij. Zato je predložila da se kemijski elementi koji izazivaju Becquerelove zrake nazovuradioaktivni elementi, a njihovo svojstvo radioaktivnost. Tek 1910. je uspjela izdvojiti radij.
Ernest Rutherford otkrio je 1899. da se zračenjeradija sastoji od dvije komponente koje se različito apsorbiraju u tvarima. Onu vrstu zraka koje ne mogu da prođu krozaluminijsku pločicu debljine 0,02mm nazvao jealfa-česticama, a onu vrstu koja je prolazila i kroz deblje slojeve nazvao jebeta-česticama. Na osnovu skretanja u magnetskom polju, utvrdeno je da alfa-čestice imaju pozitivnielektrični naboj, a beta-čestice negativan električni naboj.[4]
Paul Villard je 1900. otkrio još prodorniju komponentu,gama-zrake. Ernest Rutherford iFrederick Soddy (1902.) na temelju analize gibanja zrakâ u magnetskom polju objasnili su prirodu radioaktivnosti.Wolfgang Pauli postavio je 1930. hipotezu o postojanjuneutrina, tadašnjim detektorima neuhvatljive čestice koja odnosi dio energije u beta-raspadu.Enrico Fermi postavio je 1933. prvu strogu teoriju beta-raspada koja pretpostavlja da prijelaz neutrona u proton ili obratno uzrokuje slabo nuklearno međudjelovanje, a pritom dolazi do simultane emisije ili apsorpcijeelektrona i neutrina.Irène Joliot-Curie i Frederik Joliot-Curie prvi su 1934. umjetno izazvali radioaktivnost i proizveli umjetniradioizotop stabilnog elementa.
Alfa-zračenje može zaustaviti papir; beta-zračenje može zaustaviti aluminijski lim debeo nekoliko milimetara; a većinu gama-zračenja može zaustaviti desetak centimetara debela olovna ploča.
Beta raspad promjena je atomske jezgre pri kojoj dolazi do emisije ili apsorpcijeelektrona ili pozitivnog elektrona (pozitrona) i antineutrina ilineutrina. Pritom semaseni broj ne mijenja, aatomski broj elementa promijeni se za jedan. U prirodnim radioaktivnim nizovima pri beta-minus-raspadu jedanneutron u jezgri raspada se na elektron, antineutrino i proton. Primjerice beta-raspadomtorija-233 nastajupaladij-234, beta-minus-čestica i antineutrino. Prilikom umjetno izazvane radioaktivnosti može doći i do beta-plus-raspada, tj. emisije pozitrona i neutrina; maseni broj elementa ostaje isti, a atomski se broj smanji za jedan.Beta-čestice su ustvari elektroni velikih brzina, ali za razliku od elektrona u elektronskom omotaču atoma, nastaju iz atomske jezgre.
Elektronski uhvat pojava je pri kojoj jezgra zahvati jedan elektron iz atomskog omotača i smanji svoj pozitivni naboj za jedan. Udaljeni elektroni popunjavaju ispražnjena mjesta i pritom dolazi do emisije rendgenskoga zračenja.
Gama-radioaktivnost prijelaz je između stanja više pobuđenosti atomske jezgre u stanje niže pobuđenosti ili u osnovno stanje, a elektromagnetsko zračenje visoke frekvencije koje se pritom emitira naziva segama-zračenje. Tada se ne mijenjaju više atomski ni maseni broj elementa. Za gama-zračenje je utvrđeno da odgovarajutvrdimrendgenskim zrakama. To su dokazaliErnest Rutherford i E. N. da Costa Andrade 1914.,ogibom ili difrakcijom gama-čestica kroz odgovarajućukristalnu rešetku, pomoću koje su uspijeli i odrediti i njihovuvalnu duljinu. Prema dosadašnjim mjerenjima utvrđeno je da su valne duljine gama-čestica između 0,000466nm i 0,0428 nm. Prema tome, gama-čestice odgovaraju kratkovalnom rendgenskom zračenju, ali za razliku od rendgenskog zračenja nastaju uatomskoj jezgri.
Unutarnja konverzija proces je pri kojem jezgra izravno predaje višak energije elektronu u unutarnjim slojevima atomskog omotača. Taj elektron napušta atom, a njegovo izbacivanje prati emisija rendgenskih zraka. Redni i maseni brojevi atoma ne mijenjaju se.
Zračenje nastalo radioaktivnošću razlikuje se po prodornosti, električnom naboju, građi i po procesima koji dovode do emisije. Alfa-zračenje može zaustaviti papir, beta-zračenje može zaustaviti aluminijski lim debeo nekoliko milimetara, a većinu gama-zračenja može zaustaviti desetak centimetara debela olovna ploča. U magnetskom polju alfa-zrake savijaju se kao pozitivno nabijene čestice, beta-zrake kao negativne ili pozitivne, a gama-zrake prolaze nesmetano.
Neutronsko zračenje je roj brzihneutrona, po masi sličniprotonima. Vrlo lako prodiru kroz nekukemijsku tvar, jer nemajuelektrični naboj. Neutronsko zračenje može biti posljedicanuklearne reakcije. Komponenta jekozmičkog zračenja i zračenja iz nestabilnih teških jezgri. Vrlo snažno neutronsko zračenje nastaje unuklearnim reaktorima tokomnuklearne lančane reakcije jezgri. Energija neutrona kod neutronskih zračenja iznosi od oko 10MeV pa naniže. Ako se energija neutrona smanji na energije manje od 1 eV, nazivaju setermičkim neutronima.
Ostala zračenja se nazivaju prema česticama od kojih se sastoje:protonsko,deuterijsko,tricijsko, teškoionsko, i drugo. Takva zračenja mogu nastati u nuklearnim reakcijama, dio su kozmičkog zračenja, a nastaju i u nuklearnim reaktorima ilinuklearnim eksplozijama.
Atomska jezgra se raspada u dvije ili vise manje atomske jezgre i ostale čestice
—
Teškoionsko zračenje
Atomska jezgra zrači određenu vrstu manjih atomskih jezgri (A1,Z1) koje su manje ili veće od alfa-čestica
(A − A1,Z − Z1) + (A1,Z1)
Različiti oblici beta raspada:
Beta- raspad
Atomska jezgra zrači elektron i elektronski antineutrino
(A,Z + 1)
Pozitronsko zračenje ili beta+ raspad
Atomska jezgra zrači pozitron i elektronski antineutrino
(A,Z − 1)
Elektronski uhvat
Atomska jezgra uhvati elektron iz orbite i zrači neutrino, pa je nova atomska jezgra u pobuđenom i nestabilnom stanju
(A,Z − 1)
Ograničeni beta raspad
Atomska jezgra zrači elektron i antineutrino, ali elektron bude uhvaćen u praznu K-ljusku; nova atomska jezgra u pobuđenom i nestabilnom stanju. Ta pojava je rijetka, osim kod ioniziranih atoma, koji imaju prazninu u K-ljusci.
(A,Z + 1)
Dvostruki beta raspad
Atomska jezgra zrači dva elektrona i dva antineutrina
(A,Z + 2)
Dvostruki elektronski uhvat
Atomska jezgra uhvati dva orbitalna elektrona i zrači dva neutrina – nova atomska jezgra u pobuđenom i nestabilnom stanju
(A,Z − 2)
Elektronski uhvat sa zračenjem pozitrona
Atomska jezgra uhvati orbitalni elektron i zrači poziton i dva neutrina
(A,Z − 2)
Dvostruko pozitronsko zračenje
Atomska jezgra zrači dva pozitrona i dva antineutrina
Alfa-čestice su ustvari ioni helija ili samo atomska jezgra helija.Beta-čestice su ustvari elektroni velikih brzina, ali za razliku od elektrona u elektronskom omotaču atoma, nastaju iz atomske jezgreGama-zračenje odgovara kratkovalnom rendgenskom zračenju, ali za razliku od rendgenskog zračenja nastaje u atomskoj jezgri.
Ionizirajuće zračenje je pojava za koju ljudska osjetila nisu razvijena, za razliku od mnogih drugih pojava u prirodi. Izravne posljedice djelovanja ionizirajućeg zračenja na živi svijet većinom su zakašnjele i teško ih je povezati s uzrokom. Čovjek može biti izložen i smrtonosnoj dozi ionizirajućeg zračenja, a da u samom trenutku ozračivanja ništa ne osjeti. Posljedice ozračivanja, bez osjetilne veze s uzrokom zapažaju se tek nakon nekog vremena, od nekoliko sati do nekoliko dana ili čak godina, što ovisi o vrsti i svojstvima tog zračenja. Otuda je razumljiv čovjekov strah, a poznavanje osnovnih svojstava ionizirajućeg zračenja, međudjelovanja zračenja s tvari, a posebno djelovanja zračenja na živa bića, je neobično važno u stručnom i psihološkom smislu.
Ionizirajuće zračenje je pojava prijenosaenergije u oblikufotona (kvanti elektromagnetskog zračenja) ili masenih čestica, a koje ima dovoljno energije da u međudjelovanju s kemijskom tvariionizira tu tvar. Ionizirajuće zračenje posljedica je promjene stanja materije u mikrosvijetu. To su promjene u energiji ili u sastavu atoma ili atomske jezgre, pri čemu se emitiraju fotoni ili druge čestice. U međudjelovanju s tvari dolazi do izmjene energije i izmjene strukture ozračene tvari. Takve posljedice mogu biti korisne, ali i vrlo štetne.[6]
Vjerojatnost da će se pojedinaatomska jezgra raspasti tokom nekog vremenskog intervala ne ovisi o dobi dotične jezgre ili o tome kako je ona stvorena. Iako se stvarno vrijeme života pojedine jezgre ne može predvidjeti, srednje (ili prosječno) vrijeme života nekog uzorka identičnih jezgri može biti izmjereno i predviđeno. Jednostavan način određivanja vremena života nekih izotopa je mjerenje vremena raspada polovice jezgri tog promatranog uzorka. To se vrijeme nazivavremenom poluraspada, t1/2. Od originalnog broja jezgri koje se nisu raspale, njih polovica će se raspasti ako čekamo drugi interval vremena poluraspada pa ih ostaje jedna četvrtina. Za još jedan interval vremena poluraspada ostat će ih samo osmina neraspadnutih, itd.
Broj jezgri nekog uzorka koji će se raspasti u datom vremenskom intervalu je razmjeran broju jezgri tog uzorka. To vodi na zaključak da je proces radioaktivnog raspadaeksponencijalni proces. BrojN atomskih jezgri koje su ostale neraspadnute nakon vremenat, u odnosu na izvorni broj jezgri N0, je:
gdje seλ nazivakonstanta radioaktivnog raspada i vrijedi:
Svijet u kojem živimo radioaktivan je od svog postanka. Postoji oko 60radionuklida (radioaktivnih elemenata), koje možemo pronaći u tlu, zraku, vodi, hrani, a time i u svim živim bićima. Po tome kako su nastali dijele se na one koji su oduvijek prisutni naZemlji, one koji nastaju kao posljedica djelovanjakozmičkih zraka, te one koji su posljedica ljudsketehnologije.
U prvoj su skupini radioaktivni elementi poputuranija-235, uranija-238,torija-232,radija-226,radona-222 ilikalija-40. Oni potječu još iz vremena stvaranja Zemlje, a karakterizira ih vrlo dugo vrijeme poluraspada, čak i do milijardu godina (iznimka je plin radon, čiji je poluživot 3,8 dana). Kozmičko zračenje nas neprestano pogađa. Izvor mu je uglavnom izvan našegSunčevog sustava, a sastoji se od raznih oblika zračenja: od vrlo brzih teškihčestica, pa do visokoenergijskihfotona imiona. Ono međudjeluje s atomima u gornjim slojevima atmosfere i tako proizvodi radionuklide, koji su najčešće kraćih vremena poluživota. To su, na primjer,ugljik-14,tricij,berilij-7 i drugi.
Kozmičke zrake ili pljusak elementarnih česticaEkspozija iznad HirošimeJedan sat leta uzrakoplovu, gdje je intenzitet kozmičkog zračenja mnogo veći zbog tanjeg atmosferskog štita no na površini mora, ozrači putnika približno četiri puta više nego cijela nuklearna industrija u godinu dana
Aktivnost radioaktivnog uzorka mjeri se ubekerelima (Bq). Aktivnost od 1 Bq znači jedan radioaktivni raspad u sekundi. Kako su aktivnosti uzoraka često vrlo velike u upotrebi je i veća jedinicakiri (Cu). 1 Cu iznosi 3,7∗ 1010 Bq.
Da bi se mjerilaenergija, koju putemionizirajućeg zračenja apsorbira određena tvar, koristi se jedinicagrej (Gy). Omjer te energije i mase tijela koje ju apsorbira zove seapsorbirana doza. Ako se energija od 1J apsorbira u 1kg tvari govorimo o apsorbiranoj dozi od 1 Gy. Ovako definirana doza ne govori ništa obiološkim učincima apsorbiranog zračenja. Svaka vrsta zračenja (α, β, γ) ima drugačiji utjecaj na žive stanice, koji se opisuje faktorom Q. Zato se definiraekvivalentna doza, koju dobijemo tako da apsorbiranu dozu pomnožimo faktorom Q. Jedinica za ekvivalentnu dozu jesievert (Sv).
Zračenje je neizbježan fenomen i svakičovjek prima godišnju ekvivalentnu dozu zračenja od približno 3,5 mSv. To je prosječna doza, a sastoji se od sljedećih doprinosa:
Tako ispada da je ukupna doza od prirodnih izvora 3 mSv, a ukupna doza od umjetnih izvora 0,5 mSv. Ukupna doza od umjetnih izvora proračunata je prema prosječnoj izloženosti medicinskom zračenju, korištenju raznih aparata, te doprinosu od testiranja nuklearnog oružja i rada nuklearnih elektrana. Najveći doprinos od umjetnih izvora daje medicinsko zračenje.
Prosječna doza koju primi stanovništvo u pojedinim dijelovimaHrvatske od vanjskog ozračivanja:[7]
više od 10 Sv izaziva tešku bolest i smrt u nekoliko tjedana.
2-10 Sv primljenih u kratkom roku izaziva smrt s vjerojatnošću od 50%.
1 Sv primljen u kratkom roku izazvao bi radijacijsku bolest (mučninu, gubitak kose), ali najvjerojatnije ne i smrt.
50 mSv godišnje je najmanja doza za koju postoje dokazi da izazivarak.
Učinci velikih doza poznati su iz sudbina preživjelih ljudi izHirošime iNagasakija, za koje je naknadno procijenjena doza zračenja koju su primili. O učincima malih doza govori se na temelju ekstrapolacije učinaka velikih doza i pretpostavke njihove linearnosti, jer je učinke malih doza teško direktno pratiti i razlučiti od brojnih drugih faktora koji utječu na zdravlje. Na taj je način izračunato da će od milijun ljudi koji prime dodatnu dozu zračenja od 1 mSv njih 50 zbog toga umrijeti od raka.
Radioaktivne jezgre mogu se dobiti bombardiranjem stabilnih jezgara protonima, alfa-česticama, neutronima itd. Glavni izvor umjetnih radioaktivnih elemenata sunuklearni reaktori iakceleratori čestica. TokomDrugog svjetskog rata i pedeset godina poslije razvijano jenuklearno oružje. Radioaktivni elementi mogu se dobiti i na umjetan način, npr. tako da se prirodni element bombardira nuklearnim projektilima, protonima, alfa-česticama, neutronima itd., te u njemu izazove nuklearna transmutacija u novi element ili novi izotop istog elementa. Kao projektili za bombardiranje neutroni su jako pogodni jer nemaju naboja i stoga lako prodiru u jezgru atoma.
