Există elemente chimice cu nuclee masive, precum uraniul şi plutoniul, care se dezintegrează în mod spontan dând astfel naştere unor nuclee cu o mai mare stabilitate. Fenomenul poartă numele de radioactivitate şi este însoţit de eliberarea mai multor tipuri de radiaţie. Citiţi aici despre dezintegrările alfa, beta şi gama.
Ce este radioactivitatea?
Radioactivitatea este proprietatea anumitor izotopi (atomi cu acelaşi număr de protoni, număr diferit de neutroni) ai unor elemente chimice, de cele mai multe ori atomi grei, precum uraniul sau plutoniul, de a se dezagrega spontan, în urma acestui proces rezultând, pe lângă atomi ai unor elemente chimice mai uşoare, şi ceea ce numim particule radioactive, adică radiaţie de diverse tipuri.
Particulele radioactive sunt produse atât pe cale naturală, în cadrul unor procese de dezintegrare ce au loc permanent în jurul nostru (de exemplu izotopii carbon-14 şi potasiu-40, întâlniţi în atmosferă, respectiv în banane şi pudra de cacao, sunt radioactivi), dar şi pe cale artificială în urma reacţiilor din reactoarele nucleare construite de om.
Energia şi tipul particulelor radioactive rezultate diferă în funcţie de tipul de reacţie care are loc. Radiaţiile emise sunt uneori periculoase pentru oameni din cauza nivelului ridicat de energie pe care îl posedă, dar, pe de altă parte, radioactivitatea poate fi şi benefică, fiind folosită îndeosebi în medicină pentru tratarea unor boli sau pentru diagnoză.
Descompunerea radioactivă este un proces care se desfăşoară aleatoriu în timp şi care poate fi descris doar prin metode statistice. Deşi este imposibil de prezis momentul la care un atom al unui radioizotop va suferi o dezintegrare nucleară, pentru mai mulţi atomi ce constituie un oarecare lucru se poate determina timpul după care jumătate din cantitatea materialului radioactiv se va descompune, numit în literatura de specialitate perioada de înjumătăţire a acelui izotop.
Există diverse tipuri de particule radioactive, toate putând fi atât benefice, cât şi periculoase pentru om, în funcţie de nivelul sau timpul de expunere.
Dezintegrarea alfa
Prima particulă radioactivă despre care vom vorbi este particula alfa, rezultată în urma unui proces numit dezintegrarea alfa. Dezintegrarea alfa are loc atunci când un nucleu greu emite un nucleu de heliu încărcat pozitiv (particula alfa), constând din doi protoni şi doi neutroni, devenind un atom cu numărul atomic mai mic cu doi decât valoarea iniţială. Cel mai des întâlnit în natură izotop al uraniului, U-238, se descompune în urma acestui tip de dezintegrare nucleară.
Particulele alfa penetrează cu greu majoritatea materialelor, chiar şi o foaie subţire de hârtie putând opri trecerea acestora. Ca aplicabilitate practică, putem menţiona că detectoarele de fum folosesc izotopul radioactiv Am-241 (americiu) ca sursă de particule alfa.
Dezintegrarea beta
Dezintegrarea beta constă în transformarea unui neutron într-un proton, reacţie însoţită de emisia unui electron şi a unei particule de masă extrem de mică şi fără sarcină electrică numită anti-neutrino. Electronul emis poartă numele de particulă beta, iar acest tip de reacţie se mai numeşte şi descompunerea beta-minus, prin asociere cu sarcina electrică a electronului emis. Izotopul de hidrogen numit tritium (3H) suferă acest tip de dezagregare radioactivă.
Particula beta, încărcată negativ din punct de vedere electric, poate parcurge distanţe mai mari decât particula alfa despre care am amintit că penetra cu greutate orice tip de material. Totuşi, în urma coliziunilor şi interacţiunilor cu unii atomi îşi pierde şi aceasta energia, una mult superioara celei a particulei alfa. Deşi poate trece cu uşurinţă prin hârtie, o folie de aluminiu constituie un obstacol de netrecut în calea unei asemenea particule.
Există şi un alt tip de descompunere beta, ce a fost botezată beta-plus. În cadrul acestui proces un proton se transformă într-un neutron, fenomen însoţit de emisia unui pozitron (un electron cu sarcină pozitivă, perechea de antimaterie a electronului) şi a unui neutrino. Cum neutronul are masa mai mare decât cea a protonului, acest tip de descompunere presupune introducerea de energie în sistem, pentru a se respecta legile de conservare. Ca exemplu şi aplicaţie practică, izotopul de masă atomică 18 al fluorului, notat 18F, suferă acest al doilea tip de dezagregare beta, şi anume beta-plus, fiind folosit în cadrul tomografiei cu emisie de pozitroni (PET scan).
SCURT ISTORIC
Fizicianul britanic Ernest Rutherford a descoperit radiaţiile alfa şi beta în 1899. În timp ce studia uraniul a identificat două tipuri diferite de emisii, pe care le-a numit raze alfa şi beta, despre ale căror caracteristici am vorbit anterior. Sir J.J.Thomson descoperise electronul în 1897, iar un tip de radiaţie beta, particulele beta-minus, consta chiar din electroni. Iniţial, nici Rutherford şi nici J.J. Thomson nu au conectat cele două descoperiri.
La scurt timp după descoperirile lui Rutherford, Antoine Becquerel, cel care descoperise accidental emisiile energetice ale atomilor de uraniu, descoperind astfel fenomenul radioactivităţii (numele fiind dat însă ulterior de Marie Curie, care, începând din 1898, a studiat în detaliu împreună cu soţul său, Pierre Curie, radioactivitatea mai multor elemente chimice), a făcut legătura între particula emisă la dezintegrarea beta-minus şi electron în 1899, la scurt timp după descoperirile lui Rutherford.
Capturarea electronică, inclusă şi ea în categoria dezintegrărilor de tip beta, se referă la atragerea de către nucleu a unui electron de pe o orbită inferioară (apropiată de nucleu). În urma capturării electronului, un proton este înlocuit de un neutron, iar procesul este însoţit de emisia unui neutrino. Acest tip de dezintegrare are loc atunci când în nucleu sunt prea mulţi protoni şi insuficientă energie pentru emisia unui pozitron.
Dezintegrarea gama
Razele gama, produsul dezintegrării gama, sunt cele mai periculoase pentru om dintre toate radiaţiile descrise aici. Acestea sunt de fapt fotoni din afara spectrului vizibil şi pot fi găsiţi în cadrul spectrului electromagnetic în zona frecvenţelor foarte mari, ceea ce înseamnă că au energii mari. Razele gama au fost descoperite în anul 1900 de către Paul Villard (1860-1934), fizician şi chimist francez, în timp ce studia la Paris comportamentul uraniului şi radiului. Numele acestui tip de radiaţie a fost dat de către Ernest Rutherford.
Când un nucleu radioactiv emite radiaţie gama, numărul de neutroni şi protoni rămâne neschimbat, modificându-se nivelul energetic al nucleului, care scade. Conform legilor de conservare a impulsului, rezultă şi faptul că nucleul va suferi un recul la expulzarea razei gama, deplasându-se în direcţia opusă celei de mişcare a radiaţiei gama. Radiaţia gama apare ca efect al modificărilor nucleare ori al anihilării reciproce a unei perechi particulă-antiparticulă.
Spre deosebire de radiaţia alfa sau beta, razele gama pot pătrunde prin aproape orice material, deoarece dispun de o energie foarte mare. Ele pot produce vătămări foarte serioase ale ţesuturilor vii. Plumbul este o substanţă a cărei structură chimică îl face să fie un bun absorbant de radiaţie gama.
