Радиоактивност

Радиоактивност је спонтани процес у којем се атомско језгро, емитујући једну или више честица или кваната електромагнетног зрачења, преображава у друго језгро. Првобитно није била позната природа зрачења него се збирно говорило о радијацији па је ова појава „распада“ језгра названа радиоактивност, а језгра која емитују честице или зрачење радиоактивна језгра или, исправније радиоактивни изотопи. Распадом почетног језгра, које се назива и језгро родитеља, настаје ново језгро, потомак, које може да има редни број Z и/или масени број A различит од језгра родитеља. Радиоактивни распад карактерише се врстом и енергијом емитоване радијације и временом полураспада. У природи се јављају алфа-распад, бета--распад, гама-распад и спонтана фисија.Kasimir Fajans, "Radioactive transformations and the periodic system of the elements". Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, Nr. 46, (1913). pp. 422–439Frederick Soddy, "The Radio Elements and the Periodic Law", Chem. News, Nr. 107, (1913). pp. 97–99 При алфа-распаду радиоактивна језгра емитују језгра хелијумових атома 4He++. Код бета--распада, из језгра се емитују електрон и антинеутрино, а код гама-распада језгро зрачи електромагнетне таласе (фотоне) велике енергије. У лабораторији могу да се добију и језгра која се распадају на бројне начине (видети таблицу доле), на пример, емитујући позитроне и неутрина (бета+-распад) или код којих долази до К-захвата.

Радиоактивни распад претвара једно језгро у друго ако ново језгро има већу енергију везања по нуклеону него што је имало почетно језгро. Разлика у енергији везања (пре и после распада) одређује који се распади могу енергијски догађати, а који не. Вишак ће енергије везања излазити у облику кинетичке енергије или масе честица у распаду."Od rude do žutog kolača" , Nuklearna elektrana Krško, 2011.

Нуклеарни распади морају задовољити неколико закона очувања енергије, подразумевајући да вредност очуване величине након распада (узимајући у обзир све продукте) има једнаку вредност као и за језгро пре распада. Очуване величине су укупна енергија (укључујући еквивалент енергије масе), електрични набој, линеарна и угаона количина кретања, број нуклеона, те лептонски број (тј. сума броја електрона, неутрина, те позитрона и антинеутрина, узимајући античестице -{s}- -1)."4.1 FIZIKA NEK-a - Fisija" , Nuklearna elektrana Krško, e-škola, 2011.

Историја открића радиоактивности

Природну радиоактивност открио је крајем 19. века француски физичар Анри Бекерел. Трудећи се да установи узрок фосфоресценције неких материјала (што је и његов отац, такође физичар, проучавао), Бекерел је на фотографску плочу умотану у црни папир поставио кристал уранијумове соли и онда све излагао сунчевој светлости (Фосфоресцентни материјали сами по себи емитују електромагнетно зрачење видљивог светла). Након развијања фотографске плоче показало се да је она била “осветљена”, дакле, уранијумова со је емитовала зрачење које може да прође кроз црни папир и да дејствује на фотографску плочу. Бекерел је сматрао да уранијумова со зрачи под дејством сунчеве светлости. А онда, једног дана, због облачности, одустао је од експеримента, и фото плочу умотану у црни папир одложио, а преко ње и уранијумску со. После неколико дана ипак је развио плочу и на велико изненађење, установио да је и она јако озрачена. Исправно је закључио да уранијумова со, без спољашњег утицаја, дакле спонтано, емитује зрачење које пролази кроз хартију и изазива зацрњење фото плоче. Марија Кири је ову појаву назвала радиоактивност.

Ернест Радерфорд је први открио да се радиоактивни распад може описати математичком експоненцијалном функцијом, и такође да многи радиоактивни распади резултују у трансмутацији једног елемента у други.

Марија Кири је заједно с Пјером Киријем проучавала радиоактивност и других уранијумових једињења, нпр. руде пехбленде (која се углавном састоји од уранил оксида U3О8). М. Кири је утврдила да је зрачење много јаче и да није пропорционално количини уранијума. Претпоставила је да руда пехбленде садржи малу количину неког елемента који много јаче зрачи. Коришћењем обичних хемијских поступака за раздвајање елемената, П. и М. Кири изоловали су полонијум и радијум. Радијум је изолован после дугог и стрпљивог прерађивања једне тоне руде пехбленде из које је већ био извађен уранијум. Издвојене су најпре мале количине радијума у облику радијум-хлорида, а 1910. године електролизом је добијен и чист радијум. Отприлике у исто време М. Кири и Г. Шмит открили су, независно, да су и торијумова једињења радиоактивна. Затим су А. Дебијерн и Ф. Гизел у уранијумским минералима нашли још један радиоактивни елемент - актинијум. После ових првих открића, систематским испитивањима, откривено је да у природи постоји четрдесетак радиоактивних елемената.

Основне особине мини|250п|Приказ продирности (штетности) за различите врсте зрака. Алфа-зрачење може зауставити папир; бета-зрачење може зауставити алуминијски лим дебео неколико милиметара; а већину гама-зрачења може зауставити десетак центиметара дебела оловна плоча.

Радиоактивно зрачење продире кроз различите материјале, а такође може и да јонизује средину кроз коју пролази. Проучавајући продорну моћ зрачења која емитује уранијум, Радерфорд је утврдио да постоје две врсте зрачења (алфа и бета). Алфа-зрачење лакше се апсорбује од бета- али више јонизује средину кроз коју пролази. Алфа и бета зраци различито скрећу у магнетском пољу, на основу чега је закључено да је реч о честицама супротног наелектрисања и различите масе. Трећи облик природне радиоактивности (гама-зрачење) открио је П. Вилар утврдивши да оно не скреће у магнетском пољу, а да се одликује изузетном продорношћу.

Процес радиоактивног распада је егзотерман, дакле праћен ослобађањем енергије. Енергијски биланс радиоактивног распада најлакше је одредити помоћу Ајнштајнове релације за однос масе и енергије

где је Е енергија еквивалентна маси m, а c брзина светлости у вакууму. У складу са тиме енергија Е која се ослобађа при радиоактивном распаду једнака је:

где су Мr маса родитеља, Мp маса потомка и Me масе мировања емитованих честица. Дакле, ослобођена енергија (кинетичка и електромагнетна) једнака је разлици у маси између језгра родитеља и свих производа његовог распада.

Јединица за радиоактивност у СИ систему је Бекерел (Bq).

Закон радиоактивног распада

Математички модел којим описујемо радиоактивни распад зависи од кључне претпоставке да радиоактивно језгро не „стари“ проласком времена. Самим тим, вероватноћа да дође до радиоактивног распада не расте у току времена, него остаје константна независно од тога колико дуго је језгро постојало. Ова вероватноћа варира у зависности од посматраних језгара. Ипак, за једно посматрано језгро се она никада не мења. У мноштву истих нестабилних језгара се не може тачно знати када ће се које језгро распасти, али је овај радиоактивни распад одређен неком вероватноћом, то јест константом распада (λ). Константа распада зависи само од врсте језгара и на њу не утичу спољашњи услови.

Константа радиоактивног распада је бројно једнака вероватноћи да се једно језгро распадне у јединици времена. Мерна јединица за константу распада је 1 s−1.

Ако имамо узорак са -{N}- радиоактивних језгара, чија је константа распада λ, за елементарно мало време -{dt}-, број радиоактивних језгара ће се смањити за -{dN}-: -{dN= -λNdt}- Ова једначина представља закон радиоактивног распада у диференцијалном облику. Из ње се изводи закон радиоактивног распада који гласи: -{N= N0 e^(-λt)}- Број радиоактивних језгара се експоненцијално смањује током времена.

Постоје и друге величине којима се карактерише радиоактивни распад. Једна од тих величина је време полураспада (-{T}-).

Време полураспада је време за које се број радиоактивних језгара у неком узорку преполови. Постоји веза између времена полураспада и константе распада: -{T= (ln 2)/λ}-

Величина којом се карактерише брзина распада неког радиоактивног извора се назива активност: -{A = λN}- Мерна јединица за активност је бекерел (-{Bq}-): Активност од -{1 Bq}- има извор у којем се у једној секунди распадне једно језгро.

Из закона радиоактивног распада следи да активност извора такође експоненцијално опада, заједно са бројем радиоактивних језгара: -{A = A0e-λt}-

Проласком кроз супстанцију, експоненцијално опада интензитет гама зрачења, у зависности од дебљине слоја (-{d}-), почетног интензитета (-{I0}-) и коефицијента апсорпције зрачења (μ) који зависи од природе супстанције и енергије гама-фотона: -{I = I0e-μd}-

Врсте радиоактивних распада

Алфа распад промена је атомског језгра при којој језгро емитује алфа-честицу, масени број се смањује за 4, а атомски број за 2. На пример алфа-распадом уранијума-238 настају торијум-234 и алфа-честица. Ернест Радерфорд је закључио да су алфа-честице у ствари јони хелијума или само атомско језгро хелијума.Uvod u nuklearnu energetiku , Prof. dr. sc. Danilo Feretić, 2011.

Бета распад је промена атомског језгра при којој долази до емисије или апсорпције електрона или позитивног електрона (позитрона) и антинеутрина или неутрина. Притом се масени број не мења, а атомски број елемента се промени за један. У природним радиоактивним низовима при бета-минус-распаду један неутрон у језгру распада се на електрон, антинеутрино и протон. На пример бета-распадом торијума-233 настају паладијум-234, бета-минус-честица и антинеутрино. Приликом вештачки изазване радиоактивности може доћи и до бета-плус-распада, тј. емисије позитрона и неутрина; масени број елемента остаје исти, а атомски се број смањи за један. Бета-честице су у ствари електрони великих брзина, али за разлику од електрона у електронском омотачу атома, настају из атомског језгра.

Електронски ухват је појава при којој језгро захвати један електрон из атомског омотача и смањи свој позитивни набој за један. Удаљени електрони попуњавају испражњена места и притом долази do емисије ренгенског зрачења.

Гама-радиоактивност је прелаз између стања више побуђености атомског језгра у стање ниже побуђености или у основно стање, а електромагнетско зрачење високе фреквенције које се притом емитује назива се гама-зрачење. Тада се не мењају више атомски ни масени број елемента. За гама-зрачење је утврђено да одговарају тврдим рендгенским зракама. То су доказали Ернест Рутхерфорд и Е. Н. да Коста Андрад 1914, дифракцијом гама-честица кроз одговарајућу кристалну решетку, помоћу које су успели да одреде њихову таласну дужину. Према досадашњим мерењима утврђено је да су таласне дужине гама-честица између 0.000466 -{nm}- и 0,0428 -{nm}-. Према томе, гама-честице одговарају краткоталасном рендгенском зрачењу, али за разлику од рендгенског зрачења настају у атомском језгру.

Унутрашња конверзија је процес при којем језгро директно предаје вишак енергије електрону у унутрашњим слојевима атомског омотача. Тај електрон напушта атом, а његово избацивање прати емисија рендгенских зрака. Редни и масени бројеви атома не мењају се.

Зрачење настало радиоактивношћу разликује се по продорности, електричном набоју, грађи и по процесима који доводе до емисије. Алфа-зрачење може зауставити папир, бета-зрачење може зауставити алуминијски лим дебео неколико милиметара, а већину гама-зрачења може зауставити десетак центиметара дебела оловна плоча. У магнетском пољу алфа-зраци се савијају као позитивно наелектрисане честице, бета-зраци као негативне или позитивне, а гама-зраци пролазе несметано.

Радиоактивност

Źródło i licencja