Radioaktivnost

Radioaktivnost je svojstvo nekih vrsta atoma da im se jezgre spontano mijenjaju i pri tome emitiraju energiju u obliku zračenja. Ta se promjena jezgre naziva radioaktivnim raspadom. Radioaktivno zračenje mijenja strukturu i svojstva materijala kroz koji prolazi. Pri tome je najznačajniji efekt ionizacija, odnosno izbijanje elektrona iz elektronskog omotača nekog atoma. Radijacija je uglavnom štetna po život, odnosno po zdravlje. Radioaktivni materijal u ljudsko tijelo ulazi preko hrane, vode za piće ili zraka, ili je moguće direktno ozračivanje. Zračenje oštećuje stanice u ljudskom organizmu. Velika apsorbirana doza zračenja raspoređena po cijelom tijelu uzrokuje smrt. Nešto niže lokalne doze uzrokuju oštećenje kože i lokalnog tkiva i ta su oštećenja vidljiva već za nekoliko dana ili sati. Iako ne razmišljamo o tome, radioaktivnost je sastavni dio našeg okoliša, odnosno jedan od okolišnih uvjeta za koje smo, kao biološka bića prilagođeni. Radioaktivnost, kojoj smo svakodnevno izloženi, ima izvor u kozmičkim zrakama, radioaktivnosti iz tla (i zraka), građevinskih materijala, pa čak i u svim onim tvarima koje unosimo u organizam (jelo i piće). Postoji oko 60 radionuklida koji su glavni izvori prirodne radioaktivnosti. Radioaktivni materijali obično emitiraju alfa čestice (čestice slične jezgri helija), beta čestice (elektroni ili pozitroni koji se gibaju velikom brzinom) ili gama zrake. Alfa i beta čestice mogu biti zaustavljene listom papira ili tankom čeličnom pločom. Najviše oštećenja uzrokuju ako se emitiraju unutar ljudskog tijela. Gama zrake su slabije ionizirajuće od alfa i beta čestica, ali zahtijevaju deblju zaštitu (olovne ploče). Gama zrake uzrokuju oštećenja slična X-zrakama: opekline, karcinom i genetske mutacije.

Međunarodna oznaka za radioaktivnost, odnosno za područje s povišenim radioaktivnim zračenjem.

Građa atomske jezgre

Nuklearna fizika proučava atomsku jezgru (nukleus).

Atomska jezgra izgrađena je od protona i neutrona.

Ukupni naboj same jezgre je pozitivan i ovisi o broju protona. U Periodnom sustavu elemenata atomi su poredani upravo po broju protona u jezgri, odnosno atomskom broju koji je naznačen

u lijevom donjem indeksu (npr. 1H).

Neutron je kasno otkriven jer ga u prirodi nema slobodnog.

Zbroj masa protona i neutrona naziva se relativna atomska masa, izražen je u jedinici unificirane atomske mase [u] i naznačen je u lijevom gornjem indeksu (npr. 1.008H), dok se zbroj protona i neutrona naziva maseni (nukleonski) broj, a označava se sa "A".

ATOM JE NEUTRALAN

Atomska jezgra je pozitivno nabijena, a elektroni su negativno nabijeni i to tako da je pozitivan naboj jezgre po iznosu jednak negativnom naboju elektronskog omotača pa se ti naboji međusobno "ponište" i atom je ukupno neutralan.

Z - broj protona ( atomski broj ) broj protona = broju elektrona N - broj neutrona A - ukupni broj nukleona ( nukleonski ili maseni broj ) ( A = Z + N )

XA

ZC14

6

Izotopi – jednak Z, a različit N

(npr. O – 16, O -17, O -18 ili H-1 vodik, H-2 deuterij, H–3 tricij

Izotopi su atomi istoga kemijskog elementa (isti atomski broj Z ) koji se međusobno razlikuju po broju neutrona u jezgri, pa prema tome i po masenome broju, odnosno, masi. Budući da izotopi imaju jednak broj protona, pa prema tome i jednak broj elektrona u elektronskom omotaču, njihova svojstva i svojstva njihovih spojeva vrlo su slična, a minimalne razlike proizlaze iz različitih atomskih masa.

čestica

elektromagnetski val

nestabilna jezgra

Atome koji odašilju elektromagnetsko zračenje ili česticu uslijed spontane pretvorbe njihovih jezgara zovemo radioaktivnima.

Vrste radioaktivnog zračenja:

-

Alfa čestica (α)

Beta čestica (β)

Gama zraka (γ)

Svojstvo nekih nuklida da spontano emitiraju radioaktivno zračenje u obliku elektromagnetskog zračenja ili u obliku čestica. Ako radioaktivni nuklid nalazimo u prirodi govorimo o prirodnoj radioaktivnosti, a ako je radioaktivni nuklid stvoren umjetnom nuklearnom reakcijom govorimo o umjetnoj radioaktivnosti.

Priroda radioaktivnog zračenja ustanovljena je izlaganjem radioaktivnih zraka djelovanju magnetskog polja, koje svija putanje nabijenih čestica ovisno o njihovom naboju i brzini. Eksperiment je pokazao da se radioaktivno zračenja sastoji od brzih i laganih negativno nabijenih beta čestica (elektrona), teških pozitivno nabijenih alfa čestica (jezgre helija) i elektromagnetskog gama zračenja na koje magnetsko polje ne djeluje.

Zračenja nastala radioaktivnošću međusobno se razlikuju po prodornosti, električnom naboju, i po procesima koji dovode do njihove emisije. Alfa-zračenje u zraku je dometa 2 cm do 8 cm, ovisno o energiji, a može ga zaustaviti i papir; domet beta-zračenja je do 10 m, može ga zaustaviti aluminijski lim debeo nekoliko milimetara; domet gama-zračenja u zraku je do 100 m, a većinu gama-zračenja može zaustaviti desetak centimetara debela olovna ploča.

U magnetskom i električnom polju alfa-zrake savijaju se kao pozitivno nabijene čestice, beta-zrake kao negativne, a gama-zrake prolaze nesmetano.

a raspad - emisija helijeve jezgre (a čestica)

HeThU 4

2

234

90

238

92 HeThU 4

2

231

90

235

92

Alfa (α) raspad je emitiranje alfa čestica, tj. jezgre atoma helija (2 protona i 2 neutrona). Zbog svoje relativno velike mase, nije prodorno te u zraku ima domet svega nekoliko centimetara (2-8 cm). Alfa čestice može zaustaviti već i list papira. Alfa radioaktivni izvori stoga ne predstavljaju ozbiljne opasnosti kao vanjski radioaktivni izvori. Opasne su alfa čestice koje dođu u čovjekovo tijelo (interna kontaminacija), jer alfa čestica ima veliku snagu ionizacije.

Alfa-raspad promjena je atomske jezgre pri kojoj jezgra emitira alfa-česticu (jezgru helija), maseni broj se smanjuje za 4, a atomski broj za 2. Primjerice: alfa-raspadom 238U nastaju 234Th i alfa-čestica alfa-raspadom 235U nastaju 231Th i alfa-čestica

Budući da broj protona u jezgri određuje kemijski element, uran nakon emisije alfa čestice postaje drugi kemijski element (torij).

Alfa čestica (α)

Atomi koji emitiraju alfa čestice uglavnom su vrlo veliki atomi, tj. imaju visoke atomske brojeve. Mnogo je prirodnih i umjetnih radioaktivnih elemenata koji emitiraju alfa čestice. Prirodni izvori alfa čestica imaju atomski broj najmanje 82, uz neke iznimke. Najvažniji alfa emiteri su: americij-241 (atomski broj 95), plutonij-236 (94), uran-238 (92), torij-232 (90), radij-226 (88), radon-222 (86). Alfa emiteri su prisutni u različitim količinama u gotovo svim stijenama, tlu i vodi. Nakon emisije, alfa čestice se zbog velike mase i električnog naboja gibaju relativno sporo (otprilike 1/20 brzine svjetlosti) i u zraku potroše svu energiju nakon nekoliko centimetara i tada vežu slobodne elektrone i postaju helij. Pozitivan naboj alfa čestica može biti koristan u nekim industrijskim procesima. Naprimjer, radij-226 se koristi za liječenje karcinoma. Polonij-210 služi za neutraliziranje statičkog elektriciteta u mnogim industrijama. Alfa čestice zbog svog pozitivnog naboja privlače slobodne elektrone i tako smanjuju statički naboj. Neki detektori dima koriste emisiju alfa čestica americija-241 za stvaranje električne struje. Alfa čestice sudaraju se s molekulama zraka unutar komore i oslobađaju elektrone. Rezultat su pozitivno nabijeni ioni i negativno nabijeni elektroni koji stvaraju električnu struju između pozitivno i negativno nabijenih pločica unutar komore. Kad čestice dima uđu u uređaj, nabijene čestice ih privlače prekidajući struju i tako se aktivira alarm.

b- raspad (emisija elektrona iz jezgre)

νeNC 14

7

14

6 -

νepn 1

1

1

0 -

Beta-raspad promjena je jezgre pri kojoj dolazi do emisije, odnosno apsorpcije elektrona ili pozitrona i antineutrina ili neutrina. Pritom se maseni broj ne mijenja, a redni broj atoma promijeni se za jedan.

U prirodnim radioaktivnim nizovima pri tzv. beta-minus-raspadu jedan neutron u jezgri raspada se na elektron, antineutrino i proton te se atomski broj atoma poveća za jedan:

Primjerice beta-raspadom 14C nastaju 14N, beta-minus-čestica i antineutrino:

b raspad (emisija pozitrona iz jezgre)

Prilikom umjetno izazvane radioaktivnosti može doći i do beta-plus-raspada, tj. emisije pozitrona i neutrina; maseni broj atoma ostaje isti, a atomski se broj smanji za jedan:

νeBC 115

116

νenp 1

0

1

1 Uzrok pozitronskog raspada je raspad protona:

Beta (β) raspad je emitiranje beta čestica, tj. elektrona. Beta zračenje je prodornije nego alfa zračenje i u zraku ima domet od nekoliko metara. Zaustaviti ga može već tanki sloj aluminijske folije. Kao vanjski radioaktivni izvor može prouzročiti oštećenja na koži i očima.

Beta čestice su ekvivalentne elektronima. Razlika je u tome što beta čestice potječu iz jezgre, a elektroni se nalaze u omotaču. Beta čestice imaju električni naboj -1. Masa beta čestice iznosi otprilike 1/2000 mase protona ili neutrona. Brzina pojedinačne beta čestice ovisi o tome koliko energije ima i varira u širokom opsegu. Iako beta čestice emitiraju radioaktivni atomi, one same po sebi nisu radioaktivne. Njihova energija u obliku brzine nanosi štetu živim stanicama tako što razbija kemijske veze i stvara ione.

Emisija beta čestice događa se kada je omjer neutrona i protona u jezgri prevelik. Znanstvenici smatraju da se neutron transformira u proton i elektron, s tim da proton ostaje u jezgri, a elektron se izbacuje. Proces smanjuje broj neutrona za jedan i povećava broj protona za jedan i tako nastaje novi element. Beta čestica često je praćena i emisijom gama zrake. Nakon izbacivanja beta čestice jezgra još uvijek ima višak energije koju otpušta u obliku gama fotona. Radioaktivni raspad tehnecija-99, koji ima previše neutrona da bi bio stabilan, je primjer beta raspada. Ostali značajniji beta emiteri su: fosfor-32, tricij, ugljik-14, stroncij-90, kobalt-60, jod-129 i 131, cezij-137. Beta emiteri imaju mnoge upotrebe, osobito u medicinskoj dijagnostici i liječenju (fosfor-32 i jod-131), ali i u raznim industrijkim instrumentima koji služe za mjerenje debljine vrlo tankih materijala. Beta čestice u zraku putuju nekoliko desetaka centimetara i lako se zaustavljaju čvrstim materijalima. Kada beta čestica ostane bez energije, ponaša se kao bilo koji drugi slobodni elektron.

g raspad

Promjena nuklida bez promjene masenog i rednog broja Emisija energije – g zračenje ili emisija g kvanta (fotona)

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 se gama-zračenje. (To je ista vrsta zračenja kao i rendgensko zračenje; međusobno se razlikuju po načinu nastanka.) Gama zračenje je jako prodorno zračenje. Potreban je štit od nekoliko centimetara olova (ili oko pet puta deblji beton) da bi se intenzitet gama zračenja iz radioaktivnog izvora umanjio oko sto puta (ovisno o izvoru). Gama zračenje je opasno kao vanjski i unutarnji izvor zračenja.

Gama zraka je paket elektromagnetske energije, tj. foton. Gama fotoni su fotoni s najviše energije u elektromagnetskom spektru. Emitiraju ih jezgre nekih radioaktivnih atoma. Gama fotoni nemaju masu ni električni naboj, ali imaju vrlo visoku energiju, otprilike 10000 puta veću od energije fotona u vidljivom dijelu elektromagnetskog spektra. Zbog visoke energije gama čestice putuju brzinom svjetlosti i u zraku mogu prijeći stotine tisuća metara prije nego što potroše energiju. Mogu proći kroz mnogo vrsta materijala uključujući i ljudsko tkivo. Vrlo gusti materijali, poput olova, obično se koriste za zaštitu od gama zračenja.

Do emisije gama zrake dolazi kada jezgra radioaktivnog atoma ima previše energije, a obično slijedi emisiju beta čestice. Cezij-137 pruža dobar primjer radioaktivnog raspada emisijom gama zrake. Neutron iz jezgre se transformira u proton i beta česticu. Dodatni proton mijenja atom u barij-137. Jezgra izbacuje beta česticu, ali još uvijek ima previše energije pa emitira gama foton da bi se stabilizirala. Radioaktivni elementi koji emitiraju gama zrake najrašireniji su izvori zračenja. Moć prodiranja gama zraka ima mnogo upotreba. Iako gama zrake mogu prodrijeti kroz mnoge materijale, one ne čine te materijale radioaktivnim. Najkorišteniji emiteri gama zraka su kobalt-60 (steriliziranje medicinske opreme, pasteriziranje hrane, liječenje karcinoma), cezij-137 (liječenje karcinoma, mjerenje i kontrola toka tekućina u industrijskim procesima, istraživanje podzemnih izvora nafte) i tehnicij-99m (dijagnostičke studije u medicini). Gama zrake koriste se i za poboljšanje fizikalnih svojstava drva i plastike te za ispitivanje metalnih dijelova u industriji. Gama zrake postoje samo dok imaju energije. Kada potroše energiju, bilo u zraku ili u čvrstom materijalu, one prestaju postojati.

Zakon radioaktivnog raspada

teNN - 0

Zakon radioaktivnoga raspada statistički opisuje koliko će se radioaktivnih atomskih jezgara raspasti u nekom uzorku radioaktivne tvari u određenom vremenskom intervalu. Broj raspadnutih jezgri ovisi o početnom broju radioaktivnih jezgara N0, promatranom vremenu raspadanja t i vremenu poluraspada T :

T

t

NN-

20

Zakon radioaktivnog raspada može se izraziti i s pomoću konstante radioaktivnog raspada λ:

Vrijeme poluraspada T, je vrijeme potrebno da se početni broj atoma raspadom svede na polovinu početne vrijednosti.

2lnT

- konstanta radioaktivnog raspada različita za različite jezgre i vrste raspada

N – broj radioaktivnih jezgara u nekom trenutku t

Radioaktivnost je slučajan proces i ne može se točno znati kad će se pojedine jezgre raspasti. Možemo samo govoriti o vjerojatnosti da će se to dogoditi. Brzina raspada ili transformacije radionuklida opisuje se njegovom aktivnošću, to jest brojem atoma koji se raspadnu u jedinici vremena. Jedinica za aktivnost je jedan becquerel (Bq), definiran kao jedan raspad u sekundi. Aktivnost (A) izražena je kao umnožak broja atoma uzorka koji se radioaktivno raspadaju (N) i konstante radioaktivnog raspada (λ):

A = N

Spontani raspad nestabilnih jezgri je proces statističke prirode, ne može se sa sigurnošću predvidjeti kada će se pojedina radioaktivna jezgra raspasti, niti se na proces raspada može na bilo koji način utjecati. Stoga je vrijeme poluraspada radionuklida (specifično za svaki pojedini radionuklid) definirano kao vremenski period u kojem se raspadne polovica početnog broja radioaktivnih jezgri. Mjerna jedinica za radioaktivnost materijala je bekerel (Bq), a označava broj raspada u jednoj sekundi (1Bq=1raspad/1sekunda).

t

N

No /2

No

No /4

No /8

T 2T 3T

Literatura: 1. Jakobović, Zvonimir, Fizika zračenja. Zdravstveno veleučilište, Zagreb, 2007. 2. Mesić, Hrvoje, Ionizirajuće – Neionizirajuće zračenje (Stručni skup međužupanijskog stručnog vijeća nastavnica zdravstvene njege, Zagreb, 2017.) 3. http://www.enciklopedija.hr 4. http://radioaktivniotpad.org/radioaktivnost 5. http://web.zpr.fer.hr/ergonomija