Τι είναι Ραδιενέργεια. Αναλυτική εξήγηση και αποσαφήνιση

Τι είναι Ραδιενέργεια. Αναλυτική εξήγηση και αποσαφήνιση

Η ραδιενέργεια είναι ιδιότητα μερικών ατομικών πυρήνων να αποσυντίθεται αυτόματα με ταυτόχρονη εκπομπή α-, β-, γ- ακτίνων ή η αυτόματη σχάση. Στην περίπτωση αυτή ο αρχικός πυρήνας μετατρέπεται σε πυρήνα άλλου τύπου. Το φαινόμενο της ραδιενέργειας ανακαλύφθηκε το 1896 από τον Becquerel και μελετήθηκε λεπτομερειακά από τους Curie, Μ. Σκλοντόφσκα-Κιουρί, Rutherford κ.ά.

Η αποσύνθεση οποιασδήποτε ραδιενεργού ουσίας γίνεται έτσι, ώστε αν σε μια χρονική στιγμή υπάρχουν Ν ραδιενεργοί ατομικοί πυρήνες μιας ορισμένης ουσίας, τότε από αυτούς στη μονάδα του χρόνου αποσυνθέτονται λΝ πυρήνες, όπου λ είναι η λεγόμενη σταθερά της ραδιενεργού αποσύνθεσης, χαρακτηριστική για τη δεδομένη ουσία. Αυτό οδηγεί στο νόμο της μείωσης του αριθμού των ατομικών πυρήνων της δεδομένης ουσίας με την παρέλευση του χρόνου: Ν = Νοe – λt, όπου να είναι η ποσότητα των ατόμων της ραδιενεργού ουσίας στην αρχική στιγμή. Ο νόμος αυτός κατά την αποσύνθεση εκπληρώνεται μόνο στατιστικά, για πολύ μεγάλο αριθμό ατόμων.

Οι επιμέρους αποσυνθέσεις, της μέσης χρονικής διάρκειας ζωής του ραδιενεργού πυρήνα τ και της περιόδου ημιδιάσπασης (Τ 1/2) υπάρχει η σχέση:

λ = 1/r = 0,693 / (Τ 1/2)

Οι εξωτερικές συνθήκες (θερμοκρασία, πίεση, μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία, δομική κατάσταση, χημικός δεσμός κλπ.) πρακτικά δεν έχουν καμιά επίδραση στην ταχύτητα των ραδιενεργών μετατροπών, δηλ. δεν μεταβάλλουν την (Τ 1/2).

Είναι γνωστοί οι εξής τύποι ραδιενεργών μετατροπών: α-διάσπαση, β-διάσπαση, ηλεκτρονική σύλληψη, ισομερείς μετατροπές και αυτόματη σχάση των ατομικών πυρήνων.

Κατά την α-διάσπαση ο ραδιενεργός πυρήνας εκπέμπει α-σωματίδιο και μετατρέπεται σε πυρήνα που το ηλεκτρικό φορτίο του είναι κατά 2 μονάδες μικρότερο από τον αρχικό, ενώ ο μαζικός αριθμός του είναι κατά 4 μονάδες μικρότερος από τον αρχικό. Τα εκλυόμενα α-σωματίδια αποτελούνται συνήθως από μια ή περισσότερες ομάδες με ορισμένες τιμές ενέργειας. Οι περίοδοι ημιδιάσπασης των γνωστών α-ραδιενεργών πυρήνων βρίσκονται μεταξύ 10-7 δευτερόλεπτα ως 1012 χρόνια.

Κατά τη β-διάσπαση ο πυρήνας εκλύει ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνιο. Ένα από τα είδη β-διάσπασης είναι επίσης η σύλληψη από τον πυρήνα ηλεκτρόνιου από μια των ηλεκτρονικών στοιβάδων του ατόμου. Σε όλες τις περιπτώσεις της β-διάσπασης εκλύεται νετρίνο (ή αντινετρίνο). Ο μαζικός αριθμός κατά τη β-διάσπαση δεν αλλάζει.

Το φορτίο του πυρήνα αυξάνεται κατά 1 με την έκλυση ηλεκτρόνιου και μειώνεται κατά 1 στην περίπτωση ηλεκτρονικής σύλληψης ή έκλυσης ποζιτρονίου. Κατά τις ραδιενεργές μετατροπές συχνά παρατηρείται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πολύ μικρού μήκους κύματος (οι λεγόμενες γ- ακτίνες), που δημιουργείται κατά τις μεταβάσεις των ραδιενεργών πυρήνων ανάμεσα στις στάθμες ενέργειας.

Στις περιπτώσεις που ο χρόνος ζωής του πυρήνα είναι δυνατό να μετρηθεί με το πείραμα, δηλ. αν είναι πάνω από 10 -10 δευτερόλεπτα, η αντίστοιχη κατάσταση διέγερσης του πυρήνα ονομάζεται ισομερής, ενώ η μετάβαση από αυτόν σε κατάσταση με μικρότερη ενέργεια διέγερσης ή στη βασική κατάσταση ονομάζεται ισομερής μετατροπή (ισομερής μετάβαση).

Οι ισομερείς μετατροπές γίνονται όχι μόνο με την έκλυση γ-ακτίνων, αλλά και με τη μετάδοση ενέργειας σε ένα από τα ηλεκτρόνια του ατόμου. Ιδιόμορφη ραδιενέργεια που χαρακτηρίζει μόνο τους βαρείς πυρήνες, είναι η αυτόματη σχάση, κατά την οποία ο πυρήνας διασπάται αυτόματα συνήθως σε δύο θραύσματα μέσης μάζας και ταυτόχρονα ελκύει 2-3 νετρόνια. Αν σε όλες τις παραπάνω μορφές της ραδιενέργειας η έκλυση ενέργειας σε μια διάσπαση φτάνει από δέκατα του χιλιοηλεκτρονιοβόλτ ως λίγα μεγαηλεκτρονιοβόλτ, αντίθετα στην αυτόματη σχάση εκλύεται ενέργεια της τάξης 200 μεγαηλεκτρονιοβόλτ.

Όσο πιο βαρύτερα είναι τα στοιχεία, τόσο οι περίοδοι ημιδιάσπασης για την αυτόματη σχάση μειώνονται γρήγορα από πολλά δισεκατομμύρια χρόνια ως λίγες ώρες ή λίγα λεπτά της ώρας. Εκτός από τα φυσικά ραδιενεργά ισότοπα, είναι γνωστά περίπου χίλια ραδιενεργά ισότοπα, που δημιουργήθηκαν τεχνητά με τις πυρηνικές αντιδράσεις.

Τα διάφορα ραδιενεργά ισότοπα παράγονται κατά μαζικές ποσότητες στους πυρηνικούς αντιδραστήρες και χρησιμοποιούνται πλατιά στους διάφορους κλάδους της επιστήμης, της τεχνικής, της ιατρικής και της αγροτικής οικονομίας. Όλες οι εφαρμογές της ραδιενέργειας βασίζονται στη χρησιμοποίηση της ιονίζουσας επενέργειας των ραδιενεργών ακτινοβολιών.

Μονάδες της ραδιενέργειας είναι το κιουρί και τα παράγωγά του και πολύ σπανιότερα το ράδερφορντ. Η ραδιενέργεια των διάφορων ουσιών μπορεί να μετρηθεί με τις μεθόδους του ιονισμού, της θερμιδομετρίας, της φωτογραφίας, καθώς και με τη μέτρηση του ολικού φορτίου των σωματιδίων που εκλύονται από τη ραδιενεργό ουσία. Ιδιαίτερα πλατιά χρησιμοποιούνται οι μετρητές φορτισμένων σωματιδίων, οι θάλαμοι ιονισμού και ο θάλαμος Ουίλσον.

Σχεδόν όλες οι συσκευές ιονισμού επιτρέπουν όχι μόνο τη μέτρηση του αριθμού των εκλυόμενων σωματιδίων, αλλά και τον προσδιορισμό της ενέργειάς τους, ενώ με το θάλαμο Ουίλσον και με τη μέθοδο της φωτογραφίας μπορεί να διαπιστωθεί και ο τύπος των σωματιδίων.