|
|
|
Radioactivitatea
Scurt istoric
Henri Antoine Becqurel, savant fizician francez, s-a nascut in anul 1852, intr-o familie de fizicieni cunoscuti. Preocupat foarte mult de probleme de fizica, in special de problema fluorescentei, Becquerel a acordat un deosebit interes descoperirii de catre Roentgen a radiatiilor X, fapt care l-a condus in cele din urma la descoperirea fenomenului radioactivitatii. Importanta acestei descoperiri este relevata de cuvintele marelui savant Albert Einstein : "Fenomenul radioactivitatii este forta cea mai revolutionara a progresului tehnic, de la descoperirea focului de catre omul preistoric si pana astazi".
Descoperirea radioactivitatii
Becquerel, in timpul cercetarilor sale gaseste niste probe de mineral fluorescent(pehblenda) asezat pe placi fotografice, dar care nu fusesera expuse inca la soare. Din curiozitate , el cere ca acestea sa fie developate si descopera ca mineralul innegrise si de data aceasta placa fotografica. Deci , pehblenda emitea radiatii fara ca ea sa fie expusa la lumina soarelui. Repetand experienta, faptul s-a confirmat : pehblenda emitea in mod natural radiatii invizbile, care impresioneaza placa fotografica intocmai ca radiatiile X ; cercetarile ulterioare au arata insa ca ele erau de alta natura, provenind chiar din nucleele unor atomi ai minereului. Becquerel descoperise radioactivitatea. Aceasta descoperire, datorita unei intamplari s-a dovedit mai tarziu a avea o importanta covarsitoare, constituind punctul de plecare pentru o serie de cercetari teoretice si realizari practice care au dus la rezolvarea importantei probleme a eliberarii energiei enorme continute in nucleele atomilor.
Pehblenda fiind un material constituit dintr-un amestec complex de saruri, se punea problema separarii elementului radioactiv. Curand dupa descoperirea lui Becqurel, doi chimisti francezi, Marie si Pierre Curie, au meritul de a fi separat pentru prima data componentii determinanti ai radioactivitatii pehblendei. Studiind impreuna obtinerea de uraniu pur din minereuri, sotii Curie descopera doua noi elemente radioactive, si anume poloniul si radiul. Au urmat patru ani de munca intensa, in conditii improprii si daunatoare sanatatii lor, in urma carora, prelucrand tone de minereu au obtinut primul decigarm de radiu pur. In anul 1903 li s-a decernat sotilor Curie premiul Nobel pentru fzica.
Sotii Curie precum si fizicianul Ernest Rutheford si francezul Paul-Ulrich Willard au analizat mai profound natura acestor radiatii si au ajuns la rezultate foarte interesante, care au reprezentat un pas enorm in lupta pentru cunoasterea constitutiei atomului.
Marie si Pierre Curie sunt un exemplu de oameni de stiinta care cu abnegatie au pus toata stiinta si munca lor in slujba progresului omenirii. Perfect constient de pericolul ce l-ar fi reprezentat folosirea radioactivitatii in detrimentul comunitatii, Pierre Curie socotea cu optimism ca : "Noile descoperiri vor aduce omenirii mai mult bine decat rau", fiind ferm convins ca aceasta nu depinde decat de oameni si de modul in care vor fi utilizate toate aceste descoperiri.
Experienta facuta de Rutheford prin care obtinuse prima transmutatie artificiala a fost atat de senzationala incat multi fizicieni din toate tariles-au preocupat de aceasta problema, folosind particulele alfa ca proiectile, cu care bombardau atomii diverselor elemente chimice. Urmarind mai departe aceste experiente, doi fizicieni francezi, Frederic Joliot-Curie si sotia sa Irene studiau efectul particulelor alfa emise de poloniul radioactiv asupra unor elemente chimice. Ei pastrau intr-un vas de aluminiu, sarea de poloniu pe care o foloseau. Se stie ca aluminiul retine cu usurinta particulele alfa, totusi au observat ca in afara vasului existau radiatii care influentau aparatele de masura pe care le foloseau. Analizand radiatiile acestea, sotii Joliot-Curie au constatat ca ele sunt compuse din neutroni si pozitroni(electroni pozitivi). In cazul in care din cutia de aluminiu se scotea sarea de poloniu, desi sursa de radiatii alfa, emisia de neutroni inceta, cutia de aluminiu emitea in continuare pozitroni. Studierea fenomenului a aratat ca prin bombardarea nucleului de aluminiu cu particule alfa, acesta absoarbe doi protoni si doi neutroni, un neutron fiind expulzat. Se formeaza un nucleu al carui element care are deci doi protoni si un neutron mai mult decat cel al aluminiului : un nucleu de fosfor cu masa 30 si sarcina 15. Energia acestui nucleu fiind prea mare, el este instabil si emite particule pozitive, trecand cu timpul in elementul siliciu radioactiv cu masa 30 si sarcina 14.
Dupa obtinerea de catre Joliot-Curie a primului element radioactiv artificial, siliciul 30, ceea ce a constituit descoperirea radioactivitatii artificiale, a urmat prepararea de catre diversi cercetatori a unei serii intregi de radioizotopi artificiali, astazi fiind cunoscuti radioizotopi aproape ai tuturor elementelor chimice.
O particularitate a nucleelor unor izotopi radioactivi artificiali o constituie un fenomen care a parut curios la inceput. In loc sa se observe o emisie gama la unele nuclee cu exces de energie, se observa o emisie de electroni insotita de o radiatie roentgen. Fenomenul a fost cercetat si explicat prin aceea ca, la unele nuclee mai grele ce se formeaza, energia excedentara, in loc sa fie emisa ca radiatii gama, este transmisa unui electron din primul strat, ce este proiectat in afara atomului. In urma acestui fapt, straturile de electroni se rearanjeaza, dand nastere radiatiei roengen. Fenomenul este cunoscut su denumirea de conversie interna.
Radioactivitatea naturala
Asa cum s-a aratat, procesul de dezintegrare radioactiva a fost pus in evidenta mai intai la elementele naturale radioactive.
Radioactivitatea naturala a fost definitiv stabilita la toate elementele care au Z>83. Acestea apartin unei serii de elemente radioactive care formeaza o familie radioactiva. Una dintre aceste serii este aceea a uraniului in care capul seriei este 238U.
O alta serie radioactiva naturala este aceea a toriului, care are capul sriei 238Th(1.39*1010ani) si este cunoscuta ca satisfacand o relatie de tip 4n. Produsul final satbil este 208Pb.
O a-3-a serie are ca element initial parinte 238U(7.1*108ani)si, dupa o serie de transmutatii successive ca in cazurile precedente, se determina cu izotopul stabil al plumbului 207Pb. Aceasta serie satiface relatia 4n+3.
In cadrul celor trei serii radioactive exista asemanari interesante. Fiecare are cate un descendent, gazul radioactiv(emanatia) :radon, thoron,actinon. Descendentii gazosi radioactivi au permis stabilirea celorlalti membrii ai seriei.
O data cu perfectionarea mijloacelor de detectie a radiatiilor, s-au gasit si alte radioactivitati naturale, fara sa mai apara insa ultimele serii ca in cazurile anterioare.
In ultima alternativa, elementele radioactive naturale formeaza o singura transmutatie prin care izotopul radioactiv se dezactiveaza la un nucleu instabil.
Printre izotopii radioactivi ai elementelor care se gasesc in natura amintim :
40K(0.012% ; 1.2*109, beta ; CE)
87Rb(27.8%; 6.2*1010ani; beta)
147Sm(15.1%; 1.3*1011ani;alfa)
115In(95.8%; 6.0*1014ani; beta)
190Pt(0.012% ;1012ani; alfa)
In paranteza s-a notat abundenta in %(continutul de izotop in element al sau), timpul si emisia(captura electronica,K).
Numarul elementelor radioactive naturale este mult mai mare, insa descoperirea lor este lenta datorita aparaturii de detectie cu capacitati reduse.
Radioactivitatea artificiala
Pana in 1934 numai elementele radioactive naturale erau cunoscute, insa in anul 1934, Irene si Frederic Joliot au aratat ca aluminiul si magneziul pot deveni radioactive daca sunt bombardate cu particule alfa de la poloniu. Dupa aceasta descoperire, a radioactivitatii induse pe o cale artificiala, s-a pus problema utilizarii unor resurse de particule alfa mai energice tinand seama de bariera de potential a nucleelor. Astfel s-au construit acceleratoarele. Dupa descoperirea neutronului, s-a stabilit eficacitatea deosebita a acestuia(in special a neutronului lent) de a produce izotopi radioactivi, respectiv radioactiviatatea artificiala. Neutronul prezinta avantajul ca nu are sarcina, deci poate sa patrunda cu usurinta in nucleul tinta. O data cu folosirea surselor de neutroni ca particule bombardante, numarul izotopilor radioactivi obtinuti pe cale artificiala a crescut enorm(la 36)
Actualmente, radioactivaitatea artificiala, respectiv izotopii radioactivi sunt produsi prin bombardarea cu particule cu sarcina, obtinute cu ajutorul acceleratoarelor la energii convenabile, sau cu neutroni, de cele mai multe ori in reactorul nuclear. Acesta din urma este sursa principala de izotopi radioactivi. I ambele cazuri, izotopul radioactiv este produs printr-o reactie nucleara.
Radiatia artificiala este folosita in multe ramuri ale activitatii omenesti. De exemplu, in industrie este folosita pentru controlul proceselor si a calitatii produselor, iar in scop de studiu, este folosita in institute de cercetare si invatamant superior.
Dezintegrarea nucleelor
Dupa ce Becquerel face observatia ca sarurile de uraniu emit o radiatie invizibila care trece prin hartie, lemn, sticla etc., iar mai apoi innegreste hartia fotografica, urmeaza descoperirea radioactivitatii, sotii Curie observand o comportare similara la saruri ale toriului. Ei separa radiul din U3O8. Proprietatile radiatiilor emise sunt studiate de Rutheford, Curie, Bragg, iar mai tarziu, prin separari chimice, se stabileste si comportarea izotopilor rezultati. Astfel s-a ajuns la definitivarea unei teorii privind radioactivitatea unor izotopi ai uraniului si toriului, ai descendentilor acestora, care de asemenea sunt produse radioactive, adica emit si ele radiatii, fie ele de natura corpusculara(alfa, beta), fie de natura electromagnetica(gama). Totodata Soddy emite legea de deplasare prin care se prevede descendentul rezultat in urma emisiei unei radiatii nucleare.
Studiile respective au relevat ca radiatia emisa are ca origine nucleul atomului si ca in urma dezactivarii, nucleul isi schimba continutul energetic trecand de pe un nivel energetic superior pe altul inferior.
Ca o concluzie a celor enuntate se poate spune ca, prin dezintegrare, nucleul initila va trece in alt nucleu(adica emite radiatii corpusculare) sau daca trece in izometrul sau se va afla pe un nivel energetic inferior.
Procesul prin care se face aceasta dezactivare se numeste dezintegrare radioactiva, radioactivitatea fiind proprietatea unor nuclee de a emite radiatii nucleare.
Felul in care are loc acesta dezintegrare variaza de la un izotop la altul. Astfel s-a observat ca unii izotopi proaspat separati pe cale chimica se dezintegreaza foarte repede(234Pa), iar dupa cca. 10 minute nu se mai poate decela radioactivitate, in timp ce 238U, cu o viteza de dezintegrare mult mai mica, practic isi mentine greutatea.
Studierea fenomenului in sine a dus la concluzia ca procesul de dezintegrare se supune calculului probabilitatilor.
Fiecare nucleu are o viata a sa si deci o probabilitate de a se dezintegra. Aceasta probabilitate nu depinde de modul in care a aparut nucleul si nici nu poate fi influentata in prezent de orice mijloc s-ar folosi(presiune, temperatura, reactiv chimic etc). Singurul factor care-l influenteaza este timpul. Se poate astfel atribui o constanta de dezintegrare care indica numarul de nuclee dezintegrate in unitatea de timp.
Aplicatii ale rdiatiilor nucleare
Prin producerea unei explozii, cu ajutorul unui exploziv obisnuit, situat la capetele unui cilindru de otel, doua bucati de plutoniu 239 sunt puse in contact, realizandu-se astfel masa critca. In acest moment, reactia de fisiune in lant se produce cu degajare de energie si imprastiere de reziduuri radioactive. Efectul unui astfel de bombardament ce ontine circa 100kg de plutoniu 239 este echivalent cu cel al unei bombe ce ar contine 20.000 de tone de exploziv obisnuit(trinitrotoluen). Sunt cunoscute nenorocirile ce le-au produs cele doua bombe atomice aruncate asupra Japoniei in ultimul razboi mondial, cand circa 340.000 de oameni au pierit la Hiroshima si Nagasaki, iar alti 200.000 au fost raniti.
In biologie, energia radiatiilor nucleare sta la baza unor metode pentru marirea productivitatii la plante si microorganisme, prin modificari ale caracterelor specifice de crestere, reproductie si altele ale speciei respective.
Se foloseste astazi industrial metoda mutatiei genetice prin iradiere pentru marirea randamentului de penicilina si streptomicina, produse de ciupercile numite penicilium si streptomices. Metoda consta in iradierea sporilor acestor ciuperci cu radiatii gama pana la distrugerea aproape totala a lor. Cei ramasi activi sunt insamantati pe un mediu de crestere, obtinandu-se spori mai rezistenti si mai activi ce produc o cantitate mai mare de antibiotice. Repetandu-se operatia de mai multe ori, rezulta spori cu o productivitate de cateva ori mai mare decat a celor initiali.
Radiatiile gama se folosesc si ca agent sterilizator. Sunt in curs de a intra in functiune instalatii de conservare a alimentelor, bazate pe acelasi principiu ca cel descris mai sus(prin distrugerea microrganismelor daunatoare).
In clinici si spitale radiatiile sunt folosite:
- la radiografii;
- in scop terapeutic;
- in scopuri de investigatie.
La radiografii se folosesc, in special, radiatiile X (Rontgen). O radiografie a toracelui va transfera plamanului un echivalent al dozei de 20 mSv
In scop terapeutic se utilizeaza iradierea pentru distrugerea tesuturilor tumorale maligne. Frecvent folosite sunt radiatiile X de mare energie sau radiatule gama date de sursele Cobalt-60. In scopuri de investigatie se utilizeaza administrarea de radionuclizi cu timpi scurti de injumatatire. Dupa administrare, se realizeaza tomografierea (radiografii ale structurilor dintr-un singur plan de profunzime), in special a plamanilor, oaselor si creierului.
