Природна радиоактивност
Мирјана Ракић
А.4
УВОД
Радиоактивност je 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 na
je ова појава „распада“ језгра названа радиоактивност, a језгра која емитују честице или
зрачење радиоактивна језгра или, исправније радиоактивни изотопи. Распадом почетног језгра,
које се назива и језгро родитељ, 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 a- распад, р
□- распад, у- распад и спонтана фисија.
Природну радиоактивност je открио крајем прошлог века француски физичар Анри
Бекерел. Трудећи се да установи узрок флуоресценције, односно фосфоресценције неких
материјала (што je његов отац, такође физичар, проучавао) Бекерел je фото- графску плочу
умотану у црни папир поставио кристал уранијумове соли и онда све излагао сунчевој
светлости. Након развијања фотографске плоче показало се да je она била „осветљена“ , дакле,
уранијумова со je емитовала зрачење које може да прође кроз црни папир и да дејствује на
фотографску плочу. Бекерел je сматрао да уранијумова со зрачи под дејством сунчеве
светлости. A онда, једног дана, због облачности , одустао je од експеримента, и фото плочу
умотану у црни папир одложио, а преко ње и уранијумску со. После неколико дана ипак je
развио плочу и на велико изненађење, установио да je она јако озрачена. Исправно je закључио
да je уранијумова со, без спољашњег утицаја, дакле спонтано, емитује зрачење које пролази
кроз хартију и изазива зацрњење фото плоче. Марија Кири je ову појаву назвала
радиоактивност.
Марија Кири je заједно с Пјером Киријем проучавала и радиоактивност и других
уранијумових једињења, нпр. руде пехбленде (која се углавно састоји од уранил оксида).
Марија Кири je утврдила да je зрачење много јаче и да није пропорционално количини
уранијума. Претпоставила je да руда плехбенде садржи малу количину неког елемента који
много јаче зрачи. Коришћењем обичних хемијских поступака за раздвајање хемијских
елемената, Пјер и Марија Кири изоловали су полонијум и радијум. Радијум je изолован после
дугог и стрпљивог прерађивања једне тоне руде плехбенде из које je већ био извађен уранијум.
Издвојене су најпре мале количине радијума у облику радијум- хлорида, а 1910. године
електролизом je добијен и чист радијум. У готово исто време М. Кири и Г. Шмит открили су,
независно, да су и торијумова једињења радиоактивна. Затим су A. Дебијерн и Ф. Гизел у
уранијумским минералима нашли још један радиоактивни елемент- актинијум. После ових
првих открића, систематским испитивањима, откривено je да у природи постоји четрдесетак
радиоактивних елемената.
Природна радиоактивност
Мирјана Ракић
м
Сл. 1.1.Приказ продорности за различите врсте зрака
Y
Процес радиоактивног распада je егзотерман, дакле праћен ослобађањем енергије. Енергијски
баланс радиоактивног распада најлакше je одредити уз помоћ Ајнштајнове релације за однос масе и
енергије:
Е=тс
2
,
где je
Е
енергија еквивалентна маси
т,
а
с
брзина светлости у вакууму. У складу са тиме
Е
енергија која
се ослобађа при радиоактивном распаду једнака je:
Е= MrC
2
- ( МрС
2
+
ЕМ
е
с
2
),
1. ПРИРОДА РАДИОАКТИВНОГ ЗРАЧЕЊА
Мада су општа својства радиоактивног зрачења била позната одмах no открићу
радоактивности, ипак се тада о њиховој суштини ништа није знало. Већ 1900. године било je
познато да један део радиоактивних радијација може да се креће у магнетном пољу.
Истовремено je Радерфофд (Ernest Rutherford) на основу испитивања пролаза радиоактивних
зрака кроз танке листиће алуминијума утврдио да код радијације уранових једињења постоје
две врсте зрака. Ону врсту зрака који не могу да прођу алуминијумску плочицу дебљине 0,002
cm, Радерфорд их je назвао a - зрацима, а ону врсту која пролази кроз дебље листове, назвао je |
3 - зрацима.
Француски научник Вилард je 1900. године и трећу врсту радиоактивних зрака за које je
утврдио да имају велику продорну моћ, и да не скрећу у магнетном пољу. Ови зраци су названи
у- зрацима. Од тада je познато да природно радиоактивне материје зраче троврсне зраке, који се
међусобно могу раздвајати у јаком магнетном или електричном пољу, и обележавају се са грчки
словима a, (3 и у.
Природна радиоактивност
Мирјана Ракић
где су
M
r
маса родитеља,
М
р
маса потомка и М
е
маса мировања емитованих честица. Дакле,
ослобођена енергија ( кинетичка и електромагнетна) једнака je разлици у маси између језгра
родитеља и свих производа његовог распада.
Јединица радиоактивности je Бекерел ( Bq).
1.1. Алфа честице
Алфа- честице имају кинетичку енергију реда 5 MeV ( тј. ~ 0,13 % њихове тоталне
енергије која износи 110 TJ/kg) и брзину од 15000 m/s. Упркос томе, a- честице се у ваздуху
заустављају на путањи од неколико центиметара.
a- честице које емитују радиоактивни изотопи представљају један од најопаснијих
облика зрачења, уколико се нађу у људском телу. Kao и све тешке наелектрисане честице,а -
честице у густој средини губе енергију на веома малим растојањима од извора. Због тога су у
биолошким системима изузетно деструктивне. С друге стране, спољашње озрачивање
a-
зрацима није штетно, јер честице комплетно зауставља микрометарски танак слој изумрлих
ћелија коже као и неколико центиметара ваздуха. Међутим, ако се извор a- честица унесе у
организам, удисањем, гутањем или продором кроз кожу он постаје озбиљна опасност за
угрожени организам.
Алфа распад je облик радиоактивног распада у којем се атомско језгро, избацивањем алфа
честица, преобраћа у језгро са масеним бројем A, мањим за 4 јединице и наелектрисањем Z
мањим за 2 јединице:
A
z
X-+ZY+
4
2
He
2
На пример распад уранијума (U), се представља следећом нуклеарном реакцијом:
2
l
8
2
U->
23
;
0
Th+
4
2
He
2+
,
или распад радијума (Ra):
2
lRa^
2
ZRn+
4
2
He
2
или:
226
Ra->
222
Rn + a.
a- распад ce y суштини може сматрати цепањем атомског језгра (нуклеарна фисија) где се језгро
родитељ цепа на два потомка од којих je један хелијум. a- распад ce одвија уз помоћ тунел
ефекта. За разлику од р- распада a- распад ce одвија под утицајем јаке силе.
Природна радиоактивност
Мирјана Ракић
Q
Због постојања a- распада, скоро целокупна количина хелијума насталог на Земљи
потиче из наслага минерала који садрже уранијум и торијум, а на површину излази као
нуспроизвод у производњи природног гаса.
1.2. Бета- честице
Сва испитивања су доказала да се Р- зраци понашају слично катодним зрацима. To je
указивало да je и њихова природа иста. Да би доказао сличност р и катодних зра- ка Бекерел je
мерио скретање зрака у електричном и магнетном пољу и на основу тога одредио њихову
брзину и наелектрисање. Каснијим радовима je доказано да су |3- зраци исти као и катодни
зраци струја брзих електрона. Радиоактивни извори емитују (3- честице брзинама које су
приближне брзини светлости. Брзине (3- честица су различите, што зависи од природе
радиоактивног елемента.
Бета- распад je један од радиоактивних распада атомског језгра. Продукт тог распада су
електрон или позитрон и зовемо их бета честице. Р- распад може да буде: бета плус (Р
+
) и бета
минус (P').
Бета плус распад:
Везани протон у језгру почетног атома распадне на неутрон, позитрон и неутрино.
р
+
-> п° +е
+
+
v
e
.
Исти запис са атомима je овакав:
A
7
X^>
7
A
r
Y + e
+
+ v
Z
Z-l
i
пример:
(3
+
- распад се користи у медицини код томографије, где служе при поступку откривања ћелија
рака.
Сл. 1.2. Шема алфа- распада
Природна радиоактивност
Мирјана Ракић
-
9
-
п°
—»
р
+
+е + v
e
.
Што je у атомском запису:
А
Х->
A
Y + е~ +
V
2
Т
Z+l
С
~
V
e
’
Пример:
,
3
;
s
Cs^>
I3
s
7
6
Ba + e- +v
.
55
56
е
СлЈ.З.Шема бета- распада
Све реакције укључују закон о одржању наелектрисања. Значи, пре распада и после
распада количина наелектрисања остаје иста. Слично као и код a- распада, већину кинетичке
енергије при распада преузме (3- честица (електрон).
1.3. Гама честице
За разлику од aи |3- честица, у- зраци представљају електромагнено зрачење малих
таласних дужина. Природа овог зрачења je иста као и природа светлости само je разлика у
таласној дужини и својствима која су тиме условљена. Ови зраци су знатно продорнији од
рендгенских зрака. Могу проћи и кроз оловну плочу дебљине 20 cm. Њихов домет у ваздуху je
много већи од алфа и бета зрака, али им je јонизациона моћ знатно мања. И ови зраци делују на
фотографску плочу. у- честице су најштетније честице, јер имају највећу фреквенцију и тако
леже у крајњем (левом) делу електромагнетног спектра. Најефикаснија заштита су тешки
метали, рецимо олово. у зраци се добијају приликом анихилације
1
.
Гама распад je за разлику од алфа и бета распада мало специфичнији. Овде не долази до
правог распада језгра на друго језгро, већ je у- распад неке врсте емисија у- зрака. При томе
језгро прелази из побуђеног стања у коначно стање са емисијом у- честица, које зовемо фотони.
1
Процес у којем се честица судара са својом античестицом.
