Природна радиоактивност
Драгица Мојсић
-2-
УВОД
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 А 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-
распади спонтана фисија.
Природну радиоактивност је открио крајем прошлог века века француски
физичар Анри Бекерел. Трудећи се да установи узрок флуоресценције односно
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. 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.
Марија Кири је заједно с Пјером Киријем проучавала радиоактивност и других
уранијумових једињења, нпр. руде пехбленде (која се углавном састоји од уранил оксида.
Марија 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, Пјер и Марија 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.
Природна радиоактивност
Драгица Мојсић
-4-
где је
Е
енергија еквивалентна маси
м
, а
ц
брзина светлости у вакууму. У складу са тиме
енергија Е која се ослобађа при радиоактивном распаду једнака је:
Е=
М
Р C
2
- (
М
Р C
2
+
∑ М
Р C
2
)
,
где су
M
r
маса родитеља,
M
p
маса потомка i
M
e
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 радиоактивности је Бекерел (Bq).
1.1
Алфа
честице
Алфа честице имају кинетичку енергију реда 5 MeV (t. j., ≈ 0,13% њихове тоталне
енергије која износи 110 TJ/kg) и брзину од 15.000 km/s. Упркос томе, алфа честице се у
ваздуху заустављају на путањи од неколико сантиметара.
Алфа честице ("алфа зрачење") које емитују радиоактивни изотопи представљају
један од најопаснијих облика зрачења ако се такви изотопи нађу у људском телу. Као и све
тешке нелектрисане честице алфа честице у густој средини губе енергију на врло малим
растојањима од извора. Због тога су у биолошким системима изузетно деструктивне. С
друге стране, спољашње озрачивање „алфа зрацима“ није штетно јер честице комплетно
зауставља микрометарски танак слој изумрлих ћелија коже као и неколико сантиметара
ваздуха. Међутим, ако се извор алфа честица унесе у организам, удисањем, гутањем, или
продором кроз кожу, он постаје озбиљна опасност за угрожени организам.
Алфа распад
је облик радиоактивног распада у којем се атомско
језгро избацивањем алфа честице (атомског језгра хелијума) преобраћа у језгро
са масеним бројем,
А
, мањим за 4 јединице и наелетрисањем,
З
мањим за 2 јединице.
Z
A
X
→
Z
−
2
A
−
4
Y
+
2
4
He
2
+
На пример, распад уранијума (У) се представља нуклеарном реакцијом:
92
238
U
→
90
234
Th
+
2
4
He
2
+
Или распад радијума (Ra):
88
226
Ra
→
86
222
Rn
+
2
4
He
2
+
или:
Природна радиоактивност
Драгица Мојсић
-5-
226
Ra
→
222
Rn
+
α
.
Алфа распад се у суштини може сматрати цепањем атомског језгра (нуклеарна
фисија) где се језгро родитељ цепа на два потомка од којих је један хелијум. Алфа распад
се одвија помоћу тунел ефекта. За разлику од бета распада алфа распад се одвија под
утицајем јаке силе.
Сл. 1.2 Шема алфа-распада
Због постојања алфа 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 (земног) гаса.
1.2
-
Бета честице
Сва испитивања су доказала да се β- зраци понашају слично катодним зрацима. То је
указивало да је и њихова природа иста. Да би доказао сличност β и катодних зрака
Бекерел је мерио скретање зрака у електричном и магнетном пољу и на основу тога
одредио њихову брзину и наелектрисање. Каснијим радовима је доказанода су β- зраци
исти као и катордни зраци струја брзих електрона. Радиоактивни извори емитују β-
честице брзинама које су приближне брзини светлости. Брзине β- честица су разчичите,
што зависи од природне радиоактивног елемента.
Бета- распад је један од радиоактивних распада атомског језгра. Продукт тог распада
су електрони или позитрон и зовемо их бета честице. β- распад може да буде:
бета плус и
бета минус.
Природна радиоактивност
Драгица Мојсић
-7-
Сл. 1.3. Шема бета – распада
Све реакције укључују закон о одржању наелектрисања. Значи, пре распада и после
распада количина наелектрисања остаје иста. Слично као и код α-распада, већину
кинетичке енергије при распаду преузима β-честица (електрон).
1.3
Гама честице
За разлику од α и β – честица, γ – зраци представљају електромагнетно зрачење
малих таласних дужина. Природа овог зрачења је иста као и природа светлости само је
разлика у таласној дужини и својствима која су тиме условљена. Ови зраци су знатно
продорнији од ренгенских зрака. Могу проћи и кроз оловну плочу дебљине 20 цм. Њихов
домет у ваздуху је много већи од алфа и бета зрака, али им је јонизациона моћ знатно
мања. И ови зраци делују на фотографску плочу. γ – честице су најштетније честице, јер
имају највећу фреквенцију и тако леже у крајњем (левом) делу електромагнетног спектра.
Најефикаснија заштита су тешки метали, рецимо олово. γ зраци се добијају приликом
анихилације
1
.
Гама распад
је за разлику од алфа и бета распада мало специфичнији. Овде не
долази до правог распада језгра на друго језгро, већ је γ распад неке врсте емисија γ –
зрака. При томе језгро прелази на из побуђеног стања у коначно стање са емисијом γ –
честица, које зовемо фотони.
1
Процес у којем се честица судара са својом античестицом.
