В последния раздел разглеждахме мащаба на обектите, особено наномащаба, и това, което знаем за атомите и молекулите. Сега, когато разбираме структурата на атомите, по-специално ядрото, можем да изучим някои от по-интересните аспекти на това, което ядрото може да прави.
Един от най-големите клонове на ядрената физика е радиоактивността – естествено явление при определени ядра. Радиоактивността е навсякъде около нас: в почвата, в космоса и дори в нас самите. Ние постоянно сме изложени на радиация, не само когато трябва да правим рентгенова снимка, затова е изключително важно да разберем как тя работи.
В този раздел ще разгледаме откритието на радиоактивността, след това причините за нея и откъде произхожда, и накрая как тя взаимодейства с заобикалящия ни свят.

Радиоактивността е открита през 1896 г. от Анри Бекерел, докато работи с рентгенови лъчи. Смятало се, че материали, съдържащи уран, поглъщат светлина от Слънцето и излъчват рентгенови лъчи. Бекерел планирал експеримент, за да докаже това, използвайки фотографска плака, тъй като рентгеновите лъчи почерняват тези плаки. В деня на експеримента небето е облачно, затова Бекерел приел, че опитът е неуспешен. За щастие, той решил да проявява фотографската плака въпреки всичко и установил, че съединението е излъчило радиация въпреки липсата на слънце, опровергавайки предишната си теория. Следващата му задача е да разбере дали се касае за рентгенови лъчи или за друг вид радиация. За целта поставил източника на радиация в камера с вакуум, магнитно поле и фотографска плака, както е показано на схемата. Рентгеновите лъчи са неутрални и не могат да се огъват в магнитни полета. Но след проявяването на фотографската плака се оказало, че радиацията е отклонена от полето. Когато изпробвал с други източници, намерил радиация, отклонена в обратна посока, или изобщо не отклонена. Това показало, че материята излъчва три вида радиация: неутрална, с положителен и с отрицателен електричен заряд.

Схема на установката на Бекерел: (1) фотографска плака, (2) колиматор, (3) радиоактивен материал, (4) вход на вакуумна помпа, (5) магнитно поле. Авторство на изображението: Золтан Елекеш.

Много учени посветили кариерите си на изследване на това ново явление, включително Мария и Пиер Кюри, открили другите радиоактивни елементи полоний и радий. Ръдърфорд, учениятy, когото вече споменахме като откривател на ядрото на атома, също работил в областта на радиоактивността, изследвайки различните видове източници и техните свойства. Именно Ръдърфорд въвел имената за различните видове: алфа, бета и гама – по буквите на гръцката азбука. Вече споменахме алфа-частиците, когато те са използвани за изследване на вътрешността на златни атоми от Ръдърфорд, но сега ще ги разгледаме по-подробно. Но първо – знаем, че радиоактивността се среща в източници като уранови съединения, но къде другаде може да се намери и какво всъщност представлява?

Знаем, че определени елементи са радиоактивни, а други не. Това означава, че радиоактивността се генерира на атомно ниво, затова трябва да разгледаме атомите, по-специално ядрата, за да разберем по-добре.
Съществуват три вида радиация, произтичащи от радиоактивни атоми: алфа, бета и гама радиация. Това са частици или енергия, излъчвани от ядрото на атома, когато ядрото е нестабилно, или може да се каже, че е разпад на атоми поради нестабилност.
Защо определени атоми са нестабилни, а други не?
Това ще бъде обяснено в по-късен раздел, но засега нека кажем само, че се дължи на броя на нуклоните в ядрото, по-специално съотношението на протони към неутрони. Различните видове радиация се излъчват при различни видове нестабилност. Ето защо различните източници излъчват различна радиация.
Нестабилността не е ограничена само до ядрата. Свободните неутрони се разпадат със средно време на живот около 15 минути, а дори протоните биха могли в крайна сметка да се разпадат, но предсказаният от теорията период на полуразпад в този случай е 10³⁶ години! Така че в човешки мащаб протоните се считат за стабилни.
Сега имаме представа какво всъщност е радиацията и можем да видим къде действително я намираме.

Радиоактивността не е ограничена до онези опасни елементи, за които говорихме, като уран или радий. Те са най-мощните известни ни източници, но радиоактивността е налична в много по-малки количества на много други места. Радиацията, намерена от Бекерел в урана, идва и от скали, от космическото пространство, от въздуха, който дишаме, от водата, която пием, от морето, в което плуваме, и от собствените ни тела.
Може би ще ви изненада да научите, че вие и всички хора, които познавате, сте радиоактивни, и може да си помислите, че това се дължи на модерния технологичен свят – ядрени централи, компютри и медицинско рентгеново изображение – но бихте сбъркали. Докато на Земята съществува живот, всички растения и животни са радиоактивни. Това е неотделима част от историята на живота на Земята. Нека разгледаме по-подробно къде точно е намерена радиоактивността.

Земята

Радиоактивните елементи са навсякъде около нас в земята. Много минерали, особено гранитът, съдържат уранови съединения. Всъщност уранът е толкова разпространен в почвата и скалите, колкото метали като калай, цинк или волфрам. Въпреки това, други радиоактивни съединения са много по-разпространени, например торий, който е около три пъти по-разпространен на Земята от урана. В деветнадесети век, точно преди електрическото осветление да измести газовото, торийовият оксид се е използвал за правене на газовите лампи да светят ярко. В 21-ви век торият би могъл да служи като гориво в ядрени централи.

Изображението показва изобилието на уран в скалите. На него се вижда тежест от 10 кг до три тела с общо тегло 30 милиграма. Това е съотношението на уран към скала в земята.
Така можем да открием уран и други радиоактивни материали в скалите и тази радиация допринася значително за това, което наричаме фонова радиация. Тя е тази, на която сме изложени през целия си живот от нашата среда. Телата ни имат начини да се справят с нея, което ще разберете по-късно.

Картата по-долу показва нивата на фонова радиация в части от Западна Европа (авторство на изображението: World Nuclear Association).
Разликите се дължат предимно на видовете скали, от които е изградена земята в различните страни. Например в югозападна Англия земята е съставена предимно от гранит и фоновата радиация там е по-висока от повечето останали части на страната, където преобладава варовик. В области на централна Франция нивата на радиация са много високи поради радонов газ от скалите. Освен скалите, съществуват и други фактори, допринасящи за фоновата радиация, на която сме изложени.

Космосът

Във Вселената има много източници на различни видове радиация, включително радиогалактики с суперлуминални (видимо по-бързи от светлината) струи, черни дупки и дори само планетите в нашата Слънчева система. Астрономите използват специализирани телескопи, за да търсят тези видове радиация, включително рентгенови и гама-лъчи. Тези източници излъчват във всички посоки и дори радиацията от обекти на стотици хиляди светлинни години разстояние може в крайна сметка да ни достигне. Това, което регистрираме като случайни източници на радиация, се нарича космически лъчи. Всъщност ще измерите повече космически лъчи, колкото по-високо се изкачвате. На върховете на планините ще бъдат открити много повече, отколкото на морското равнище, тъй като там трябва да преминат през по-малко атмосфера.
Космическите лъчи са трудни за избягване и понякога представляват голям проблем за учените. Понякога е необходимо да се измерва много слаба радиоактивност. Това може да се случи при изучаване на много слаби, много далечни гама-източници, излъчващи само малко в нашата посока, или дори при изучаване на разширението на Вселената и придружаващото я микровълново излъчване.

Измерването на много слаба радиоактивност на повърхността на Земята би било безполезно, тъй като тя би бъдела напълно маскирана от изобилните космически лъчи. Затова някои експерименти се провеждат в дълбоки мини на дълбочина около миля под земята, като винаги се помни да се избягва гранит с много уран, разбира се. Един такъв експеримент изисква подобни условия при детектирането на тип фундаментална частица, която ще се появи по-нататък, наречена неутрино.

Изображението вдясно показва детектор за неутрино, ситуиран на 1,4 км под върха на планината, в Италия.

Морска вода

Докато реките текат над скалите и почвата, те носят всякакви разтворени соли. С течение на времето, докато водата се изпарява на слънце, солите се концентрират. Тъй като повечето скали съдържат малко уран, не е изненадващо, че моретата съдържат уранови соли. Това прави морето донякъде радиоактивно, и не само заради урана, но и защото сред другите вещества се съдържа ⁴⁰K (произнася се калий-40). Тази форма на калий е основното вещество, което прави телата ни радиоактивни.
Средно морската вода съдържа около три милиграма уран на всеки хиляда литра, тоест на всеки кубичен метър. Не много, може би, но се казва, че ако разходите за добив на уран от морето могат да бъдат намалени до около една десета от настоящите, уранът би могъл да бъде добиван от морето с печалба! Ако настоящите източници на уран се изчерпят, ядрените централи наистина биха могли да работят с уран, добит от морска вода.

Във въздуха

Въздухът, който дишаме, съдържа малко количество радиоактивна форма на въглерод, известна като ¹⁴C (произнася се „въглерод-четиринадесет"; ще видите ¹⁴C написано като въглерод-14 в някои книги). Въглерод-14 атомите са резултат от взаимодействията на космическите лъчи в атмосферата. Космическите лъчи претърпяват много трансформации, включително производство на топлинни неутрони. Тези неутрони взаимодействат с азот-14 атомите в атмосферата в ядрена реакция, която произвежда въглерод-14 атоми и протони. Тези въглеродни атоми след това произвеждат молекули на въглероден диоксид, които растенията извличат от въздуха за фотосинтеза и производство на захар и целулоза, като по този начин поглъщат въглерод-14. Той след това преминава към нас, когато ядем растенията, или дори когато ядем животни, хранели се с тези растения. Фактът, че всички живи същества поглъщат въглерод-14 до деня на смъртта си, може да се използва за датиране на останките на живи организми, намирали се в земята в продължение на стотици или хиляди години. Този процес изисква осмисляне на периода на полуразпад на радиоактивните атоми, което ще бъде разгледано по-късно.

В нас

Всеки ден храната, която ядем, съдържа два или три грама калий. Това означава, че за всеки килограм телесно тегло около 50 калиеви атома се разпадат и излъчват радиоактивни частици в телата ни всяка секунда! Помнете също, че когато ядем растения (или животни, хранели се с растения), ние поглъщаме въглерод-14 атоми, които също са радиоактивни. Ще има и следи от други радиоактивни елементи, дори уран. Ако се случи да погълнете малко морска вода на плажа, ще приемете малко количество уран, тъй като всяка морска вода съдържа известен уран.
Вече обсъдихме как космическите лъчи произвеждат въглерод-14, използван за производство на въглехидрати, когато се поглъщат от растенията, а следователно и от животните, и от нас. Въглерод-14 е влязъл в хранителната верига и всички живи същества могат да бъдат изложени на него.

Големите дози радиоактивност могат да бъдат смъртоносни и хиляди хора загинаха от радиация в резултат на ядрените бомби, хвърлени върху Япония през 1945 г. По-наскоро, през 1986 г., 28 души бяха убити от радиация, когато ядрената централа в Чернобил, Украйна, избухна. Можете да прочетете повече по тези теми в раздела „Ползи и рискове" и в раздела „История".
Количествата радиация, за които е известно, че увреждат здравето, са далеч по-големи от фоновата радиация от космически лъчи, скали и т.н. Всяка от нашите клетки, която може да бъде увредена от тези източници, може да се поправи, тъй като само малко от тях ще бъдат засегнати. При по-големи дози радиация голям брой клетки са увредени извън възможността за поправяне, което е причина тя да бъде опасна.
Знаем, че растенията и животните живеят и еволюират с радиоактивността от милиарди години. Така че дали радиоактивността е опасна зависи от количеството, което получаваме. Дори твърде много обикновена сол може да убие хора, затова хората, пропаднали в открития океан, могат да умрат от жажда! Казват, че прекалено много от всичко е лошо.
Как знаем колко радиация е „твърде много"? Първо трябва да разберем различните видове радиация и колко опасен е всеки от тях. Ще разберем на какво ниво радиацията трябва да бъде, за да бъде опасна, в нашия раздел за активност и взаимодействие с материята.

В предишния раздел разбрахме какво всъщност е радиоактивността: това е разпадът на нестабилни атоми и последващото излъчване на частица или енергия. Сега ще разгледаме какво прави атома нестабилен и какви видове радиация съществуват.

Изотопи

Знаем, че атомите се състоят от ядро, изградено от протони и неутрони, с електрони, обикалящи около ядрото. Знаем също, че атомите са електрически неутрални, докато йоните, загубили или придобили електрони, са заредени. Ключът към разбирането на радиоактивността се крие в изотопите.
Говорили сме за това, че въглерод-14 е радиоактивен, докато обикновеният въглерод-12 не е. Как се различава въглерод-14 от въглерод-12? Разликата е в ядрата им. За да бъдат и двата атома въглерод, те трябва да имат един и същ брой протони, тоест един и същ атомен номер. Именно това прави един елемент такъв, какъвто е. Ако променим броя на електроните, атомът само се превръща в йон. Следователно трябва да променим броя на неутроните. Казваме, че въглерод-14 е изотоп на въглерод-12, и само има разлика в наличието на два допълнителни неутрона в ядрото, тоест различна маса, но същият елемент като цяло.
Съществуват много изотопи на всеки елемент. Известен пример е деутерият – изотоп на водорода с един неутрон и един протон. Той може да се използва за производство на тежка вода, която има много интересни приложения, включително за детектиране на неутрино и за забавяне в ядрени реактори.
Нестабилните изотопи често са много полезни в медицинските процедури и могат да се използват безопасно поради краткото им времетраене преди разпад. Проблемът е, че тези вещества не могат да се намерят естествено на Земята и следователно трябва да се произвеждат в болниците в машини, наречени циклотрони, които ускоряват атоми до изключително голяма скорост по кръгова траектория с помощта на електромагнити. Циклотроните са налични в много различни размери в зависимост от употребата и произвеждания изотоп. В машините ядрата се сблъскват с заредени частици и се произвежда необходимият радиоизотоп. Терминът „радиоизотоп" се използва за изотопи, които са нестабилни и радиоактивни.
Най-стабилните версии на елементите са онези, изброени в периодичната таблица – тоест онези, които намираме естествено и най-разпространени. Те обаче са разпространени именно поради стабилността си; нестабилните изотопи са се разпаднали в по-стабилни елементи, оставяйки стабилните версии. Какво прави един изотоп по-стабилен от друг?

Стабилност

В раздела за ядрата накратко споменахме, че нуклоните се задържат заедно от силното взаимодействие, което преодолява електростатичното отблъскване между протоните. Това е ключът към разбирането на стабилността на ядрата. И неутроните, и протоните са засегнати от силното взаимодействие, но само протоните се отблъскват взаимно, следователно неутроните укрепват силата, задържаща ядрото заедно, без да добавят към електростатичното отблъскване.
Може да мислите, че колкото повече неутрони има едно ядро, толкова по-стабилно трябва да е то след онова, което току-що обсъдихме. Но това не е така. Ядрата са стабилни само за определен диапазон от съотношения неутрони към протони – около 1–1,6. Извън тези съотношения ядрото ще бъде нестабилно и ще се разпадне. Например азотът е стабилен и има съотношение 1: 7 неутрона и 7 протона. В другия край на диапазона оловото, което също е стабилно, има 82 протона и 126 неутрона, с коефициент 1,54. Графика, показваща областта на стабилност съгласно броя на протоните и неутроните, е показана по-долу, където Z е броят на протоните в ядрото, N е броят на неутроните, A=Z+N е броят на нуклоните, а двете криви съответстват на (1) стабилни ядра, (2) линия P=N. Авторство на графиката: Золтан Елекеш.

Освен това са споменати три механизма на разпад в зависимост от това къде се намира ядрото на тази графика. Ако едно ядро е с дефицит на протони, то ще претърпи бета-разпад. Ако обаче е с дефицит на неутрони, то ще се разпадне по обратния начин – позитронен (известен също като бета-плюс) разпад. Алтернатива е процесът, наречен електронен захват, при което ядрото „поглъща" електрон и се получава същият резултат като при бета-плюс разпад. При много масивни ядра е изгодно да загубят маса при разпад, тъй като по принцип по-леките ядра са много по-стабилни, затова тези ядра се разпадат, излъчвайки алфа частици (два протона и два неутрона). Когато атомите претърпят бета или алфа разпад, те променят броя на протоните в ядрото, като по този начин променят самия елемент – процес, наречен трансмутация. Може би сте чували за изследването, което учените са провеждали преди да разберем елементите – алхимия. Онези учени са се опитвали да превърнат другите вещества в различни елементи, главно злато – което по същество е трансмутация и това, което всяко нестабилно ядро прави, понякога многократно, преди да стане стабилно. Всеки от механизмите на разпад ще бъде разгледан по-подробно в следващия раздел.

Енергия на свързване

Много важен аспект на ядрената физика е енергията на свързване. Съществуват няколко вида енергия на свързване, но за нашите цели ще разгледаме ядрената енергия на свързване. Това е количеството енергия, което трябва да се внесе в ядрото, за да могат нуклоните да преодолеят привличането си и да бъдат разделени на отделни нуклони. Енергията на свързване на цялото ядро е по-ниска от сумата на енергиите на съставните му части – това е друг начин, по който ядрото се задържа заедно. Енергетически е по-изгодно (т.е. енергията е по-ниска) нуклоните да се обединят и да останат в ядра, отколкото да са разделени. Едно понятие в тази насока е енергията на свързване на нуклон.

Съществува ограничение за масата на ядрото, при което силното взаимодействие вече не е в състояние да задържи най-външните нуклони. Най-голямото известно ядро е това на урана, което има 238 нуклона. Но дори това ядро е силно нестабилно, тъй като знаем, че уранът е радиоактивен и следователно трябва да претърпи разпад.
Алфа разпадът позволява на ядрото да загуби маса за подобряване на стабилността чрез излъчване на алфа частица, или хелиево ядро. Излъчващото ядро ще загуби четири нуклона – два протона и два неутрона, и ще претърпи трансмутация поради загубата на протони. Това са алфа частиците, използвани в разсейващия експеримент на Ръдърфорд за изследване на атомите.
Казахме, че алфа разпадът намалява масата, но е осъществим само когато енергията на свързване на нуклон не е в минимум, тоест за елементи с ядра, по-тежки от никела; обаче е наблюдаван действително само при най-масивните ядра на елемент телур и по-горе. Алфа разпадът е пример за процес, наречен „квантово тунелиране". Ядрото на атома създава яма на потенциална енергия, както е показано на диаграмата, която улавя алфа частицата, вече съществуваща вътре в ядрото.

Енергията на частицата трябва да бъде по-голяма от височината на ямата, за да може частицата да излезе от ядрото. В класическата механика алфа разпадът не би бил възможен, тъй като алфа частиците никога не биха могли да напуснат ядрото. Квантовата механика обаче допуска това тунелиране – съществува малка статистическа вероятност алфа частицата да може да съществува извън ямата, и така тя може да тунелира през бариерата и да се появи извън ядрото.

Едно от първите характеристики, използвани за разграничаване между видовете радиация, е колко материал тя може да проникне. Алфа частиците са масивни и имат сравнително ниски скорости, затова е много вероятно да взаимодействат с всяка частица, с която влязат в контакт. Това означава, че могат да проникнат само на няколко сантиметра в атмосферата или през тънък лист хартия или алуминий.
Съществуват много алфа-източници, един от най-известните е уранът. Уранът се разпада, излъчвайки алфа частица (α) и се трансмутира в торий, както е показано от уравнението по-долу:

²³⁸U → ²³⁴Th + α

Това е само първата стъпка в разпада на урана, тъй като той трябва да премине през много други етапи, преди да стане напълно стабилен.