Η τελευταία ενότητα που εξετάσαμε αφορούσε την κλίμακα των αντικειμένων, ειδικά τη νανοκλίμακα και τι γνωρίζουμε για τα άτομα και τα μόρια. Τώρα που κατανοούμε τη δομή των ατόμων, και ιδιαίτερα του πυρήνα, μπορούμε να μελετήσουμε μερικές από τις πιο ενδιαφέρουσες πτυχές του τι μπορεί να κάνει ο πυρήνας.
Ένας από τους μεγαλύτερους κλάδους της μελέτης της πυρηνικής φυσικής είναι η ραδιενέργεια, ένα φυσικό φαινόμενο ορισμένων πυρήνων. Η ραδιενέργεια βρίσκεται παντού γύρω μας· στο έδαφος, στο διάστημα και ακόμα και μέσα μας. Εκτιθέμεθα συνεχώς σε ακτινοβολία, όχι μόνο όταν χρειάζεται να κάνουμε ακτινογραφία, οπότε είναι ζωτικής σημασίας να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί.
Σε αυτή την ενότητα θα συζητήσουμε την ανακάλυψη της ραδιενέργειας, και στη συνέχεια θα δούμε τι την προκαλεί και από πού προέρχεται, και τέλος πώς αλληλεπιδρά με τον κόσμο γύρω μας.

Η ραδιενέργεια ανακαλύφθηκε το 1896 από τον Henri Becquerel ενώ εργαζόταν με ακτίνες Χ. Πιστευόταν ότι τα υλικά που περιέχουν ουράνιο απορροφούσαν φως από τον Ήλιο και εξέπεμπαν ακτίνες Χ. Ο Becquerel είχε σχεδιάσει ένα πείραμα για να το αποδείξει αυτό χρησιμοποιώντας μια φωτογραφική πλάκα, καθώς ήταν γνωστό ότι οι ακτίνες Χ μαύριζαν αυτές τις πλάκες. Την ημέρα του πειράματος, ο ουρανός ήταν συννεφιασμένος, οπότε ο Becquerel υπέθεσε ότι το πείραμα είχε αποτύχει. Ευτυχώς, αποφάσισε να εμφανίσει τη φωτογραφική πλάκα ούτως ή άλλως και διαπίστωσε ότι η ένωση είχε εκπέμψει ακτινοβολία παρά την απουσία ηλίου, διαψεύδοντας την προηγούμενη θεωρία του. Το επόμενο βήμα ήταν να ανακαλύψει αν επρόκειτο για ακτίνες Χ ή κάποια άλλη μορφή ακτινοβολίας. Για να το κάνει αυτό, τοποθέτησε την πηγή ακτινοβολίας σε θάλαμο κενού με παρόν μαγνητικό πεδίο και μια φωτογραφική πλάκα, όπως φαίνεται στο διάγραμμα. Οι ακτίνες Χ είναι γνωστό ότι είναι ουδέτερες, οπότε δεν μπορούν να εκτραπούν σε μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, μετά την εμφάνιση της φωτογραφικής πλάκας, αποδείχθηκε ότι η ακτινοβολία είχε κυρτωθεί από το πεδίο. Όταν δοκίμασε με άλλες πηγές, βρήκε ακτινοβολία που εκτρεπόταν προς την αντίθετη κατεύθυνση, ή καθόλου. Αυτό έδειξε ότι υπήρχαν τρεις τύποι ακτινοβολίας που εκπέμπονται από την ύλη: ουδέτερη, και με θετικά ή αρνητικά ηλεκτρικά φορτία.

Σχηματικό διάγραμμα της ρύθμισης του Becquerel: (1) φωτογραφική πλάκα, (2) διακριτής, (3) ραδιενεργό υλικό, (4) εισαγωγή αντλίας κενού, (5) μαγνητικό πεδίο. Εύσημα εικόνας: Zoltán Elekes.

Πολλοί επιστήμονες αφιέρωσαν την καριέρα τους στην έρευνα αυτού του νέου φαινομένου, συμπεριλαμβανομένων της Marie και του Pierre Curie, που ανακάλυψαν τα άλλα ραδιενεργά στοιχεία του πολωνίου και του ραδίου. Ο Rutherford, ο επιστήμονας για τον οποίο έχουμε ήδη μιλήσει ως υπεύθυνο για την ανακάλυψη των πυρήνων των ατόμων, εργάστηκε επίσης στη ραδιενέργεια, διερευνώντας τους διαφορετικούς τύπους πηγών και τις ιδιότητές τους. Ήταν ο Rutherford που επινόησε τα ονόματα για τους διαφορετικούς τύπους: άλφα, βήτα και γάμα, από τα γράμματα του ελληνικού αλφαβήτου. Έχουμε ήδη αναφέρει τα σωματίδια άλφα, όταν χρησιμοποιήθηκαν για να ανιχνεύσουν το εσωτερικό χρυσών ατόμων από τον Rutherford, αλλά τώρα θα τα εξετάσουμε πιο λεπτομερώς. Αλλά πρώτα, γνωρίζουμε ότι μπορούμε να βρούμε ραδιενέργεια σε πηγές όπως οι ενώσεις ουρανίου, αλλά πού αλλού θα τη βρείτε και τι είναι;

Γνωρίζουμε ότι ορισμένα στοιχεία είναι ραδιενεργά, ενώ άλλα δεν είναι. Αυτό υπονοεί ότι η ραδιενέργεια παράγεται σε ατομικό επίπεδο, οπότε πρέπει να εξετάσουμε τα άτομα, ιδιαίτερα τους πυρήνες, για να το κατανοήσουμε καλύτερα.
Υπάρχουν τρεις τύποι ακτινοβολίας που προκύπτουν από ραδιενεργά άτομα: ακτινοβολία άλφα, βήτα και γάμα. Αυτά είναι σωματίδια ή ενέργεια που εκπέμπονται από τον πυρήνα του ατόμου όταν ο πυρήνας είναι ασταθής, ή μπορεί να λέγεται ότι είναι η διάσπαση των ατόμων λόγω αστάθειας.
Γιατί, λοιπόν, ορισμένα άτομα είναι ασταθή και άλλα όχι;
Αυτό θα εξηγηθεί σε μεταγενέστερη ενότητα, αλλά για την ώρα ας πούμε απλώς ότι οφείλεται στον αριθμό των νουκλεονίων στον πυρήνα, ιδιαίτερα στη αναλογία πρωτονίων προς νετρόνια. Οι διαφορετικοί τύποι ακτινοβολίας εκπέμπονται για διαφορετικούς τύπους αστάθειας. Γι' αυτό διαφορετικές πηγές εκπέμπουν διαφορετική ακτινοβολία.
Η αστάθεια δεν περιορίζεται στους πυρήνες. Τα ελεύθερα νετρόνια διασπώνται με μέσο χρόνο ζωής περίπου 15 λεπτών, και ακόμη και τα πρωτόνια θα μπορούσαν να διασπαστούν τελικά, ωστόσο ο χρόνος ημιζωής που προβλέπει η θεωρία σε αυτή την περίπτωση είναι 10³⁶ χρόνια! Άρα σε ανθρώπινες κλίμακες, τα πρωτόνια θεωρούνται σταθερά.
Τώρα που έχουμε μια ιδέα για το τι είναι η ακτινοβολία, μπορούμε να δούμε πού στην πραγματικότητα τη βρίσκουμε.

Η ραδιενέργεια δεν περιορίζεται σε εκείνα τα επικίνδυνα στοιχεία που έχουμε συζητήσει, όπως το ουράνιο ή το ράδιο. Αυτές είναι οι ισχυρότερες πηγές που γνωρίζουμε, αλλά η ραδιενέργεια είναι παρούσα σε πολύ μικρότερες ποσότητες σε πολλά άλλα μέρη. Η ακτινοβολία που βρήκε ο Becquerel να προέρχεται από το ουράνιο προέρχεται επίσης από βράχους, από το διάστημα, από τον αέρα που αναπνέουμε, το νερό που πίνουμε, τη θάλασσα που κολυμπάμε και τα σώματά μας.
Μπορεί να σας εκπλήξει να μάθετε ότι εσείς και όλοι όσοι γνωρίζετε είστε ραδιενεργοί, και μπορεί ακόμη να νομίζετε ότι αυτό θα μπορούσε να οφείλεται στον σύγχρονο τεχνολογικό κόσμο που έχουμε αναπτύξει, με πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας και υπολογιστές και ιατρική απεικόνιση ακτίνων Χ, ωστόσο θα κάνατε λάθος. Από τότε που υπάρχει ζωή στη Γη, όλα τα φυτά και τα ζώα ήταν ραδιενεργά. Είναι μέρος της ιστορίας της ζωής στη γη. Ας εξετάσουμε λοιπόν πού ακριβώς έχουμε βρει ραδιενέργεια πιο λεπτομερώς.

Το Έδαφος

Ραδιενεργά στοιχεία βρίσκονται παντού γύρω μας στη γη. Πολλά ορυκτά, ιδίως ο γρανίτης, περιέχουν μερικές ενώσεις ουρανίου. Στην πραγματικότητα, το ουράνιο είναι περίπου τόσο άφθονο στο έδαφος και στα βράχια όσο τα μέταλλα όπως ο κασσίτερος, ο ψευδάργυρος ή το βολφράμιο. Ωστόσο, άλλες ραδιενεργές ενώσεις είναι πολύ πιο κοινές, όπως το θόριο, που είναι περίπου τρεις φορές πιο άφθονο στη Γη από το ουράνιο. Τον δέκατο ένατο αιώνα, λίγο πριν ο ηλεκτρικός φωτισμός αντικαταστήσει το φωτισμό με γκάζι, το οξείδιο του θορίου χρησιμοποιούνταν για να κάνει τους λαμπτήρες γκαζιού να λάμπουν έντονα. Τον 21ο αιώνα, το θόριο θα μπορούσε κάλλιστα να αποτελέσει καύσιμο σε πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας.

Η εικόνα δείχνει την αφθονία του ουρανίου στα βράχια. Δείχνει ένα βάρος 10 κιλών δίπλα σε τρία σύρματα με συνολικό βάρος 30 χιλιοστόγραμμων. Αυτή είναι η αναλογία ουρανίου προς βράχο στη γη.
Έτσι μπορούμε να ανιχνεύσουμε ουράνιο και άλλα ραδιενεργά υλικά στα βράχια, και αυτή η ακτινοβολία συνεισφέρει σε μεγάλο βαθμό σε αυτό που ονομάζουμε φυσική ακτινοβολία υποβάθρου. Αυτή είναι η ακτινοβολία στην οποία εκτιθέμεθα όλη τη ζωή μας από το περιβάλλον μας. Τα σώματά μας έχουν τρόπους αντιμετώπισης αυτής της ακτινοβολίας, όπως θα ανακαλύψετε αργότερα.

Ο παρακάτω χάρτης δείχνει τα επίπεδα ακτινοβολίας υποβάθρου σε μέρη της Δυτικής Ευρώπης (εύσημα εικόνας: World Nuclear Association).
Οι διαφορές οφείλονται κυρίως στους τύπους βράχου από τον οποίο αποτελείται το έδαφος σε κάθε χώρα. Για παράδειγμα, στα νοτιοδυτικά της Αγγλίας, το έδαφος αποτελείται κυρίως από γρανίτη και έτσι η ακτινοβολία υποβάθρου σε αυτή την περιοχή είναι υψηλότερη από το μεγαλύτερο μέρος της υπόλοιπης χώρας, που αποτελείται από ασβεστόλιθο. Περιοχές της κεντρικής Γαλλίας έχουν πολύ υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας λόγω αερίου ραδονίου από τους βράχους. Εκτός από τους βράχους, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που συμβάλλουν στην ακτινοβολία υποβάθρου στην οποία εκτιθέμεθα.

Το Διάστημα

Στο Σύμπαν υπάρχουν πολλές πηγές πολλών τύπων ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένων ραδιογαλαξιών με υπερφωτεινούς (φαινομενικά ταχύτεροι από την ταχύτητα του φωτός) πίδακες, μαύρες τρύπες και ακόμα και τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν εξειδικευμένα τηλεσκόπια για να αναζητήσουν αυτούς τους τύπους ακτινοβολίας, που περιλαμβάνουν ακτίνες Χ και ακτίνες γάμα. Αυτές οι πηγές εκπέμπουν προς όλες τις κατευθύνσεις και ακόμη και η ακτινοβολία από αντικείμενα που βρίσκονται εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός μακριά μπορεί τελικά να φτάσει σε εμάς. Αυτό που εντοπίζουμε ως διαφυγούσες πηγές ακτινοβολίας ονομάζεται κοσμική ακτινοβολία. Στην πραγματικότητα θα μετρήσετε περισσότερες κοσμικές ακτίνες όσο πιο ψηλά ανεβείτε. Στην κορυφή των βουνών, πολύ περισσότερες θα εντοπιστούν από ό,τι στην επιφάνεια της θάλασσας, καθώς πρέπει να διανύσουν λιγότερη ατμόσφαιρα.
Οι κοσμικές ακτίνες είναι δύσκολο να αποφευχθούν και είναι μερικές φορές μεγάλη ενόχληση για τους επιστήμονες. Κάποιες φορές είναι απαραίτητο να μετρηθεί πολύ αμυδρή ραδιενέργεια. Αυτό θα μπορούσε να συμβαίνει κατά τη μελέτη πολύ αμυδρών, πολύ μακρινών πηγών γάμα, που εκπέμπουν μόνο μια μικρή ποσότητα προς την κατεύθυνσή μας, ή ακόμη και κατά τη μελέτη της διαστολής του σύμπαντος και της μικροκυματικής ακτινοβολίας που τη συνοδεύει.

Θα ήταν μάταιο να μετρηθεί πολύ αμυδρή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης, καθώς θα καλυπτόταν εντελώς από την άφθονη κοσμική ακτινοβολία. Γι' αυτό μερικά πειράματα βρίσκονται σε βαθιά ορυχεία ενός μιλίου ή και παραπάνω υπόγεια, θυμούμενοι πάντα να αποφεύγουμε τον γρανίτη με πολύ ουράνιο, φυσικά. Ένα πείραμα που απαιτεί τέτοια μέτρα είναι η ανίχνευση ενός τύπου θεμελιώδους σωματιδίου, που θα εμφανιστεί αργότερα, και ονομάζεται νετρίνο.

Η εικόνα στα δεξιά δείχνει έναν ανιχνευτή νετρίνων που βρίσκεται 1,4 χιλιόμετρα κάτω από την κορυφή ενός βουνού, στην Ιταλία.

Θαλασσινό Νερό

Καθώς τα ποτάμια ρέουν πάνω από τους βράχους και τα εδάφη, μεταφέρουν μαζί τους κάθε είδους διαλυμένα άλατα στο νερό. Με τον καιρό, καθώς το νερό εξατμίζεται στον ήλιο, τα άλατα συγκεντρώνονται. Δεδομένου ότι τα περισσότερα βράχια περιέχουν κάποιο ουράνιο, δεν είναι περίεργο που οι θάλασσες περιέχουν επίσης άλατα ουρανίου. Αυτό κάνει τη θάλασσα κάπως ραδιενεργή, και όχι μόνο λόγω του ουρανίου, αλλά μεταξύ άλλων ουσιών υπάρχει ⁴⁰K (που προφέρεται κάλιο-40) επίσης. Αυτή η μορφή καλίου είναι η κύρια ουσία που κάνει τα σώματά μας ραδιενεργά.
Κατά μέσο όρο, το θαλασσινό νερό περιέχει περίπου τρία χιλιοστόγραμμα ουρανίου σε κάθε χίλια λίτρα, δηλαδή κάθε κυβικό μέτρο. Ίσως όχι πολύ, αλλά λέγεται ότι αν το κόστος εξαγωγής ουρανίου από τη θάλασσα μπορούσε να μειωθεί στο ένα δέκατο περίπου της σημερινής τιμής, τότε το ουράνιο θα μπορούσε να εξορυχθεί από τη θάλασσα με κέρδος! Αν οι υπάρχουσες πηγές ουρανίου εξαντληθούν ποτέ, οι πυρηνικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας θα μπορούσαν πράγματι να λειτουργούν με ουράνιο εξαγόμενο από θαλασσινό νερό.

Στον αέρα

Ο αέρας που αναπνέουμε περιέχει μια μικρή ποσότητα μιας ραδιενεργής μορφής άνθρακα, γνωστής ως ¹⁴C (που προφέρεται 'άνθρακας-δεκατέσσερα'· θα δείτε ¹⁴C γραμμένο ως άνθρακας-14 σε μερικά βιβλία). Τα άτομα άνθρακα-14 είναι αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα. Οι κοσμικές ακτίνες υπόκεινται σε πολλούς μετασχηματισμούς, που μπορεί να περιλαμβάνουν την παραγωγή θερμικών νετρονίων. Αυτά τα νετρόνια αλληλεπιδρούν με τα άτομα αζώτου-14 στην ατμόσφαιρα σε μια πυρηνική αντίδραση που παράγει άτομα άνθρακα-14 και πρωτόνια. Αυτά τα άτομα άνθρακα προχωρούν στη συνέχεια να παράγουν μόρια διοξειδίου του άνθρακα, τα οποία τα φυτά εξάγουν από τον αέρα για να φωτοσυνθέσουν και να παράγουν ζάχαρη και κυτταρίνη, απορροφώντας έτσι τον άνθρακα-14 στη διαδικασία. Αυτός μεταφέρεται στη συνέχεια σε εμάς όταν τρώμε τα φυτά, ή ακόμη και όταν τρώμε ζώα που έχουν φάει αυτά τα φυτά. Το γεγονός ότι όλα τα έμβια όντα λαμβάνουν άνθρακα-14 μέχρι την ημέρα θανάτου τους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χρονολόγηση των καταλοίπων έμβιων όντων που βρίσκονταν στο έδαφος για εκατοντάδες ή χιλιάδες χρόνια. Αυτή η διαδικασία απαιτεί να σκεφτόμαστε τον χρόνο ημιζωής των ραδιενεργών ατόμων, ο οποίος θα καλυφθεί αργότερα.

Μέσα μας

Κάθε μέρα η τροφή που τρώμε περιέχει δύο ή τρία γραμμάρια καλίου. Αυτό σημαίνει ότι, για κάθε κιλό σωματικού βάρους, περίπου 50 άτομα καλίου διασπώνται και εκπέμπουν ραδιενεργά σωματίδια στα σώματά μας κάθε δευτερόλεπτο! Επίσης να θυμόμαστε ότι όταν τρώμε φυτά (ή ζώα που έχουν φάει φυτά) απορροφούμε άτομα άνθρακα-14 που είναι επίσης ραδιενεργά. Θα υπάρχουν επίσης ίχνη άλλων ραδιενεργών στοιχείων, ακόμα και ουρανίου. Αν τύχει να καταπιείτε λίγο θαλασσινό νερό στην παραλία, θα προσλάβετε μια μικρή ποσότητα ουρανίου, καθώς όλο το θαλασσινό νερό περιέχει κάποιο ουράνιο.
Έχουμε ήδη συζητήσει πώς οι κοσμικές ακτίνες παράγουν άνθρακα-14, που χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδατανθράκων όταν εισέρχεται σε φυτά και επομένως σε ζώα και εμάς. Ο άνθρακας-14 έχει στη συνέχεια εισέλθει στην τροφική αλυσίδα και όλα τα έμβια όντα μπορεί να εκτεθούν σε αυτόν.

Μεγάλες δόσεις ραδιενέργειας μπορεί να είναι θανατηφόρες και χιλιάδες άνθρωποι πέθαναν από ακτινοβολία ως αποτέλεσμα των πυρηνικών βομβών που έπεσαν στην Ιαπωνία το 1945. Πιο πρόσφατα, το 1986, 28 άνθρωποι σκοτώθηκαν από ακτινοβολία όταν ο πυρηνικός σταθμός παραγωγής ενέργειας Τσερνόμπιλ στην Ουκρανία εξερράγη. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για αυτά τα θέματα στην ενότητα Οφέλη και Κίνδυνοι και στην ενότητα Ιστορία.
Οι ποσότητες ακτινοβολίας που είναι γνωστό ότι βλάπτουν την υγεία είναι πολύ μεγαλύτερες από την ακτινοβολία υποβάθρου των κοσμικών ακτίνων, των βράχων κ.λπ. Οποιαδήποτε από τα κύτταρά μας που μπορεί να υποστούν βλάβη από αυτές τις πηγές μπορούν να αυτοεπισκευαστούν, καθώς μόνο λίγα θα υποστούν βλάβη. Για μεγαλύτερες δόσεις ακτινοβολίας, μεγάλος αριθμός κυττάρων υφίσταται βλάβη πέρα από αποκατάσταση, και αυτός είναι ο λόγος που μπορεί να είναι επικίνδυνη.
Γνωρίζουμε ότι φυτά και ζώα έχουν ζήσει και εξελιχθεί με ραδιενέργεια για δισεκατομμύρια χρόνια. Επομένως, αν η ραδιενέργεια είναι επικίνδυνη εξαρτάται από το πόσο λαμβάνουμε. Ακόμα και πάρα πολύ κοινό αλάτι μπορεί να σκοτώσει ανθρώπους, γι' αυτό άνθρωποι που επιπλέουν στον ωκεανό μπορεί να πεθάνουν από δίψα! Όπως λένε, το υπερβολικό οτιδήποτε είναι κακό.
Πώς λοιπόν γνωρίζουμε πόση ακτινοβολία είναι "υπερβολική"; Πρώτα χρειάζεται να κατανοήσουμε τους διάφορους τύπους ακτινοβολίας και πόσο επικίνδυνος είναι καθένας. Θα ανακαλύψουμε το επίπεδο ακτινοβολίας στο οποίο πρέπει να βρίσκεται για να είναι επικίνδυνη στην ενότητά μας για την ενεργότητα και την αλληλεπίδραση με την ύλη.

Μάθαμε τι είναι η ραδιενέργεια στην προηγούμενη ενότητα: είναι η διάσπαση ασταθών ατόμων και η επακόλουθη εκπομπή ενός σωματιδίου ή ενέργειας. Τώρα θα εξετάσουμε τι κάνει ένα άτομο ασταθές και ποιοι τύποι ακτινοβολίας υπάρχουν.

Ισότοπα

Γνωρίζουμε ότι τα άτομα αποτελούνται από έναν πυρήνα φτιαγμένο από πρωτόνια και νετρόνια με ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα. Γνωρίζουμε επίσης ότι τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, ενώ τα ιόντα, που έχουν χάσει ή αποκτήσει ηλεκτρόνια, είναι φορτισμένα. Το κλειδί για την κατανόηση της ραδιενέργειας βρίσκεται στα ισότοπα.
Έχουμε μιλήσει για τον άνθρακα-14 που είναι ραδιενεργός, ενώ ο κανονικός άνθρακας-12 δεν είναι. Πώς λοιπόν διαφέρει ο άνθρακας-14 από τον άνθρακα-12; Η διαφορά βρίσκεται στους πυρήνες τους. Για να είναι και τα δύο άτομα θεμελιωδώς άνθρακας πρέπει να έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, ή τον ίδιο ατομικό αριθμό. Αυτό είναι που κάνει ένα στοιχείο αυτό που είναι. Αν αλλάξουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων που έχει το άτομο, απλώς μετατρέπει το άτομο σε ιόν. Επομένως πρέπει να αλλάξουμε τον αριθμό των νετρονίων. Έτσι λέμε ότι ο άνθρακας-14 είναι ισότοπο του άνθρακα-12, και απλώς έχει διαφορά δύο επιπλέον νετρονίων στον πυρήνα, άρα διαφορετική μάζα αλλά το ίδιο στοιχείο συνολικά.
Υπάρχουν πολλά ισότοπα κάθε στοιχείου. Ένα διάσημο παράδειγμα είναι το δευτέριο, ένα ισότοπο υδρογόνου με ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή βαρέος νερού, που έχει πολλές ενδιαφέρουσες χρήσεις συμπεριλαμβανομένης της ανίχνευσης νετρίνων και της μέτρησης πυρηνικών αντιδραστήρων.
Τα ασταθή ισότοπα είναι συχνά πολύ χρήσιμα σε ιατρικές διαδικασίες, και μπορεί να χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια λόγω των μικρών χρόνων ζωής τους πριν διασπαστούν. Ένα πρόβλημα με αυτό είναι ότι αυτές οι ουσίες δεν μπορούν να βρεθούν φυσικά στη Γη και επομένως πρέπει να κατασκευαστούν στα νοσοκομεία σε μηχανές που ονομάζονται κυκλότρονα, που επιταχύνουν άτομα σε εξαιρετικά μεγάλες ταχύτητες κατά μήκος κυκλικής τροχιάς χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνήτες. Τα κυκλότρονα διατίθενται σε πολλά διαφορετικά μεγέθη, ανάλογα με τη χρήση και το ισότοπο που παράγεται. Στις μηχανές οι πυρήνες συγκρούονται με φορτισμένα σωματίδια και παράγεται το απαραίτητο ραδιοϊσότοπο. Ο όρος ραδιοϊσότοπο χρησιμοποιείται για ισότοπα που είναι ασταθή και ραδιενεργά.
Οι πιο σταθερές εκδοχές στοιχείων είναι αυτές που αναφέρουμε στον περιοδικό πίνακα, δηλαδή αυτές που βρίσκουμε φυσικά και πιο συχνά. Ωστόσο, είναι μόνο πραγματικά κοινές λόγω της σταθερότητάς τους· τα ασταθή ισότοπα έχουν διασπαστεί σε άλλα πιο σταθερά στοιχεία, αφήνοντας τις σταθερές εκδοχές. Τι κάνει λοιπόν ένα ισότοπο πιο σταθερό από ένα άλλο;

Σταθερότητα

Στην ενότητα σχετικά με τους πυρήνες, αναφέραμε εν συντομία ότι τα νουκλεόνια συγκρατούνται από την ισχυρή δύναμη, η οποία υπερνικά την ηλεκτροστατική άπωση μεταξύ των πρωτονίων. Αυτό είναι το κλειδί για την κατανόηση της σταθερότητας των πυρήνων. Τόσο τα νετρόνια όσο και τα πρωτόνια επηρεάζονται από την ισχυρή δύναμη, ωστόσο μόνο τα πρωτόνια απωθούν το ένα το άλλο, επομένως τα νετρόνια δρουν για να ενισχύσουν τη δύναμη που συγκρατεί τον πυρήνα χωρίς να προσθέτουν στην ηλεκτροστατική άπωση.
Μπορεί να νομίζετε ότι όσο περισσότερα νετρόνια έχει ένας πυρήνας, τόσο πιο σταθερός πρέπει να είναι μετά από αυτά που μόλις συζητήσαμε. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει. Οι πυρήνες είναι σταθεροί μόνο για ένα συγκεκριμένο εύρος αναλογιών νετρονίων προς πρωτόνια, περίπου 1-1,6. Εκτός αυτών των αναλογιών, ο πυρήνας θα είναι ασταθής και θα διασπαστεί. Για παράδειγμα, το άζωτο είναι σταθερό και έχει αναλογία 1: έχει 7 νετρόνια και 7 πρωτόνια. Στην άλλη άκρη του εύρους, ο μόλυβδος, που είναι επίσης σταθερός, έχει 82 πρωτόνια και 126 νετρόνια, με αναλογία 1,54. Γράφημα που δείχνει την περιοχή σταθερότητας σύμφωνα με τους αριθμούς πρωτονίων και νετρονίων φαίνεται παρακάτω, όπου το Z είναι ο αριθμός πρωτονίων στον πυρήνα, N είναι ο αριθμός νετρονίων, A=Z+N είναι ο αριθμός νουκλεονίων, και οι δύο καμπύλες αντιστοιχούν σε (1) σταθερούς πυρήνες, (2) γραμμή P=N. Εύσημα γραφήματος: Zoltán Elekes.

Αναφέρει επίσης τρεις μηχανισμούς διάσπασης ανάλογα με το πού βρίσκεται ο πυρήνας στο γράφημα. Αν ένας πυρήνας έχει έλλειψη πρωτονίων, θα υποστεί διάσπαση βήτα. Ωστόσο, αν έχει έλλειψη νετρονίων, θα διασπαστεί μέσω του αντίθετου τρόπου, διάσπαση ποζιτρονίου (που ονομάζεται επίσης βήτα συν). Μια εναλλακτική λύση σε αυτό είναι μια διαδικασία που ονομάζεται σύλληψη ηλεκτρονίου, κατά την οποία ο πυρήνας "απορροφά" ένα ηλεκτρόνιο και επιτυγχάνεται το ίδιο αποτέλεσμα με τη διάσπαση βήτα συν. Για πολύ μαζικούς πυρήνες είναι ωφέλιμο να χάσουν μάζα κατά τη διάσπαση, καθώς γενικά, ελαφρύτεροι πυρήνες είναι πολύ πιο σταθεροί, οπότε αυτοί οι πυρήνες θα διασπαστούν εκπέμποντας σωματίδια άλφα (δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια). Όταν τα άτομα υπόκεινται σε διάσπαση βήτα ή άλφα, αλλάζουν τον αριθμό πρωτονίων στον πυρήνα, αλλάζοντας έτσι το ίδιο το στοιχείο· μια διαδικασία που ονομάζεται μεταστοιχείωση. Ίσως να έχετε ακούσει για μια μελέτη που ανέλαβαν επιστήμονες πριν κατανοήσουμε τα στοιχεία, που ονομάζεται αλχημεία. Εκείνοι οι επιστήμονες προσπαθούσαν να μετατρέψουν άλλες ουσίες σε διαφορετικά στοιχεία, κυρίως χρυσό, που είναι ουσιαστικά μεταστοιχείωση και αυτό που κάνει κάθε ασταθής πυρήνας, μερικές φορές πολλές φορές πριν γίνει σταθερός. Κάθε ένας από τους μηχανισμούς διάσπασης θα συζητηθεί περαιτέρω στην επόμενη ενότητα.

Ενέργεια Δεσμού

Μια πολύ σημαντική πτυχή της πυρηνικής φυσικής είναι η ενέργεια δεσμού. Υπάρχουν αρκετοί τύποι ενέργειας δεσμού αλλά για τους σκοπούς μας θα εξετάσουμε την πυρηνική ενέργεια δεσμού. Αυτή είναι η ποσότητα ενέργειας που θα έπρεπε να δοθεί σε έναν πυρήνα για να υπερνικήσουν τα νουκλεόνια την έλξη τους και να διαχωριστούν σε μεμονωμένα νουκλεόνια. Η ενέργεια δεσμού ολόκληρου του πυρήνα είναι χαμηλότερη από το άθροισμα των συστατικών του, που είναι ένας άλλος τρόπος με τον οποίο ο πυρήνας συγκρατείται. Είναι ενεργειακά ευνοϊκότερο (δηλαδή η ενέργεια είναι χαμηλότερη) για τα νουκλεόνια να σχηματίζουν και να παραμένουν σε πυρήνες παρά να είναι χωριστά. Μια έννοια μέσα σε αυτόν τον κλάδο είναι η ενέργεια δεσμού ανά νουκλεόνιο.

Υπάρχει ένα όριο στη μάζα ενός πυρήνα στο οποίο η ισχυρή δύναμη δεν θα είναι πλέον σε θέση να συγκρατήσει τα πιο εξωτερικά νουκλεόνια. Ο μεγαλύτερος πυρήνας που γνωρίζουμε είναι αυτός του ουρανίου, που έχει 238 νουκλεόνια. Ωστόσο, ακόμη και αυτός ο πυρήνας είναι εξαιρετικά ασταθής, καθώς γνωρίζουμε ότι το ουράνιο είναι ραδιενεργό, επομένως πρέπει να υποστεί διάσπαση.
Η διάσπαση άλφα επιτρέπει στον πυρήνα να χάσει μάζα για να βελτιώσει τη σταθερότητα με εκπομπή σωματιδίου άλφα, ή πυρήνα ηλίου. Ο εκπέμπων πυρήνας θα χάσει τέσσερα νουκλεόνια, δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, και θα υποστεί μεταστοιχείωση λόγω απώλειας πρωτονίων. Αυτά είναι τα σωματίδια άλφα που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα σκέδασης του Rutherford για να ανιχνεύσουν άτομα.
Όπως έχουμε πει, η διάσπαση άλφα λειτουργεί για να μειώσει τη μάζα, ωστόσο είναι μόνο εφικτή όταν η ενέργεια δεσμού ανά νουκλεόνιο δεν βρίσκεται στο ελάχιστο, οπότε για στοιχεία με πυρήνες βαρύτερους από το νικέλιο, ωστόσο, έχει στην πραγματικότητα παρατηρηθεί μόνο για τους πιο μαζικούς πυρήνες του στοιχείου τελλούριο και παραπάνω. Η διάσπαση άλφα είναι ένα παράδειγμα μιας διαδικασίας που ονομάζεται «κβαντική σήραγγα». Ο πυρήνας ενός ατόμου δημιουργεί ένα πηγάδι δυναμικής ενέργειας, όπως φαίνεται στο διάγραμμα, που παγιδεύει το σωματίδιο άλφα που υπάρχει ήδη μέσα στον πυρήνα.

Η ενέργεια του σωματιδίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από το ύψος του πηγαδιού για να μπορέσει το σωματίδιο να διαφύγει τον πυρήνα. Στην κλασσική μηχανική, δεν θα ήταν δυνατή η διάσπαση άλφα, καθώς τα σωματίδια άλφα δεν θα μπορούσαν ποτέ να εγκαταλείψουν τον πυρήνα. Ωστόσο, η κβαντική μηχανική επιτρέπει αυτή τη διαμέσωση σήραγγας, κατά την οποία υπάρχει μια μικρή στατιστική πιθανότητα ότι το σωματίδιο άλφα θα μπορούσε να υπάρξει έξω από το πηγάδι, και άρα μπορεί να διανύσει μέσω του φράγματος και να εμφανιστεί έξω από τον πυρήνα.

Ένα από τα πρώτα χαρακτηριστικά που χρησιμοποιήθηκαν για τη διαφοροποίηση μεταξύ των τύπων ακτινοβολίας ήταν πόσο υλικό μπορούσε να διαπεράσει η κάθε. Τα σωματίδια άλφα είναι μαζικά και έχουν σχετικά χαμηλές ταχύτητες, οπότε είναι πολύ πιθανό να αλληλεπιδράσουν με οποιαδήποτε σωματίδια έρθουν σε επαφή. Αυτό σημαίνει ότι μπορούν να διαπεράσουν μόνο μέσα από μερικά εκατοστά αέρα, ή ένα λεπτό φύλλο χαρτιού ή αλουμινίου.
Υπάρχουν πολλές πηγές άλφα, μία από τις πιο διάσημες είναι το ουράνιο. Το ουράνιο διασπάται εκπέμποντας ένα σωματίδιο άλφα (α) και μεταστοιχειώνεται σε θόριο, όπως φαίνεται από την εξίσωση παρακάτω:

²³⁸U → ²³⁴Th + α

Αυτό είναι μόνο το πρώτο βήμα στη διάσπαση του ουρανίου, καθώς θα πρέπει να προχωρήσει μέσα από πολλά άλλα στάδια για να γίνει εντελώς σταθερό.