In capitolul precedent am fost preocupati de dimensiunea obiectelor, in special de cele la nivel de nanoscala, si de ceea ce stim despre atomi si molecule. Acum, intelegand structura atomilor, si in special pe cea a nucleului, putem studia unele dintre cele mai interesante aspecte legate de nucleu.
Una dintre cele mai mari ramuri de studiu in Fizica Nucleara este radioactivitatea, un fenomen natural pentru anumite nuclee. Radioactivitatea este oriunde in jurul nostru; in sol, spatiu, chiar si in corpul nostru. Suntem expusi in mod constant la radiatii, nu doar in cazul unor investigatii cu raze X, este asadar vital sa intelegem cum functioneaza.
In acest capitol vom discuta despre descoperirea radioactivitatii, despre modul in care este produsa, de unde provine si in final despre cum interactioneaza radiatia cu mediul inconjurator.

Radioactivitatea a fost descoperita in anul 1896 de catre Henri Becquerel in timp ce lucra cu raze X. Se credea ca materialele ce contineau uraniu absorbeau lumina de la soare si emiteau raze X. Becquerel a planuit un experiment pentru a demonstra acest lucru utilizand o placa fotografica, razele X fiind cunoscute ca innegrind aceste placi. In ziua experimentului cerul era innorat, asa ca Becquerel si-a asumat faptul ca experimentul a fost un esec. Din fericire el a decis sa developeze oricum placa fotografica si a descoperit ca acest compus emitea radiatie in ciuda faptului ca nu era soare, imprejurare ce contrazicea teoria sa anterioara. Urmatoarea lui sarcina a fost aceea de a afla daca era sau nu vorba despre raze X sau despre alte forme diferite de radiatie. Pentru acest lucru a plasat sursa de radiatii intr-o incinta vidata in prezenta unui camp magnetic si a unei placi fotografice, dupa cum este prezentat in figura. Razele X sunt cunoscute ca fiind neutre, asadar nu pot fi curbate in prezenta campului magnetic. Totusi, dupa ce a developat placa fotografica, a observat ca radiatia a fost curbata de catre camp. Cand a schimbat sursa a observat faptul ca radiatia a fost deviata in directie opusa comparativ cu cea anterioara. Acest lucru a aratat existenta a trei tipuri de radiatii emise de catre materie: pozitive, negative si neutre. Multi oameni de stiinta si-au dedicat cariera in scopul cercetarii acestui nou fenomen, incluzandu-i pe Marie si Pierre Curie, care au descoperit alte elemente radioactive precum poloniu si radiu. Rutherford, omul de stiinta despre care am vorbit deja ca fiind responsabil pentru descoperirea nucleelor atomice, de asemenea a lucrat in radioactivitate, investigand diferite tipuri de surse si proprietatile lor. Tot Rutherford a fost cel care a inventat numele diferitelor tipuri de radiatii si anume: alfa, beta si gama, dupa caracterele alfabetului grecesc. Particulele alfa au fost mentionate deja, atunci cand au fost utilizate pentru a examina interiorul atomilor de aur in cadrul experimentului lui Rutherford, insa acum le vom privi in mod mai detaliat. Mai intai insa, stim ca putem gasi radioactivitatea in surse precum compusi din uraniu, dar unde altundeva o putem gasi si ce este ea?

Stim ca unele elemente sunt radioactive in timp ce altele nu sunt. Acest lucru implica faptul ca radioactivitatea este generata la nivel atomic, asa ca trebuie sa ne uitam la atomi, in special la nuclee, pentru a intelege mai bine.
Exista trei tipuri de radiatii care rezulta din atomii radioactivi: alfa, beta si gama. Acestea sunt particule sau energie emisa de nucleu atunci cand acesta este instabil sau se poate spune ca reprezinta dezintegrarile atomilor din cauza instabilitatii.
Asadar de ce anumiti atomi sunt instabili in timp ce altii nu sunt?
Acest lucru va fi explicat intr-un capitol urmator, dar pentru moment putem spune ca este datorat numarului de nucleoni din nucleu, in special raportului dintre protoni si neutroni. Diferitele tipuri de radiatii sunt emise in functie de tipul de instabilitate. Acest lucru ne arata de ce surse diferite emit radiatii diferite.
Instabilitatea nu este limitata la anumite nuclee. Chiar protonii si neutronii se vor dezintegra eventual, insa intervalul de timp in care se va intampla asta este de aproximativ 10³⁴ ani! Asadar, din punct de vedere al vietii pe Pamant, protonii sunt considerati a fi stabili. Acum avem o idee despre ce este radiatia, stim unde o putem gasi.

Radioactivitatea nu este limitata la aceste elemente periculase pe care le-am descoperit, precum uraniul si radiul. Acestea sunt cele mai puternice surse pe care le cunoastem, dar radioactivitatea este prezenta in cantitati mult mai mici in multe alte locuri. Radiatia pe care Becquerel a descoperit-o ca provenind de la uraniu deasemenea provine si din roci, din spatiul cosmic, din aerul pe care il respiram, apa pe care o bem, marea in care inotam si chiar din propriile noastre organisme.
Puteti fi surprinsi sa aflati ca voi si toti cei pe care ii cunoasteti sunteti radioactivi, si chiar puteti crede ca acest fapt ar putea fi cauzat de tehnicile moderne pe care lumea le-a dezvoltat, cu centrale si computere nucleare si imagistica medicala pe baza razelor X, dar va inselati. Atata timp cat a existat viata pe Pamant, toate plantele si animalele au fost radioactive. Aceasta este parte a istoriei vietii pe Pamant. Asa ca haideti sa aflam mai multe despre unde gasim radioactivitatea.

Solul

Elementele radioactive sunt oriunde in jurul nostru pe Pamant. Multe minerale, in special granitul, contin cativa compusi din uraniu. De fapt, uraniul este cam la fel de abundent in sol si roci ca si unele metale cum ar fi staniul, zincul sau wolframul. Totusi, alti compusi radioactivi sunt mult mai frecventi, cum ar fi thoriul, care este de trei ori mai abundent pe Pamant decat uraniul. In secolul al XIX-lea, chiar inainte de iluminarea electrica sa o inlocuiasca pe cea cu gaz, oxidul de thoriu a fost folosit pentru a face lampile cu gaz mai stralucitoare. In secolul al XXI-lea, thoriul ar putea deveni combustibil nuclear in centralele nucleare.

Imaginea ne arata abundenta uraniului in roci. Alaturi de o greutate de 10 kg sunt trei fire cu o greutate combinata de 30 de miligrame. Aceasta este proportia uraniului in rocile de pe Pamant.
Deci putem detecta uraniu si alte materiale radioactive in roci, iar radiatiile emise de acestea contribuie in mare parte la formarea fondului de radiatii. Acesta reprezinta cantitatea de radiatii pe care o primim toata viata de la mediul inconjurator. Corpurile noastre pot face fata acestor radiatii, dupa cum vom afla mai tarziu.

Harta din imagine ne arata distributia fondul de radiatie pentru o parte din Europa. Diferenta dintre zone se datoreaza tipului de roci din care este compus solul fiecarei tari. De exemplu, in sud-vestul Angliei, solul este alcatuit in mare parte din granit astfel ca fondul de radiatii in aceasta zona este mai intens in comparatie cu fondul din celelalte zone ale tarii, al caror sol este alcatuit din calcar. In zonele din centrul Frantei nivelul de radiatii se datoreaza radonului din roci. Pe langa roci, mai exista si alti factori care contribuie la formarea fondului de radiatii la care suntem supusi.

Spatiul

In intregul Univers exista multe surse care emit diferite tipuri de radiatii, incluzand galaxiile radio cu jeturi supraluminale (mai rapide decat viteza luminii), gaurile negre si chiar planetele din sistemul din sistemul nostrum solar. Astronomii folosesc telescoape speciale pentru observarea acestor tipuri de radiatii, care includ razele X si gama. Aceste surse emit in toate directiile si exista chiar radiatii de la obiecte aflate la sute de mii de ani lumina care pot ajunge in cele din urma pe Pamant. Ceea ce detectam de la sursele de radiatii poarta numele de raze cosmice. Pe masura ce ne inaltam razele cosmice sunt mult mai puternice. In varful muntilor sunt detectate mai multe radiatii decat la nivelul marii, caci ele trebuie sa treaca prin mai putine straturi ale atmosferei.
Razele cosmice sunt greu de detectat si uneori le dau batai de cap oamenilor de stiinta. Ocazional este necesar sa se masoare radioactivitati foarte slabe. Acest lucru se intampla cand se studiaza surse de radiatii gama foarte slabe, foarte indepartate si emit o cantitate mica de radiatii in directia noastra sau cand studiem expansiunea universului si radiatia din domeniul de microunde care o insoteste.

E fara de speranta sa se masoare radioactivitati foarte slabe la suprafata Pamantului, caci ele sunt complet ascunse de abundenta razelor cosmice. Din aceasta cauza unele experimente se fac adanc in interiorul minelor, la o adancime de un kilometru sau chiar mai mult, amintindu-ne sa evitam granitul care are mult uraniu in componenta. Un experiment care impune astfel de masurari este acela de a detecta un tip de particula fundamentala, numita neutrino, despre care vom discuta mai tarziu.

In imagine este reprezentat un detector de neutrini din Italia situat la o distanta de 1.4 kilometri sub varful unui munte.

Apa marii

Trecand peste roci si sol, raurile transporta cu ele diverse saruri dizolvate in apa. In timp, datorita faptului ca apa se evapora, sarurile devin concentrate. Intrucat cele mai multe roci contin uraniu, nu este surprinzator faptul ca marile contin saruri de uraniu de asemenea. Acest lucru contribuie la radioactivitatea marii, si nu doar din cauza uraniului, ci si a altor substante precum ⁴⁰K (pronuntat potasiu-40). Aceasta forma a potasiului este principala substanta care contribuie la radioactivitatea din organismul nostru.
In medie, apa marii contine aproximativ trei miligrame de uraniu in fiecare o mie de litri, adica la fiecare metru cub. Nu este mult, poate, dar se spune ca daca aceste costuri de extragere a uraniului ar fi reduse la o zecime fata de cele actuale, atunci exploatarea in acest fel ar putea profitabila! Daca sursele actuale de uraniu se vor epuiza atunci centralele nucleare ar putea folosi uraniul extras din apa marii.

In aer

Aerul pe care il respiram contine o cantitate mica de carbon radioactiv, cunoscut ca ¹⁴C (pronuntat ‘carbon-paisprezece’; in unele carti vei gasi scris carbon-14). Atomii de carbon-14 sunt rezultati in urma interactiunilor razelor cosmic in atmosfera. Razele cosmice sufera multe transformari care includ si producerea neutronilor termici. Acesti neutroni interactioneaza cu atomii de azot-14 si au ca rezultat prin reactie nucleara producerea atomilor de carbon-14 si a protonilor. Acesti atomi de carbon produc molecule de dioxid de carbon, pe care plantele le extrag din aer in scopul fotosintezei si a producerii zaharului si celulozei; in urma acestor procese fiind absorbit si carbon-14. Acesta ajunge in organismul nostru atunci cand consumam plante sau carnea provenita de la animalele care au consumat aceste plante. Pe baza faptului ca toate vietuitoarele consuma carbon-14 in timpul vietii putem determina varsta ramasitelor biologice ingropate in pamant acum sute sau mii de ani. Pentru aceasta trebuie sa cunoastem timpul de injumatatire al atomilor radioactivi, subiect despre care vom vorbi mai tarziu.

In organisme

Mancarea pe care o consumam zilnic contine doua sau trei grame de potasiu. Asta inseamna ca, pentru fiecare kilogram din corp, 50 de atomi de potasiu se dezintegreaza si emit particule radioactive in fiecare secunda. Asadar sa ne amintim ca atunci cand consumam plante (sau carne provenita de la animale care au consumat plante) absorbim atomi de carbon-14 care sunt la randul lor radioactivi. De asemenea, exista si urme ale altor elemente radioactive precum uraniu. Daca ti se intampla sa inghiti apa din mare vei prelua si o cantitate mica de uraniu intrucat aceasta contine si o cantitate mica din acest element.
Am discutat deja despre faptul ca razele cosmice produc carbon-14 care este utilizat in producerea carbohidratilor care sunt ingerati de catre plante si implicit de animale, si de catre noi. C-14 intra in alimentatia zilnica si este prezent in toate vietuitoarele care-l consuma.

Dozele mari de radioactivitate pot fi letale, mii de oameni murind din cauza radiatiilor emise in urma atacului cu bombe nucleare din anul 1945 din Japonia. Mai recent, in anul 1986, 31 de oameni au murit din cauza radiatiilor emise in urma exploziei de la centrala nucleara de la Cernobil din Ucraina. Puteti citi mai mult despre aceste subiecte in rubricile ‘Beneficii si riscuri’ si ‘Istorie’.
Cantitatile de radiatii ce sunt cunoscute ca daunand sanatatii sunt cu mult mai mari decat fondul de radiatii datorat razelor cosmice, rocilor, etc. Oricare din celulele noastre afectata de aceste surse de radiatii se poate reface de la sine, atunci cand sunt putine celule afectate. In cazul expunerii la doze mari de radiatii multe celule sunt afectate tesuturile neputandu-se reface, de aceea acestea devin extrem de periculoase.
Stim ca plantele si animalele au trait si au evoluat pe baza radioactivitatii timp de miliarde de ani. Astfel daca radioactivitatea este periculoasa depinde de cat de multa primim. Chiar si prea mult din sarea obisnuita poate ucide oameni, este ceea ce se intampla cand naufragiatii pe oceane pot muri de sete. Dupa cum se spune ‘tot ce e mult strica’.
Deci cand putem stii cata radiatie este “prea mult”? In primul rand trebuie sa intelegem fiecare tip de radiatie si trebuie sa stim cat de periculoasa este fiecare. Vom descoperi care este nivelul la care radiatia devine periculoasa in sectiunea despre interactia cu materia.

Am discutat despre ce inseamna radioactivitate in sectiunea anterioara: reprezinta dezintegrarea atomilor instabili si emisia ulterioara de particule sau energii. Acum vom vedea cum se comporta un atom instabil si modul in care interactioneaza radiatia cu substanta.

Izotopii

Deja stim ca atomul consta din nucleu, care este alcatuit din protoni si neutroni, si electronii care orbiteaza in jurul nucleului. De asemenea stim ca atomii sunt neutri din punct de vedere electric, in timp ce ionii, care pierd sau castiga electroni, sunt incarcati. Cheia intelegerii radioactivitatii o reprezinta izotopii.
Am vorbit despre C-14 ca fiind radioactiv in timp ce C-12 nu este. Asadar prin ce este diferit C-14 de C-12? Diferenta sta in nucleele lor. Pentru ca ambii atomi sa se fie atomi de carbon ei trebuie sa aiba acelasi numar de protoni sau acelasi numar atomic. Acesta este ceea ce defineste un tip de element. Daca modificam numarul de electroni atomul se transforma intr-un ion. Prin urmare trebuie sa modificam numarul de neutroni. Deci putem spune ca C-14 este un izotop al C-12, avand doi neutroni in plus, asadar si o masa diferita, insa este acelasi element chimic.
Fiecare element poate avea mai multi izotopi. Un exemplu faimos este deuteriul, un izotop al hidrogenului alcatuit dintr-un neutron si un proton. Acesta poate fi utilizat in producerea apei grele care are diferite intrebuintari: in detectarea neutrinilor si pe post de moderator pentru reactorul nuclear.
Izotopii instabili sunt adesea utilizati in proceduri medicale, ei putand fi folositi in siguranta datorita timpului lor scurt de viata inante de dezintegrare. O problema importanta o constituie faptul ca aceste substante nu se gasesc in stare naturala pe Pamant si prin urmare trebuie sa fie produse in spitale cu ajutorul unor masinarii numite ciclotroane, care accelereaza ioni la viteze extrem de mari de-a lungul unei traiectorii circulare prin utilizarea electromagnetilor. Ciclotroanele sunt disponibile in diferite marimi in functie de utilizare si de izotopul care urmeaza a fi produs. Ionii accelerati sunt ciocniti cu alte particule pentru a produce radioizotopul necesar. Termenul ‘radioizotop’ este utilizat pentru izotopii instabili si radioactivi.
Versiunile cea mai stabile ale elementelor sunt cele listate in tabelul periodic al elementelor fiind si cele ce se gasesc cel mai frecvent si in stare naturala. Totusi ele sunt frecvente datorita stabilitatii lor; izotopii instabili descompunandu-se deja in elemente stabile. Deci, ce face ca un izotop sa fie mai stabil decat altul?

Stabilitatea

In capitolul care face referire la nuclee am mentionat pe scurt faptul ca nucleonii sunt tinuti impreuna de forta tare, care invinge repulsia electrostatica dintre protoni. Aceasta este cheia intelegerii stabilitatii nucleelor. Ambii neutroni si protoni sunt afectati de forta tare, insa doar protonii simt s forta de respeingere electrostatica, prin urmare neutronii actioneaza pentru consolidarea stabilitatii nucleului.
Dupa cele spuse s-ar putea crede ca cu cat un nucleu are mai multi neutroni, cu atat mai stabil ar fi. Totusi, nu este cazul. Nucleele sunt stabile doar pentru un anumit raport de protoni si neutroni, de aproximativ 1,0 – 1,6. In afara acestui interval nucleul va fi instabil si se va dezintegra. De exemplu, azotul este stabil, avand un raport egal cu 1: are 7 neutroni si 7 protoni. In cazul plumbului, care este de asemenea stabil, putem vorbi despre 82 de protoni si 126 de neutroni, deci de un raport de 1,54. In graficul de mai jos este redata regiunea de stabilitate in functie de numarul de protoni si al celui de neutroni.

De asemenea sunt aratate trei regiuni care influenteaza mecanismele de dezintegrare ale nucleelor. Daca un nucleu are un deficit de protoni, atunci el va suferi o dezintegrare beta minus, iar in cazul unui deficit de neutroni se va dezintegra beta plus. O alta alternativa este aceea a capturii de electroni, in cazul careia nucleul ‘absoarbe’ un electron si are loc aceeasi dezintegrare beta plus. Pentru nucleele massive este favorabil sa piarda masa in timpul dezintegrarii deoarece, in general, nucleele mai usoare sunt mai stabile, asadar aceste nuclee se vor dezintegra emitand particule alfa (doi protoni si doi neutroni). Atunci cand atomii sufera dezintegrari beta sau alpha, ei isi schimba numarul de protoni din nucleu, astfel schimbandu-se elementul insusi; acest process poarta numele de transmutatie. Probabil ati mai auzit de incercarile oamenilor de stiinta dinainte de intelegerea compozitiei elementelor cunoscute sub numele de ‘alchimie’. Acesti oameni de stiinta au incercat sa transforme anumite substante in alte elemente, in special in aur, care este chiar procesul de transmutatie ceea ce face fiecare nucleu instabil care se dezintegreaza chiar si de mai multe ori nainte de a deveni stabil. Despre fiecare mecanism de dezintegrare vom discuta mai amanuntit in urmatoarea sectiune.

Energia de legatura

Un aspect important al Fizicii Nucleare este energia de legatura. Exista mai multe tipuri de energii de legatura insa scopul nostru este acela de a afla mai multe informatii despre energia de legatura nucleara. Aceasta reprezinta cantitatea de energie necesara ce trebuie pusa intr-un nucleu pentru a invinge forta de atractie dintre componenti si a-i separa in nucleoni individuali. Energia de legatura a unui nucleu este mai mica decat aceea a sumei constituentilor sai, ceea ce reprezinta o alt fel de a explica de ce nucleul este tinut ‘impreuna’. Este mult mai favorabil din punct de vedere energetic (adica energii joase) ca nucleonii sa stea in nuclee decat sa fie separati. O notiune folositoare pentru aceasta situatie este energia de legatura pe nucleon.

Exista o limita de masa a unui nucleu la care forta tare nu va mai fi capabila sa tina nucleonii impreuna. Cel mai mare nucleu cunoscut este uraniul care are 238 de nucleoni. Totusi, chiar si el este foarte instabil, caci stim ca uraniul este radioactiv, prin urmare se dezintegreaza.
Dezintegrarea alfa ii permite nucleului sa piarda masa pentru a-si imbunatati stabilitatea prin emisia unei particule alfa (sau un nucleu de heliu). Nucleul emitent va pierde patru nucleoni, doi protoni si doi neutroni si sufera astfel o transmutatie datorita pierderii protonilor. Acestea sunt particulele alfa utilizate de catre Rutherford in experimentul de sondare al atomilor.
Dupa cum am spus, prin dezintegrarea alfa rezulta reducerea masei, totusi acest lucru este posibil numai daca energia de legatura pe nucleon nu este minima. Acest fenomen este posibil la elementele ale caror nuclee sunt mai grele decat nichelul, dar in practica a fost observat numai pentru cele mai grele nuclee, incepand de la telur si mai sus. Dezintegrarea alfa este un exemplu al fenomenului numit ‘tunelare cuantica’. Nucleul unui atom creaza o groapa de energie potentiala, dupa cum se poate observa in diagrama, care constituie o capcana pentru particula alfa care exista deja in interiorul sau.

Energia particulei trebuie sa fie mai mare decat bariera de potential pentru a putea scapa din nucleu. In mecanica clasica nu ar fi posibil ca dezintegrarea alfa sa aiba loc, asa ca particulele alfa nu ar putea niciodata parasi nucleul. Cu toate astea, mecanica cuantica permite acest lucru pe baza tunelarii, prin care exista o mica probabilitate ca particulele alfa sa poata iesi din groapa de potential si astfel cu o anumita frecventa pot trece prin bariera de partea cealalta a nucleului.

Una dintre primele caracteristici utilizate pentru a diferentia intre tipurile de radiatii consta in cantitatea de material prin care pot patrunde acestea. Particulele alfa sunt masive si au viteze relativ mici, astfel incat au o probabilitate mare sa interactioneze cu particulele cu care vin in contact. Aceasta inseamna ca ele pot sa treaca doar prin cativa centimetri de aer sau printr-o foita subtire de hartie sau de aluminiu.
Exista multe surse de radiatii alfa, cea mai importanta fiind cea de uraniu. Acesta, in urma dezintegrarii, emite particule alfa (α) si se transforma in toriu dupa cum arata ecuatia de mai jos:

²³⁸U → ²³⁴Th + α

Acesta este primul pas in dezintegrarea uraniului care va continua in mai multe etape pana cand devine stabil.