Радиоактивный распад — это путь ядра к достижению стабильности посредством испускания высокоэнергетического излучения и субатомных частиц. Это явление называется радиоактивностью.
Реакция нашего мозга на слово «радиоактивность» часто сводится к миру супергероев, которые кружат по городу, превращаются в человеческий огненный шар или сокрушают негодяев. Или, возможно, ваш мозг вызывает очень темный пост-апокалиптический мир после ядерных осадков.
Однако 120 лет назад мир воспринимал радиоактивность совершенно по-другому. На самом деле, он считался чудесным резервуаром здоровья и жизненной силы. Радиоактивные элементы, такие как радий, стали появляться в качестве ингредиентов во всем — от зубной пасты и циферблатов часов до воды и масла!
Итак, что случилось? Как такое, казалось бы, чудесное открытие превратилось в монстра под нашей кроватью, который пугает людей по всему миру?
Почему некоторые элементы радиоактивны?
Представьте, что вы случайно вдохнули пыльцу и ждете чиха. Держитесь за это чувство. Это то, что определенные атомы испытывают все время — стремление избавиться от лишнего и восстановить стабильность.
Все, что мы видим вокруг себя, в основном состоит из элементов со стабильными атомами (это означает, что ваш деревянный стол, насыщенный углеродом, сам по себе не распадется на что-то другое). Субатомный компонент, отвечающий за поддержание стабильности атома, — это его ядро.
Внутри ядра есть положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Эти «нуклоны» удерживаются вместе клеем, называемым сильным ядерным взаимодействием. Эта сильная сила нейтрализует отталкивающую электростатическую силу одинаково заряженных протонов и поддерживает стабильность ядра. Ядерная сила имеет короткий диапазон действия и зависит от соотношения нейтронов и протонов в ядре.
Однако мы видим, что баланс между силами начинает нарушаться, когда количество нейтронов превышает количество протонов. Пример: углерод-12 с 6 n и 6 p является стабильным изотопом, а углерод-14 имеет 8 n и 6 p, что делает его нестабильным изотопом. Или, возможно, ядро превышает пороговое количество нейтронов и протонов, которое сильная ядерная сила может комфортно удерживать вместе, например, любое ядро тяжелее Висмута-209. Эти сценарии приводят к появлению нестабильных изотопов элементов.
Подобно тому, как ваше тело посредством серии расширений и сокращений вытесняет раздражающее вещество во время чихания, нестабильные изотопы элементов выбрасывают различные частицы или формы энергии, чтобы восстановить баланс между силами в их ядрах. В процессе достижения стабильности они превращаются в новое ядро.
Это свойство превращения в нечто новое для достижения стабильности — то, что мы называем радиоактивностью, а процесс, посредством которого она преобразуется, называется радиоактивным распадом.
Как ядро подвергается радиоактивному распаду?
Ядро может подвергнуться ядерному или радиоактивному распаду из-за испускания альфа-, бета- или гамма-излучения (а иногда и комбинации всех трех).
Альфа-частица — это в основном ядро гелия, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов.
Альфа-частицы относительно тяжелые. Они могут перемещаться по воздуху всего на несколько сантиметров и их легко остановить листом бумаги или пластика.
Бета-частица — это электрон или позитрон, высвобождаемый ядром очень тяжелого элемента в результате преобразования нейтронов в протоны и наоборот.
Бета-частицы обладают большей энергией и проникающей способностью, чем альфа-частицы, но обладают меньшей ионизацией по своей природе. Они могут путешествовать по воздуху, но их можно остановить с помощью тонкого листа металла или даже защитной одежды.
Наконец, самая энергичная и смертельная форма радиоактивного распада: гамма-лучи.
Это форма высокоэнергетического света, излучаемого ядром, которое остается в более высоком энергетическом состоянии после того, как произошел процесс альфа- и бета-распада, но все же должно вернуться в более стабильное более низкое энергетическое состояние.
Ядро может подвергнуться всем этим распадам спонтанно и превратиться в стабильную форму за секунды, а может потребоваться дни, годы или даже столетия. Эта скорость определяется периодом полураспада радиоактивного вещества, то есть количеством времени, которое требуется радиоактивному веществу для распада до половины своего первоначального значения.
Нельзя говорить о радиоактивности без упоминания Марии Кюри. Ее запечатанная свинцом и сильно радиоактивная лаборатория, записные книжки, кулинарные книги и мебель были заражены радием и будут заражены в течение следующих 12 000 лет или около того. Тем не менее они являются свидетельством ее вклада в эту область и причиной двух Нобелевских премий.
Лабораторная тетрадь Марии Кюри.
Открытие радиоактивности и радиоактивных элементов Марией и Пьером Кюри вместе с Анри Беккерелем в начале 1900-х годов открыло дверь в совершенно новую область атомной физики. Этот шаг вперед в конечном итоге привел к открытию различных компонентов атомов и ядерной энергии.
Радиоактивные элементы, такие как уран-235 и плутоний-239, бомбардируются нейтронами, которые выделяют огромное количество энергии. При правильном манипулировании внутри ядерного реактора это топливо может действовать как длительный источник энергии. Килограмм урана-235 может произвести почти 24 миллиона киловатт-часов энергии путем ядерного деления, тогда как 1 кг угля может произвести только 8 киловатт-часов энергии. Правильное использование этого источника энергии может решить глобальную проблему увеличения выбросов углекислого газа.
Однако «ахиллесовой пятой» здесь является безопасная утилизация использованного радиоактивного топлива и широко распространенный страх перед ядерными авариями.
То, что произошло на Чернобыльском реакторе несколько десятилетий назад, по сей день потрясает человечество. Один инцидент, связанный с расплавлением реактора, и целые акры земли стали непригодными для проживания в течение нескольких поколений, не говоря уже о тысячах жизней, подвергшихся неизгладимым последствиям радиационного отравления.
Власти построили вокруг реактора саркофаг из бетона, чтобы предотвратить утечку радиации в атмосферу. Кроме того, остатки реактора находятся внутри защитной оболочки с толстыми стальными стенками.
Реактор Фукусима, пострадавший от цунами в 2011 году, вынудил эвакуировать тысячи людей в радиусе 20 км от места происшествия. Власти все еще очищают прилегающую территорию, а также убирают и утилизируют верхний слой почвы в пострадавшем регионе.
Эффекты радиоактивности
Вредное воздействие радиоактивных веществ может повлиять на наш организм косвенно через радиационное облучение или напрямую через контакт или проглатывание.
Радиационное воздействие
В целом радиация не опасна. Свет, отражающийся от отражающей поверхности, микроволны, нагревающие нашу пищу, или сигналы, принимаемые нашими телефонами, — все это разные формы излучения, но есть один вид излучения, который особенно вреден для всех биологических форм — ионизирующее или ядерное излучение.
Радиоактивный материал в процессе распада испускает ионизирующее излучение, которое может легко превратить нейтральные атомы в положительно заряженные ионы, сбивая их электроны. Когда живое существо подвергается такому высокоэнергетическому излучению, оно не делает человека радиоактивным или сверхмощным, но делает его склонным к радиационному отравлению.
Радиационное отравление ядерным излучением может легко повредить молекулярную структуру ДНК и нанести вред живым клеткам. Тяжелая или продолжительная доза может оказаться смертельной, поскольку эти лучи являются канцерогенными.
Радиоактивное загрязнение
Поскольку радиоактивное вещество находится в непосредственном контакте с внутренней или внешней частью тела, такая форма проникновения увеличивает опасность в два раза. Оно не только подвергает организм воздействию радиационного отравления, но и вызывает внутренние повреждения, воздействуя на определенные части тела.
Наше тело принимает радиоактивный радий за кальций при приеме внутрь. Затем он продолжает заменять кальций в нашем организме радием, что приводит к некрозу костей и зубов. При попадании внутрь уран в основном поражает почки.
Всегда ли радиоактивность вредна?
В токсикологии есть поговорка, что «доза делает любую вещь не ядовитой». Хотя воздействие нерегулируемых количеств радиоактивного материала может вызвать серьезные генетические мутации и рак, при регулировании они также могут вылечить рак. Радиоактивный йод используется в лучевой терапии для лечения рака и для визуализации щитовидной железы. Радиоактивный технеций используется для обнаружения пороков сердца, костей и других органов.
Радиоактивный Углерод-14 используется в углеродном датировании, которое помогает нам определить возраст вещей, которые когда-то были живыми или состояли из биологического материала. В некоторых странах свежие продукты даже облучают перед упаковкой, чтобы убить любые микробы на поверхности фруктов и овощей. Крошечное количество америция-241 используется в сигнализаторах дыма, которые помогают спасать тысячи жизней каждый год.
Человечество и радиоактивность мирно сосуществовали на протяжении веков. Воздух, которым мы дышим, бананы в наших коктейлях и указатели выхода содержат радиоактивные элементы… но в безопасных количествах! Технически, мы тоже радиоактивны, так как в нашем организме есть очень незначительные количества радиоактивных изотопов калия и углерода. Радиоактивность есть повсюду, и жизнь навсегда остается в долгу перед ней за то, что она держит наше земное ядро поджаренным и обеспечивает нам защиту под уютным магнитным пузырьком.
Однако гипотетически, если вы в конечном итоге отправляетесь в поход в неизвестную страну, и счетчик Гейгера в вашей сумке начинает издавать громкий треск, вам, вероятно, следует просто начать бежать!
Источник:
