(Tabelul periodic cu elemente colorate în funcție de timpul de înjumătățire al izotopului lor cel mai stabil. Formatul în 32 coloane este util în prezentarea modelului de stabilitate. Radioactivitatea este caracteristică elementelor cu un număr mare de atomi. Elementele cu cel puțin un izotop stabil sunt arătate în albastru deschis Verde prezintă elemente ale căror izotopi stabili au un timp de înjumătățire măsurat în milioane de ani, Galben și portocaliu sunt progresiv mai puțin stabili, cu jumătăți de viață în mii sau sute de ani, în jos ajungând la o singură zi. Roșu și purpuriu arată elemente extrem de radioactive, unde izotopii cei mai stabili prezintă timpi de înjumătățire măsurați de ordinul zilei și mult mai puțin.)
De notat că acest tabel abordează numai cel mai stabil izotop al fiecărui element. Prin urmare, ar fi eronat să se concluzioneze că toate elementele care apar în mod natural de la hidrogen la plumb nu sunt radioactive. De exemplu, dacă puneți un contor geiger la o banană, veți detecta radioactivitatea datorită izotopului de potasiu 40K, care este și cel mai comun radioizotop din corpul uman.)
Dezintegrarea radioactivă (cunoscută și sub denumirea de dezintegrare nucleară sau radioactivitate) este procesul prin care un nucleu atomic instabil își pierde energia (în termeni de masă în cadrul de repaus) prin emiterea de radiații, cum ar fi o particulă alfa, o particulă beta cu neutrino sau doar un neutrino în cazul capturii electronice, a razelor gama, sau a electronului în cazul conversiei interne. Un material care conține astfel de nuclee instabile este considerat radioactiv. Anumite stări nucleare foarte excitate, cu durată lungă de viață, se pot deteriora prin emisiile de neutroni sau, mai rar, emisiile de protoni.
Dezintegrarea radioactivă este un proces stochastic (adică la întâmplare) la nivelul atomilor unici, prin faptul că, conform teoriei cuantice, este imposibil să se prezică momenul în care un anumit atom se va dezintegra, indiferent de cât timp a existat atomul. Cu toate acestea, pentru o colecție de atomi, rata de dezintegrare așteptată a colecției este caracterizată prin constante de dezintegrare măsurate sau timpi de înjumătățire. Aceasta este baza de datare radiometrică. Timpul de înjumătățire al atomilor radioactivi nu are limită superioară cunoscută, acoperind un interval de timp de peste 55 de ordine de mărime, de la aproape instantaneu până la mult mai mult decât vârsta universului.
Un nucleu radioactiv cu spin zero nu poate avea o orientare definită și, prin urmare, emite impulsul total al produselor sale de dezintegrare izotrop (în toate direcțiile și fără părtinire). Dacă există mai multe particule produse în timpul unei singure dezintegrări, ca în dezintegrarea beta, distribuția lor unghiulară relativă sau direcțiile de rotație nu pot fi izotropice. Produsele de dezintegrare dintr-un nucleu cu spin pot fi distribuite neizotropic cu privire la direcția de rotație, fie din cauza unei influențe externe, cum ar fi un câmp electromagnetic, fie datorită faptului că nucleul a fost produs într-un proces dinamic care a constrâns direcția spinului său. Un astfel de proces parental ar putea fi o dezintegrare anterioară sau o reacție nucleară.
Nucleul dezintegrat se numește radionuclidul părinte (sau radioizotopul părinte), iar procesul produce cel puțin un nuclid fiu. Cu excepția dezintegrării gama sau a transformării interne dintr-o stare excitată de nuclee, dezintegrarea este o transmutare nucleară care are ca rezultat un fiu care conține un număr diferit de protoni sau neutroni (sau ambii). Când se modifică numărul de protoni, se creează un atom al unui element chimic diferit.
Primele procese de dezintegrare care au fost descoperite au fost dezintegrarea alfa, dezintegrarea beta și dezintegrarea gama. Dezintegrarea alfa apare atunci când nucleul ejectează o particulă alfa (nucleul de heliu). Acesta este cel mai obișnuit proces de emisie a nucleonilor, dar nucleele foarte excitate pot emite singure nucleonii sau, în cazul dezintegrării clusterului, nuclee specifice ușoare ale altor elemente. Dezintegrarea beta are loc în două moduri: (i) dezintegrarea beta-minus, atunci când nucleul emite un electron și un antineutrino într-un proces care schimbă un neutron cu un proton sau (ii) o dezintegrare beta-plus, atunci când nucleul emite un pozitron și un neutrino într-un proces care schimbă un proton într-un neutron. Nucleele bogate în neutroni puternic excitați, formate ca produs al altor tipuri de dezintegrare, pierd ocazional energie prin emisia de neutroni, rezultând o schimbare de la un izotop la altul a aceluiași element. Nucleul poate capta un electron care orbitează, determinând transformarea unui proton într-un neutron într-un proces numit captare electronică. Toate aceste procese conduc la o transmutare nucleară bine definită.
În schimb, există procese de dezintegrare radioactivă care nu duc la o transmutare nucleară. Energia unui nucleu excitat poate fi emisă ca o rază gama într-un proces numit dezintegrare gama, sau energia poate fi pierdută atunci când nucleul interacționează cu un electron orbital provocând ejecția lui din atom, într-un proces numit conversie internă.
Un alt tip de dezintegrare radioactivă are ca rezultat produse care variază, aparând ca două sau mai multe “fragmente” ale nucleului original cu o serie de mase posibile. Această dezintegrare, numită fisiune spontană, se întâmplă atunci când un nucleu mare instabil se sparge spontan în două (sau ocazional trei) nuclee fii mai mici și, în general, conduce la emisia de raze gama, neutroni sau alte particule din aceste produse.
Există 29 de elemente chimice naturale care apar pe Pământ și care sunt radioactive. Acestea sunt cele care conțin 34 de radionuclizi care datează înainte de momentul formării sistemului solar și sunt cunoscute ca nuclizi primordiali. Exemple bine-cunoscute sunt uraniul și torul, dar sunt incluse și radioizotopi de lungă durată, cum ar fi potasiul-40. Alți 50 de radionuclizi cu durată mai scurtă de viață, cum ar fi radiu și radon, existenți pe Pământ, sunt produsele lanțurilor de dezintegrare care au început cu nucleele primordiale sau sunt produsul proceselor cosmogene în curs de desfășurare, cum ar fi producerea carbonului 14 din azot-14 în atmosferă prin raze cosmice. Radionuclizii pot fi, de asemenea, produși în mod artificial în acceleratoare de particule sau reactoare nucleare, rezultând în 650 dintre acestea cu un timp de înjumătățire mai mare de o oră și câteva mii mai multe cu un timp de înjumătățire mai scurt.
Baza teoretică a fenomenelor de dezintegrare
(Tipuri de dezintegrare radioactivă legate de numerele N și Z.)
Neutronii și protonii care formează nuclee, precum și alte particule care se apropie destul de mult de ele, sunt guvernate de mai multe interacțiuni. Forța nucleară puternică, neobservată la scara macroscopică familiară, este forța cea mai puternică pe distanțele subatomice. Forța electrostatică este aproape întotdeauna semnificativă și, în cazul dezintegrării beta, este implicată și forța nucleară slabă.
Interacțiunea acestor forțe produce o serie de fenomene diferite în care energia poate fi eliberată prin rearanjarea particulelor în nucleu, sau schimbarea unui tip de particule în altele. Aceste rearanjamente și transformări pot fi împiedicate în mod energic, astfel încât să nu apară imediat. În anumite cazuri, fluctuațiile aleatorii cuantice în vid sunt teoretizate pentru a promova relaxarea la o stare de energie mai mică (“dezintegrarea”) într-un fenomen cunoscut sub numele de tunelare cuantică. Timpul de înjumătățire a dezintegrării radioactive a nuclizilor a fost măsurat pe durate de 55 de ordine de mărime, de la 2,3 × 10-23 secunde (pentru hidrogen-7) la 6,9 × 1031 secunde (pentru telur-128). Limitele acestor termene sunt stabilite de sensibilitatea instrumentelor numai și nu există limite naturale cunoscute pentru cât de scurte sau lungi poate fi o perioadă de înjumătățire prin decădere pentru dezintegrarea radioactivă a unui radionuclid.
Procesul de dezintegrare, ca toate transformările de energie restricționate, poate fi asemănat cu o suprafață de zăpadă pe un munte. În timp ce frecarea dintre cristalele de gheață poate susține greutatea zăpezii, sistemul este în mod inerent instabil în ceea ce privește o stare de energie potențială mai mică. O perturbare ar facilita calea spre o stare de entropie mai mare; sistemul se va deplasa spre starea de bază, producând căldură, iar energia totală va fi distribuită pe un număr mai mare de stări cuantice, rezultând astfel o avalanșă. Energia totală nu se schimbă în acest proces, dar, din cauza celei de-a doua legi a termodinamicii, avalanșele au fost observate într-o singură direcție, îndreaptându-se către “starea de bază” – starea cu cel mai mare număr de moduri în care energia disponibilă ar putea fi distribuită.
Un astfel de colaps (un eveniment de dezintegrare a radiațiilor gama) necesită o energie specifică de activare. Pentru o avalanșă de zăpadă, această energie vine ca o perturbare din afara sistemului, deși astfel de perturbări pot fi arbitrar mici. În cazul unui nucleu atomic excitat care se dezintegrează prin radiații gama într-o emisie spontană de radiație electromagnetică, perturbarea arbitrară mică provine din fluctuațiile de vid cuantic.
Un nucleu radioactiv (sau orice sistem excitat în mecanica cuantică) este instabil și, astfel, se poate stabiliza spontan într-un sistem mai puțin excitat. Transformarea rezultată modifică structura nucleului și are ca rezultat emisia fie a unei particule fotonice fie a unei particule de mare viteză care are masă (cum ar fi un electron, o particulă alfa sau alt tip).
Apariție și aplicații
Conform teoriei Big Bang, izotopii stabili ai celor mai ușoare cinci elemente (H, He și urme de Li, Be și B) au fost produse imediat după apariția universului, într-un proces numit nucleosinteza Big Bang. Cei mai ușori nuclizi stabili (inclusiv deuteriu) supraviețuiesc până astăzi, dar orice izotop radioactiv al elementelor ușoare produse în Big Bang (cum ar fi tritiul) s-a dezintegrat cu mult timp în urmă. Izotopii elementelor mai grele decât borul nu au fost produși deloc în Big Bang și aceste prime cinci elemente nu au radioizotopi cu durată lungă de viață. Astfel, toate nucleele radioactive sunt, prin urmare, relativ tinere în ceea ce privește nașterea universului, formate mai târziu în diferite alte tipuri de nucleosinteză în stele (în special, supernove) și, de asemenea, în timpul interacțiunilor continue între izotopi stabili și particule energetice. De exemplu, carbonul 14, un nucleu radioactiv cu un timp de înjumătățire de numai 5730 de ani, este produs în mod constant în atmosfera superioară a Pământului datorită interacțiunilor dintre razele cosmice și azot.
Nuclizii care sunt produși prin dezintegrare radioactivă sunt numiți nuclizi radiogeni, indiferent dacă însele sunt stabili sau nu. Există nuclizi radiogeni stabili care au fost formați din radionuclizi dispăruți de scurtă durată în sistemul solar timpuriu. Prezența suplimentară a acestor nuclizi radiogeni stabili (cum ar fi Xe-129 din primordialul I-129) pe fundalul unor nuclizi stabili primordiali, poate fi dedusă prin diverse mijloace.
Dezintegrarea radioactivă a fost pusă în aplicare în tehnica de etichetare radioizotopică, care este utilizată pentru a urmări trecerea unei substanțe chimice printr-un sistem complex (cum ar fi un organism viu). O probă a substanței este sintetizată cu o concentrație ridicată de atomi instabili. Prezența substanței în o parte sau alta a sistemului este determinată de detectarea locațiilor evenimentelor de dezintegrare.
Pe baza premisei că dezintegrarea radioactivă este cu adevărat aleatoare (mai degrabă decât pur haotică), ea a fost utilizată în generatoare de numere aleatoare de tip “hardware”. Deoarece procesul nu este considerat a varia semnificativ în mecanism de-a lungul timpului, este de asemenea un instrument valoros în estimarea vârstei absolute a anumitor materiale. Pentru materialele geologice, radioizotopii și unele dintre produsele lor de dezintegrare sunt capturate atunci când se solidifică o stâncă și apoi poate fi utilizată ulterior (sub rezerva multor calificări bine-cunoscute) pentru a estima data solidificării. Acestea includ verificarea rezultatelor mai multor procese simultane și a produselor lor una față de cealaltă, în cadrul aceluiași eșantion. Într-o manieră similară și, de asemenea, supusă calificării, cu rata de formare a carbonului-14 în diferite epoci, se poate estima data formării materiei organice într-o anumită perioadă legată de timpul de înjumătățire al izotopului, deoarece carbonul-14 ajunge să fie blocat atunci când materia organică crește și încorporează noul carbon-14 din aer. Ulterior, cantitatea de carbon-14 din materia organică scade conform proceselor de dezintegrare care pot fi, de asemenea, controlate în mod independent prin alte mijloace (cum ar fi investigarea atomului de carbon 14 în inele individuale de arbori, de exemplu).
Originea nuclizilor radioactivi
Nuclizii primordiali radioactivi găsiți pe Pământ sunt reziduuri ale exploziilor supernovase care au avut loc înainte de formarea sistemului solar. Acestea sunt fracțiuni de radionuclizi care au supraviețuit din acel moment, la formarea nebuloasei solare primordiale, prin acreția planetei și până în prezent. Radionuclizii radiogeni de scurtă durată care se găsesc în mod natural în rocile de astăzi, sunt fiii acelor nuclizi radioactivi primordiali. O altă sursă minoră de nuclizi radioactivi naturali sunt nuclizii cosmogeni, care sunt formați prin bombardarea cu raze cosmice a materialului din atmosfera sau crusta Pământului. Dezintegrarea radionuclizilor în roci ale mantalei și crustei Pământului contribuie în mod semnificativ la căldura internă a Pământului.
Lasă un răspuns