Radiații alfa, beta și gama

 (Illustrația capacităților relative ale trei tipuri diferite de radiații ionizante pentru a pătrunde în materia solidă Particulele alfa tipice (α) sunt oprite de o foaie de hârtie, în timp ce particulele beta (β) sunt oprite de o placă de aluminiu. Radiația gama (γ) este amortizată atunci când pătrunde în plumb.)

În fizică, radiația este emisia sau transmisia de energie sub formă de unde sau particule prin spațiu sau printr-un mediu material. Aceasta include:

• radiații electromagnetice, cum ar fi unde radio, microunde, lumină vizibilă, raze X și radiații gamma (γ)
• radiația de particule, cum ar fi radiația alfa (α), radiația beta (β) și radiația neutronică (particule de energie de repaus diferită de zero)
• radiații acustice, cum ar fi ultrasunetele, sunetul și undele seismice (în funcție de mediul fizic de transmisie)
• radiația gravitațională, radiația care ia forma undelor gravitaționale.

Radiația este deseori clasificată ca fiind ionizantă sau neionizantă în funcție de energia particulelor radiate. Radiațiile ionizante poartă mai mult de 10 eV, ceea ce este suficient pentru a ioniza atomii și moleculele și pentru a rupe legăturile chimice. Aceasta este o diferențiere importantă datorită diferenței mari de nocivitate pentru organismele vii. O sursă comună de radiații ionizante sunt materialele radioactive care emit radiații α, β sau γ, constând în nuclei de heliu, electroni sau pozitivi, respectiv, fotoni. Alte surse includ razele X, muoni, mezoni, pozitroni, neutroni și alte particule care constituie razele cosmice secundare care sunt produse după ce razele cosmice primare interacționează cu atmosfera Pământului.

Radiații ionizante

Radiația ionizantă este o radiație care transportă suficientă energie pentru a elibera electroni de la atomi sau molecule, ionizându-le astfel. Radiația ionizantă este formată din particule energetice subatomice, ioni sau atomi care se deplasează la viteze mari (de obicei peste 1% din viteza luminii) și unde electromagnetice pe capătul energiei electrice a spectrului electromagnetic.
Razele X și partea superioară ultravioletă a spectrului electromagnetic sunt ionizante, în timp ce partea ultravioletă inferioară a spectrului electromagnetic și partea inferioară a spectrului sub UV, inclusiv lumina vizibilă (inclusiv aproape toate tipurile de laser lumină), infraroșu, microunde și unde radio sunt toate considerate radiații neionizante. Limita dintre radiațiile electromagnetice ionizante și neionizante, care apare în ultraviolete, nu este clar definită, deoarece diferite molecule și atomi ionizează la diferite energii. Definiția convențională plasează limita la o energie fotonică între 10 eV și 33 eV în ultraviolete (a se vedea secțiunea delimitată de mai jos).

Particulele subatomice ionizante tipice din radioactivitate includ particulele alfa, particulele beta și neutronii. Aproape toate produsele de dezintegrare radioactivă sunt ionizante, deoarece energia dezintegrării radioactive este de obicei mult mai mare decât cea necesară ionizării. Alte particule ionizante subatomice care apar în mod natural sunt muonii, mezonii, positronii și alte particule care constituie razele cosmice secundare care sunt produse după ce razele cosmice primare interacționează cu atmosfera Pământului. Razele cosmice sunt generate de stele și de anumite evenimente celeste, cum ar fi explozii supernova. Razele cosmice pot produce, de asemenea, radioizotopi pe Pământ (de exemplu, carbon-14), care, la rândul lor, se descompun și produc radiații ionizante. Razele cosmice și dezintegrarea izotopilor radioactivi sunt sursele primare ale radiațiilor ionizante naturale de pe Pământ, denumite radiații de fond. Radiațiile ionizante pot fi, de asemenea, generate artificial folosind tuburi de raze X, acceleratoare de particule și oricare dintre diferitele metode care produc în mod artificial radioizotopi.

Radiațiile ionizante nu pot fi detectate de către simțurile umane, deci trebuie să fie folosite instrumente de detectare a radiațiilor, cum ar fi contoarele Geiger, pentru a indica prezența lor și a le măsura. Cu toate acestea, intensitățile mari pot provoca emisii de lumină vizibilă la interacțiunea cu materia, cum ar fi în radiația Cherenkov și radioluminescența. Radiația ionizantă este utilizată într-o gamă largă de domenii, cum ar fi medicina, energia nucleară, cercetarea, producția, construcția și multe alte domenii, dar prezintă un pericol pentru sănătate dacă nu se respectă măsurile adecvate împotriva expunerii nedorite. Expunerea la radiații ionizante cauzează deteriorarea țesutului viu și poate provoca mutații, boală de radiații, cancer și moarte.

Radiația alfa

(Reprezentarea vizuală a dezintegrării alfa)

Dezintegrarea alfa (α) este un tip de dezintegrare radioactivă în care un nucleu atomic emite o particulă alfa (nucleu de heliu) și astfel se transformă sau se „descompune” într-un atom cu un număr de masă redus cu patru și un număr atomic care este redus cu doi. O particulă alfa este identică cu nucleul unui atom de heliu-4, care constă din doi protoni și doi neutroni. Are o sarcină de +2e și o masă de 4u. De exemplu, uraniul-238 se dezintegrează pentru a forma toriu-234. Parametrii alfa au o încărcătură +2, dar ca o ecuație nucleară descrie o reacție nucleară fără a lua în considerare electronii – o convenție care nu implică faptul că nucleele se găsesc în mod necesar în atomi neutri – sarcina nu este de obicei arătată.

Dezintegrarea alfa apare de obicei în cele mai grele nuclee. Teoretic, se poate întâmpla numai în nuclee ceva mai grele decât nichelul (elementul 28), unde energia totală de legare pe nucleon nu mai este un minim și nuclidele sunt, prin urmare, instabile tinzând spre procese spontane de tip fisiune. În practică, acest mod de dezintegrare a fost observat numai la nucleele considerabil mai grele decât nichelul, cei mai ușori emițători alfa fiind cei mai ușori izotopi (numere de masă 106-110) ai telurului (element 52). În mod excepțional, totuși, beriliul-8 se dezintegrează în două particule alfa.

Dezintegrarea alfa este de departe cea mai comună formă de dezintegrare de cluster, unde atomul părinte ejectează o colecție fiică definită de nucleoni, lăsând în urmă un alt produs definit. Este cea mai comună formă datorită energiei de legare extrem de ridicată și a masei relativ mici a particulelor alfa. Ca și alte dezintegrări de cluster, dezintegrarea alfa este fundamental un proces de tunelare cuantică. Spre deosebire de dezintegrarea beta, aceasta este guvernată de interacțiunea dintre forța nucleară și forța electromagnetică.

Particulele alfa au o energie cinetică tipică de 5 MeV (sau ≈ 0,13% din energia totală, 110 TJ/kg) și au o viteză de aproximativ 15.000.000 m/s sau 5% din viteza luminii. Există o variație surprinzător de mică în jurul acestei energii, datorită dependenței mari a timpului de înjumătățire al acestui proces de energia produsă. Datorită masei lor relativ mari, încărcăturii electrice +2 și vitezei relativ mici, particulele alfa sunt foarte probabil să interacționeze cu alți atomi și să-și piardă energia, iar mișcarea lor în față poate fi oprită cu câteva centimetri de aer. Aproximativ 99% din heliul produs pe Pământ este rezultatul dezintegrării alfa a depozitelor subterane de minerale care conțin uraniu sau toriu. Heliul este adusă la suprafață ca un produs secundar al producției de gaze naturale.

Utilizări

Americiu-241, un emițător alfa, este utilizat în detectoarele de fum. Particulele alfa ionizează aerul într-o cameră ionică deschisă și un curent mic trece prin aerul ionizat. Particulele de fum din foc care intră în cameră reduc curentul, declanșând alarma detectorului de fum.

Dezintegrarea alfa poate fi o sursă de energie sigură pentru generatoarele termoelectrice radioizotopice utilizate pentru sondele spațiale, și au fost utilizate pentru stimulatoarele cardiace artificiale. Dezintegrarea alfa este mult mai ușor protejată împotriva altor forme de dezintegrare radioactivă.

Eliminatorii statici utilizează în mod obișnuit poloniu-210, un emițător alfa, pentru a ioniza aerul, permițând o disipare mai rapidă.

Radiația beta

(Dezintegrarea beta) Este arătată o particulă beta (în acest caz un electron negativ) emisă de un nucleu, un antineutrino (nereprezentat) este emis întotdeauna împreună cu un electron. Inserare: în dezintegrarea neutronului liber, sunt produse un proton, un electron (dezintegrare beta negativă), și un antineutrino electron.)

O particulă beta, denumită uneori radiație beta, marcată cu litera greacă beta (β), este un electron sau un pozitron de mare viteză, emis în dezintegrarea radioactivă a unui nucleu atomic, cum ar fi un nucleu potasiu-40, în procesul de dezintegrare beta. Două forme de dezintegrare beta, β^– și β⁺ produc electroni, respectiv positroni. Particulele beta sunt un tip de radiații ionizante.

Dintre cele trei tipuri comune de radiații emise de materialele radioactive, alfa, beta și gamma, beta are puterea de penetrare medie și puterea ionizantă medie. Deși particulele beta emise de diverse materiale radioactive variază în funcție de energie, cele mai multe particule beta pot fi oprite cu câțiva milimetri de aluminiu. Totuși, acest lucru nu înseamnă că izotopii beta-emițători pot fi complet protejați de astfel de scuturi subțiri: pe măsură ce se decelerează în materie, electronii beta emit raze gama secundare, care sunt mai penetrante decât cele beta. Ecranul compus din materiale cu greutate atomică mai mică generează gamma cu o energie mai mică, făcând astfel scuturile oarecum mai eficiente pe unitate de masă decât cele fabricate din materiale de masă Z mare, cum ar fi plumbul.

Fiind compusă din particule încărcate, radiația beta este mai puternic ionizantă decât radiația gamma. Atunci când trece prin materie, o particulă beta este decelerată de interacțiunile electromagnetice și poate da raze X.

În apă, radiația beta din multe produse de fisiune nucleară depășește de obicei viteza luminii din materialul respectiv (care este de 75% cea a luminii în vid) și astfel generează radiația albastră Cherenkov atunci când trece prin apă. Radiația beta intensă din barele de combustibil ale reactoarelor de tip piscină poate fi astfel vizualizată prin apa transparentă care acoperă și protejează reactorul.

Utilizări

Particulele beta pot fi folosite pentru tratarea afecțiunilor de sănătate, cum ar fi cancerul de ochi și oasele, și sunt, de asemenea, utilizate ca markeri. Stronțiu-90 este materialul cel mai frecvent utilizat pentru a produce particule beta.

Particulele beta sunt de asemenea utilizate în controlul calității pentru a testa grosimea unui element, cum ar fi hârtia, care intră printr-un sistem de role. Unele dintre radiațiile beta sunt absorbite în timp ce trec prin produs. Dacă produsul este făcut prea gros sau subțire, se va absorbi o cantitate corespunzătoare de radiație diferită. Un program de calculator care monitorizează calitatea hârtiei fabricate va muta apoi rolele pentru a schimba grosimea produsului final.

Un dispozitiv de iluminare numit „betalight” conține tritiu și un fosfor. Pe măsură ce tritiumul se descompune, acesta emite particule beta; acestea lovesc fosforul, determinând fosforul să dea fotoni, la fel ca tubul catodic într-un televizor. Iluminarea nu necesită putere externă și va continua atâta timp cât există tritiu (fosforul nu se schimbă chimic); cantitatea de lumină produsă va scădea la jumătate din valoarea inițială în 12,32 ani, timpul de înjumătățire al tritiului.

Dezintegrarea beta-plus (sau pozitronică) a unui izotop radioactiv al markerului este sursa pozitronilor utilizați în tomografia cu emisie de pozitroni (scanarea PET).

Radiația gama

(Ilustrație a emisiei unei raze gama (γ) dintr-un nucleu atomic)

Razele gama (denumite și radiații gama), denotate de litera gama (γ), sunt radiații electromagnetice penetrabile de tipul celor care rezultă din dezintegrarea radioactivă a nucleul atomic. Se compune din fotoni în cea mai mare gamă observată de energie fotonică. Paul Villard, un chimist și fizician francez, a descoperit radiația gama în 1900, studiind radiațiile emise de radiu. În 1903, Ernest Rutherford a numit această radiație gama. Rutherford a descoperit anterior alte două tipuri de dezintegrare radioactivă, pe care le numea radiație alfa și radiație beta.

Radiația gama apare din dezintegrarea nucleului atomic de la o stare de energie înaltă la o stare de energie mai scăzută. Radiația gama ionizează atomii (sunt radiații ionizante) și sunt astfel periculoase din punct de vedere biologic.

Sursele naturale de raze gama de pe Pamant sunt observate în dezintegrarea gama a radionuclizilor și radiațiilor secundare din interacțiunile atmosferice cu particulele de raze cosmice. Există surse rare de natură terestră, cum ar fi fulgerele și flash-urile terestre gama, care produc raze gama care nu au o origine nucleară. În plus, razele gamma sunt produse printr-un număr de procese astronomice în care sunt produși electroni cu energie foarte mare, care la rândul lor produc radiații gama secundare, prin radiații de frânare, dispersia inversă Compton și radiația sincrotronică. Cu toate acestea, o mare parte din astfel de raze gama astronomice sunt ecranate de atmosfera Pământului și pot fi detectate doar de nave spațiale. Razele gama sunt produse și prin fuziune nucleară în stele, inclusiv în Soare (cum ar fi ciclul CNO), dar sunt absorbite sau inelastic împrăștiate de materialul stelar, reducându-le energia, înainte de a scăpa, și nu sunt observabile de pe Pământ ca raze gama.

Gama are în mod obișnuit energii de peste 100 keV și, prin urmare, are frecvențe mai mari de 10 exaherți (sau > 10¹⁹ Hz) și lungimi de undă mai mici de 10 picometri (10^-11 m), care este mai mică decât diametrul unui atom. Aceasta nu este o definiție strictă, ci mai degrabă o descriere regulată a proceselor naturale. Radiațiile electromagnetice de la dezintegrarea radioactivă a nucleelor ​​atomice sunt denumite „raze gama” indiferent de energia lor, astfel încât nu există o limită inferioară la energia gama derivată din dezintegrarea radioactivă. Această radiație are de obicei energie de câteva sute keV și aproape întotdeauna mai puțin de 10 MeV.

Utilizări

Radiația gama oferă informații despre unele dintre cele mai energice fenomene din univers; totuși, ele sunt în mare măsură absorbite de atmosfera Pământului. Instrumentele aflate la bordul baloanelor de înaltă altitudine și al sateliților, cum ar fi Telescopul Spațial Gamma Fermi, oferă singura noastră viziune asupra universului în razele gama.

Modificările moleculare induse de gama pot fi, de asemenea, folosite pentru a modifica proprietățile pietrelor semi-prețioase și sunt adesea folosite pentru a schimba topazul alb în topazul albastru.

Senzorii industriali fără contact utilizează în mod obișnuit surse de radiații gamma în rafinare, minerit, produse chimice, alimente, săpunuri și detergenți și industria celulozei și hârtiei, pentru măsurarea nivelelor, densității și grosimilor. De obicei, acestea utilizează izotopi Co-60 sau Cs-137 ca sursă de radiație.

Radiația gama este adesea folosită pentru a ucide organismele vii, într-un proces numit iradiere. Aplicațiile includ sterilizarea echipamentelor medicale (ca o alternativă la autoclave sau mijloace chimice), îndepărtarea bacteriilor care cauzează degradarea din multe alimente și prevenirea germinării fructelor și legumelor pentru a le menține prospețimea și aroma.

În ciuda proprietăților lor cauzatoare de cancer, razele gama sunt, de asemenea, utilizate pentru a trata unele tipuri de cancer, deoarece razele ucid, de asemenea, celulele canceroase. În cadrul procedurii numite chirurgie cu cțit gama, mai multe fascicule concentrate de raze gama sunt îndreptate spre tumoare pentru a ucide celulele canceroase. Fluxurile sunt orientate din unghiuri diferite pentru a concentra radiația asupra tumorii, reducând în același timp daunele asupra țesuturilor din jur.

Razele gama sunt, de asemenea, utilizate în scopuri de diagnostic în medicina nucleară în tehnicile imagistice. Sunt utilizați un număr de radioizotopi diferiți emițători de gama. De exemplu, într-o scanare PET un zahăr radiomarcat numit fludeoxiglucoză emite pozitroni care sunt anihilați de electroni, producând perechi de raze gama care evidențiază cancerul, deoarece cancerul are adesea o rată metabolică mai mare decât țesuturile înconjurătoare. Cel mai obișnuit emițător gama utilizat în aplicațiile medicale este izomerul nuclear 99nm techetium care emite raze gama în aceeași scară de energie ca și razele X de diagnosticare. Atunci când acest traductor de radionuclizi este administrat unui pacient, o cameră gama poate fi utilizată pentru a forma o imagine a distribuției radioizotopului prin detectarea radiației gama emise. În funcție de ce moleculă a fost marcată cu markerul, astfel de tehnici pot fi folosite pentru a diagnostica o scară largă de condiții (de exemplu, răspândirea cancerului în oase prin scanarea osoasă).