V.2.2. Dezintegrarea radioactivă și radiațiile alfa, beta și gamma.

• V.2.2.1. Dezintegrarea alfa.
• V.2.2.2. Dezintegrarea beta minus.
• V.2.2.3. Dezintegrarea beta plus.
• V.2.2.4. Dezintegrarea gamma.
• V.2.2.5. Legea dezintegrării radioactive. Timpul de înjumătățire.
• V.2.2.6. Puterea de penetrare a radiațiilor alfa, beta și gamma.
• V.2.2.7. Aplicațiile radiației alfa, beta și gamma.

Dezintegrarea radioactivă (radioactivitatea/ transmutația nucleară naturală) este fenomenul spontan prin care nucleul unui izotop radioactiv instabil se transformă în alte nuclee prin emisia unor radiații nucleare.

În funcție de radiația emisă putem avea dezintegrare alfa, beta sau gamma.

V.2.2.1. Dezintegrarea alfa.

Exemplu de dezintegrare alfa:

V.2.2.2. Dezintegrarea beta minus.

🔦 Observații

• Inițial s-a crezut că la fiecare dezintegrare β^- se emite doar o singură particulă (electron), dar măsurând energia electronilor emiși prin dezintegrare β^- s-a constatat că energia acestora este cuprinsă între zero și energia pierdută de nucleu prin dezintegrare, spre deosebire de particulele α emise de aceeași substanță radioactivă, care au întotdeauna aceeași energie. Deci, rezultă că la dezintegrarea beta lipsește o parte însemnată a energiei pierdute de nucleul radioactiv asociată cu o lipsă în valoarea spinului și cu o abatere de la conservarea impulsului. Soluția acestei probleme a fost dată în anul 1930 de Wolfgang Pauli, care a emis ipoteza că în reacția de dezintegrare beta mai apare o particulă, care este responsabilă cu "furtul" de energie. Această particulă, la sugestia lui Enrico Fermi, a obținut numele de neutrino (cu simbolul niu, ν), ceea ce în italiană înseamnă „micul neutron”. Neutrinul (ν) este o particulă neutră din punct de vedere electric și cu masa de repaus aproape nulă. Antiparticula ṽ este antineutrinul. În dezintegrarea beta minus un neutron este transformat într-un proton prin emisia unui electron însoțită de un antineutrin.

n⁰ → p⁺ + e^- + ṽ

Iată de ce nucleul atomului Z are cu un proton în plus față de nucleul atomului X.

Pe cale experimentală, neutrinul și antiparticula asociată, antineutrinul, au fost puse în evidență în anul 1956 de către Tsung-Dao și Chen Ning Yang.

Neutrinul și antineutrinul sunt particule foarte greu de detectat experimental, deoarece nu au sarcină electrică și interacționează foarte slab cu materia (prin forța nucleară slabă). Detectoarele de neutrini detectează numai câțiva neutrini pe zi din miliardele de neutrini care ajung acolo.

• Chiar dacă nucleul nu conține electroni, electronii emiși de nuclee sunt identici cu cei din învelișul electronic, apărând în procesul de transformare, numit dezintegrare beta minus a nucleului. Dezintegrarea β^- constă în emisia spontană de electroni de către unele nuclee ce au neutroni în exces.

V.2.2.3. Dezintegrarea beta plus.

În luna octombrie a anului 1933, Joliot Curie comunica o lucrare despre dezintegrarea beta plus (β⁺), care este specifică nucleelor ce au în exces protoni și care are loc cu emisie de pozitroni β⁺ și neutrino.

🔦 Observații

• Nici particula beta, nici antineutrinul asociat cu acesta nu există în nucleu înainte de dezintegrarea beta, dar sunt create în procesul de dezintegrare. Prin acest proces, atomii instabili obțin un raport mai stabil dintre protoni și neutroni.

• Reacțiile beta cu emisie de pozitroni au loc doar în nucleele artificial radioactive, unde energia nucleului atomului inițial este mai mică decât energia nucleelor atomilor rezultați. Ele nu au loc spontan în natură, întrucât, pentru a avea loc, ar avea nevoie de o cuanta de energie inițială.

V.2.2.4. Dezintegrarea gamma.

Paul Villard, un chimist și fizician francez, a descoperit radiația gama în 1900, studiind radiațiile emise de radiu. În 1903, Ernest Rutherford i-a dat denumirea de radiație gamma.

Razele (radiațiile) gamma (notate cu litera grecească gamma, γ), sunt radiații electromagnetice (fotoni) rezultate în urma dezintegrărilor radioactive ale nucleul atomic (alfa și beta). Ele nu au sarcină electrică și nici masă de repaus, având ca orice radiație electromagnetică viteza luminii.

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

Dezintegrarea γ însoțește dezintegrarea α sau β. Astfel, în urma emisiei unei particule α sau β (electron sau pozitron) nucleul rămâne uneori într-o stare energetică superioară și emite un foton γ, trecând în starea fundamentală. Prin emisia unei cuante γ, nucleul se dezexcită, fără să își modifice numărul atomic Z și nici numărul de masă A. Energia radiației gamma este egală cu diferența dintre energiile celor două stări.

Radiațiile gamma au cea mai mare energie și putere de pătrundere în substanțe dintre toate radiațiile electromagnetice, fiind extrem de periculoase și distrugând celulele vii. Radiații γ sunt emise în bombe atomice, explozii solare, în dezintegrările nucleele atomilor. Ele au frecvența cuprinsă între 3 ∙ 10¹⁹ Hz – 3 ∙ 10²² Hz și lungimea de undă de 5 ∙ 10^-12m - 10^-16m.

V.2.2.5. Legea dezintegrării radioactive. Timpul de înjumătățire.

Procesul de dezintegrare nu depinde de temperatură, presiune sau de combinația chimică în care apare atomul al cărui nucleu se dezintegrează.

Dezintegrarea este un fenomen aleatoriu și individual, adică nu se poate determina când se va dezintegra un anumit nucleu atomic, deși pentru o populație mare de nuclee de un anumit tip se poate estima câte nuclee vor suferi dezintegrarea într-un anumit interval de timp. Un anumit nucleu se poate dezintegra în următoarea fracțiune de secundă sau poate să nu se dezintegreze timp de milioane de ani.

Se numește activitatea (Λ) unei surse radioactive mărimea fizică scalară care arată numărul de nuclee din sursă care se dezintegrează în unitatea de timp sau variația (scăderea) numărului de nuclee active în unitatea de timp.

Activitatea (Λ) unei surse radioactive este definită de relația:

Δn este numărul de nuclee care se dezintegrează în intervalul de timp Δt.

Unitatea de măsură a activității în S.I. este :

Activitatea unei surse radioactive este direct proporțională cu numărul de nuclee nedezintegrate (n) din acel moment:

Λ = λ ∙ n

🔦 Observație

Constanta de proporționalitate (λ) se numește constantă radioactivă, fiind o constantă de material, caracteristică fiecărei specii de nuclee.

Ea reprezintă probabilitatea de dezintegrare în timp.

Din definiția acestei mărimi, rezultă că probabilitatea ca un nucleu să se dezintegreze în intervalul Δt este λ ∙ Δt, în timp ce probabilitatea ca el să rămână nedezintegrat este (1 - λ ∙ Δt).

Considerând că la momentul t₀ = 0, proba radioactivă conținea N₀ nuclee nedezintegrate și la momentul oarecare t numărul nucleelor nedezintegrate este N, prin integrare, din relația precedentă se obține:

Forma finală a acestei ecuații reprezintă legea dezintegrării radioactive (lege exponențială), care arată că numărul nucleelor rămase nedezintegrate scade exponențial în timp:

N(t) = N₀ ∙ e^-λ∙t

Legea dezintegrării radioactive are un caracter statistic și are următoarea interpretare: nu se poate anticipa momentul dezintegrării unui anumit nucleu, dar se știe că probabilitatea lui de dezintegrare este constantă, adică nu depinde de timpul său de supraviețuire, notat cu 𝛕. Timpul mediu de viață al unui nucleu este intervalul de timp după care numărul de nuclee rămase nedezintegrate scade de "e" ori.

O altă mărime fizică ce caracterizează substanțele radioactive este timpul de înjumătățire (T_1/2) care arată timpul după care se dezintegrează, în medie, jumătate din numărul inițial de nuclee (N₀):

𝛕 este timpul mediu de viață al unei specii de nuclee

🔦 Observație

Timpul de înjumătățire este o constantă de material, caracteristică fiecărei specii de nuclee.

Activitatea unei surse radioactive de masă m, formate dintr-un singur radionuclid cu număr de masă A și constanta de dezintegrare λ, este:

Activitatea specifică (Λs) este egală cu activitatea unității de masă:

🔦 Observație

Tabel cu timpii de înjumătățire ai unor izotopi radioactivi

Se numește serie (familie radioactivă) o succesiune de elemente radioactive care se formează unul din altul prin procese de dezintegrare. Ea începe cu un cap de serie (nucleu instabil și radioactiv) și se încheie cu un nucleu stabil.

Se cunosc patru familii radioactive, din care trei există în mod natural.

Iată cele trei familii radioactive naturale (capul lor de serie și nucleul stabil final):

Cea de-a patra serie este produsă în reactorul nuclear, neptuniul fiind un element care nu se găsește în natură:

🔦 Observație

Când între izotopii unei serii radioactive (A → B) avem T1/2 A ≫ T1/2 B → λA ≪ λB și se poate demonstra matematic că ΛA ≅ ΛB. Egalitatea dintre activitatea capului de serie cu activitățile produșilor săi de dezintegrare se numește echilibru secular.

🔓 Problemă rezolvată - Legea dezintegrării radioactive. Timpul de înjumătățire

Rezolvare:

Λ_232Th = Λ_228Ra = Λ_220Rn

• Exprimăm activitățile celor 3 nuclee radioactive cu formula: Λ = λ ∙ N și obținem relația:

λ_Th ∙ N_Th = λ_Ra ∙ N_Ra = λ_Rn ∙ N_Rn

• Din formula timpului de înjumătățire (T_1/2) scoatem constanta de dezintegrare:

• Înlocuim constanta de dezintegrare în formula: λ_Th ∙ N_Th = λ_Ra ∙ N_Ra = λ_Rn ∙ N_Rn și obținem:

• Simplificăm cu ln2 și obținem relația:

• Înlocuim în formula de mai sus numărul de nuclee radioactive (N) din formula numărului de moli cu:

• Simplificăm N_A și obținem relația:

• Calculăm masele radiului și radonului:

Rezolvare:

• Din formula activității specifice scoatem constanta de dezintegrare:

• Înlocuim constanta de dezintegrare în formula timpului de înjumătățire (T_1/2) și obținem relația:

• Cu regula de trei simplă aflăm timpul de înjumătățire din secunde în ani:

V.2.2.6. Puterea de penetrare a radiațiilor alfa, beta și gamma.

Dezintegrarea radioactivă constă în transformarea spontană a unui nucleu instabil, numit și radioizotop, într-un atom mai stabil, degajând energie sub formă de radiații alfa (fluxuri de nuclee de heliu cu viteza de 20.000 km/s), beta (fluxuri de electroni cu viteza de aproximativ 300.000 km/s sau fluxuri de pozitroni) sau gamma (radiații electromagnetice de energii înalte sau fotoni emiși din nucleul unui atom cu viteza de 300.000 km/s).

Radiația alfa (α) este emisă de izotopi naturali (cum ar fi uraniu, toriu și radiu) și artificiali (cum ar fi cesiu, plutoniu și americiu).

Radiațiile alfa au următoarele caracteristici:

• nu sunt penetrante, pot pătrunde doar în stratul exterior al pielii (epidermă),
• parcursul în aer este de 3 - 4 cm,
• pot fi ecranate de o foaie de hârtie,
• prezintă un risc sever la iradierea internă (când materialele alfa emițătoare sunt ingerate sau inhalate).

Radiațiile beta (β) au următoarele proprietăți:

• puterea de penetrare este mai mare decât a particulelor alfa, având capacitatea de a penetra pielea,
• pot fi ecranate de plastic, foiţă subțire de aluminiu, lemn,
• prezintă un risc mediu la iradierea internă și externă (când materialele beta emițătoare sunt ingerate sau inhalate).

Radiațiile gamma (γ) au următoarele caracteristici:

• sunt penetrante, au capacitatea de a traversa complet organismul,
• pot fi ecranate de materiale cu număr atomic Z mare (plăci groase de plumb) sau perete de beton,
• prezintă risc radiologic semnificativ la iradierea internă și externă.

Razele gamma sunt cele mai penetrante radiații, putând străbate cu ușurință corpul omenesc, țesuturi animale și vegetale, substanţe cu densități mici și medii. În urma interacțiunii dintre aceste radiații și organismele vii, apar fenomene fizice (ionizări, excitări atomice) care determină diferite consecințe biochimice (alterări ale macromoleculelor, ale sistemelor enzimatice, ruperi de legături chimice, apariția de radicali liberi și alte recombinări nedorite). Efectele cele mai însemnate au loc la celulele germinale (sexuale), prin alterare cromozomilor și a codului genetic (ADN/ARN), cu transmiterea mutațiilor genetice la descendenţi.

V.2.2.7. Aplicațiile radiației alfa, beta și gamma.

Aplicațiile radiației alfa, beta și gamma.

Cea mai cunoscută aplicație a radiației alfa este detectorul de fum. 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.

Aplicațiile radiațiilor beta:

• Particulele beta pot fi folosite pentru tratarea afecțiunilor de sănătate (de exemplu, cancerul de ochi și de oase).
• Dezintegrarea beta plus (pozitronică) a unui izotop radioactiv al markerului este sursa pozitronilor utilizați în tomografia cu emisie de pozitroni (scanarea PET).
• 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 prea 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 fosfor. Pe măsură ce tritiul se descompune, acesta emite particule beta, care lovesc fosforul, determinând fosforul să dea fotoni, similar procesului din tubul catodic dintr-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.

Aplicațiile radiațiilor gamma (γ):

• Gammagrafia constă în iradierea unei piese cu radiații gamma, după care se obține pe filmul radiografic imaginea structurii macroscopice interne a piesei respective, prin acționarea asupra emulsiei fotografice.
• Radiația gamma oferă informații despre fenomenele din univers cu ajutorul instrumentelor aflate la bordul baloanelor de înaltă altitudine și al sateliților (de exemplu, Telescopul Spațial Gamma Fermi), care oferă o viziune asupra universului în razele γ.
• Modificările moleculare induse de radiația γ sunt folosite pentru a modifica proprietățile pietrelor semiprețioase (de exemplu, 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 gamma este folosită pentru a ucide microorganisme, acest proces fiind folosit la sterilizarea echipamentelor medicale, îndepărtarea bacteriilor din alimente, prevenirea germinării fructelor și legumelor pentru a le menține prospețimea și aroma, pentru protejarea patrimoniului cultural (icoane, tablouri, colecții de carte rară, diverse țesături etc.).
• Chiar dacă razele gamma cauzează cancer, ele sunt utilizate pentru a trata unele tipuri de cancer, în cadrul chirurgiei cu un cuțit gamma, în care mai multe fascicule concentrate de raze gamma sunt îndreptate spre tumoare pentru a ucide celulele canceroase.
• Razele γ sunt utilizate în scopuri de diagnostic în medicina nucleară prin tehnici imagistice. De exemplu, într-o scanare PET un zahăr radiomarcat numit fludeoxiglucoză emite pozitroni care sunt anihilați de electroni, producând perechi de raze gamma care evidențiază cancerul, deoarece cancerul are adesea o rată metabolică mai mare decât țesuturile înconjurătoare.