Radioaktivnost

Kako je Anri Bekerel otkrio radioaktivne zrake?

Pojava da H-zraci izazivaju fluorescenciju navela je (1896. godine) fizičara Anri Bekerela na ideju da ispita da li materije koje jako fosforesciraju i fluoresciraju, same po sebi emituju H-zrake. Ovu zavisnost Bekerel je htio da ispita na uranovim rudama, za koje je tvrdio da stalno u mraku fluoresciraju. Sa ispitivanjima počeo je jednog oblačnog dana. Ovaj francuski naučnik je bio mrzovoljan jer nije mogao da obavi željeni eksperiment. Narednih dana bilo je sunca u izobilju i on je obavio čitavu seriju eksperimenata. Iz laboratorije svoga oca uzeo je sudić sa jednom supstancom koja jako fluorescira kada se izloži sunčevoj svjetlosti. On bi jednu fotografsku ploču dobro umotao u crnu neprovidnu hartiju sprečavajući da sunčevi zraci neposredno dopru do nje pa je ovako izlagao dejstvu sunčeve svjetlosti. Hartija je dobro štitila fotografsku ploču i poslije razvijanja nikakvi crni tragovi na njoj se nisu mogli konstatovati. Međutim kada je u toku izlaganja ploče na njoj stajala bočica sa uranovom soli, fotografska ploča je pokazivala zacrnjenje tačno na onom mjestu gdje se bočica nalazila. Time je zaključio da uranova so fluorescira pod dejstvom svjetlosti. Već se unaprijed veselio pri pomisli kako će narednoj sjednici Akademije nauka moći saopštiti rezultate o čudnovatim prodornim zracima. Bio je i mrzovoljan jer je htio da eksperiment provjeri posljednji put, a sunca kao za pakost nije bilo. Ne samo toga dana, nego ni sledećih dana sunce se nije pojavljivalo. Kišni oblaci su prekrivali nebo i fotografska ploča je, dobro umotana u crnu hartiju, ležala u fioci pisaćeg stola. Na njoj je spokojno počivala bočica sa uranovom soli. Nakon nekoliko dana sunce se pojavilo, Bekerel je otišao u laboratoriju, izvadio ploču iz mračnog pisaćeg stola i iznenadio se: na razvijenoj ploči spazio je mrlju, crnju i veću nego ikad ranije. Pade mu odjedanput na pamet da uranova so šalje ove prodorne zrake i onda kada nema fluorescencije i kada nije izložena sunčevoj svjetlosti. Da bi se uvjerio u novo otkriće ponovio je još jedanput isti postupak. Ponovo je zapazio crne mrlje tačno na mjestima na kojima su stajale bočice, a zacrnjenje je bilo srazmjerno količini uranove soli.

Zaključak je bio jasan: u prirodi postoje supstance koje odašilju iz sebe prodorne zrake. Tako su bili otkriveni prvi radioaktivni (bekerelovi) zraci a za ovo otkriće Bekerel je dobio Nobelovu nagradu.



Otkriće radioaktivnih elemenata

Uzrok Bekerelovim zracima nije tada bio poznat. To je dalo povoda pariskoj hemičarki Mariji Kiri, po narodnosti Poljakinji, da i ona otpočne istraživanje uranovih i drugih preparata koji otpuštaju ovakve zrake. Već poslije godinu dana ona je utvrdila da mineral uranit emituje pet puta jače zrake nego čist elemenat uran. U saradnji sa svojim suprugom, Pjerom Kirijem, Marija je započela istraživanje sastojaka uranita hemijskom analizom. Ona je utvrdila da se uranit sastoji iz uranovog oksida i još nekih jedinjenja i elemenata među kojima se nalazi i bizmunt.

Veoma je značajno da je Marija pomoću osjetljivog elektroskopa uz primjenu piezoelektriciteta i jonizacije vazduha aktivnošću supstancije, mjerila zračenje pojedinih frakcija dobijenih iz uranita. Takvim mjerenjem ona je utvrdila da bizmunt dobijen iz uranita ima 60 puta jače zračenje nego čist uran.

Zajedno sa svojim suprugom Marija je zaključila da to zračenje nastaje uslijed prisustva nekog nepoznatog elementa koji ona naziva polonijum. Danas se taj elemenat naziva radijum. Nezavisno od Šmita koji je 4. aprila 1898. godine u Erlangenu otkrio da i elemenat torijum zrači isto kao i uran, Marija je do tog otkrića došla 12. aprila 1898. godine i o tome izvijestila Akademiju nauka u Parizu. Zatim je 26. decembra te iste godine objavila da talog barfijum-sulfata dobijen iz uranita ima još veću moć zračenja od polonijuma usred prisustva jednog nepoznatog elementa. Ona je tom elementu dala ime radijum i predložila da se elementi koji zrače Bekerelove zrake nazivaju radioaktivni elementi a to njihovo svojstvo radioaktivnost. Zraci koji emituju radioaktivni elementi otada se nazivaju radioaktivni zraci. Pošto je francuski naučnik Debiern 1899. godine takođe otkrio jedan radioaktivni elemenat i nazvao ga aktijum, to znači da je već početkom HH vijeka bilo poznato pet radioaktivnih elemenata:U, Th, Po, Ac i Ra. Među ovima radijum je bio poznat kao važno terapijsko sredstvo za liječenje raka.



Kasnije je ustanovljeno da su svi elementi iznad rednog broja 83 u Periodnom sistemu elemenata radioaktivni. Izuzetak čine lakši elementi kao što su kalijum, ribidijum, lutecijum i drugi,koji takođe ispoljavaju radioaktivno svojstvo ali u manjoj mjeri. Veliki broj naučnika je radio na otkrivanju prirodne radioaktivnosti. Oni su ustanovili da do tog zračenja dolazi spontano i stalno bez ikakvih spoljašnjih uticaja i da brzina zračenja ne zavisi od temperature,pritiska i slično.


Radioaktivnost i priroda radioaktivnih zraka

Radioaktivnost je spontani proces u kojem se atomsko jezgro, emitujući jednu ili više čestica ili kvanta elektromagnetnog zračenja, preobražava u drugo jezgro. To je nuklearna pojava tj. svojstvo nekih hemijskih elemenata, odnosno njihovih izotopa da emituju nevidljive čestice i zrake velike energije koji potiču iz atomskog jezgra. Opšte svojstvo radioaktivnih zraka je da djeluju na fotografsku ploču, da prodiru kroz razne materijale izvjesnih debljina, da izazivaju jonizaciju gasova i fluorescenciju raznih tijela.

Prvobitno nije bila poznata priroda zračenja nego se zbirno govorilo o radijaciji pa je ova pojava “raspada” jezgra nazvana radioaktivnost. Raspadom početnog jezgra, koje se naziva i jezgro roditelj, nastaje novo jezgro, potomak, koje može da ima redni broj Z i maseni broj A različit od jezgra roditelja.

Istražujući radioaktivne supstance u prirodi, naučnici su vrlo brzo otkrili da radioaktivna zračenja, koja ove odašilju, mogu biti trojaka i prozvali su ih prema tri slova grčke azbuke: alfa, beta i gama.



Alfa- i Beta-zrake

1. Alfa-zrake

Za alfa-zrake utvrđeno je da su slični kanalskim zracima, dakle, korpuskularne su prirode. Pošto se iz pozitivno naelektrisanih čestica razumljivo je da skreću u električnom i magnetnom polju po istim zakonima kao i kanalski zraci. Ovo je Raderford zaključio na osnovu toga što je primjenom Tomsonove metode mogao da odredi njihovo specifično naelektrisanje , gdje je naelektrisanje -čestice, a masa, i iznosi odnosno .

To su čestice koje se kreću kroz vazduh brzinom 20.000km u sekundi, i izazivaju snažnu jonizaciju gasa. U magnetnom polju, alfa čestice neznatno skreću u lijevo (kao pozitivno naelektrisane relativno teške čestice).

Prema tome masa -čestice je jednaka četvorostrukoj masi atoma vodonika što odgovara masi jednog atoma helijuma. Identičnost -čestice sa helijumom eksperimentalno su dokazali Raderford i Rojds 1909. godine. To su čestice koje se sastoje iz dva protona i dva neutrona, što znači da im je naelektrisanje +2e, a masa im je četiri puta veća od mase protona odnosno neutrona. Izletanjem iz supstancije alfa-čestice jonizuju vazduh i time se usporavaju. One imaju relativno malu prodornu moć, pa ih može zaustaviti list hartije ili aluminijska folija debljine 0,006 mm.

Uslijed velike mase i relativno male brzine alfa-čestice na svom putu kroz vazduh obrazuje veliki broj jonskih parova uz utrošak određene energije. Put na kome one vrše jonizaciju naziva se domet alfa-čestica. Na kraju dometa (koji iznosi 3-4 cm) alfa-čestice prelaze u neutralne atome helijuma. Domet alfa-čestica zavisi i od vrste radioaktivne supstancije kaja ih emituje. Ove čestice djeluju na fotografsku ploču (na kojoj ostavljaju kratke i široke tragove) i izazivaju fluorescenciju na nekim supstancijama.





2. Beta-zrake

Masa beta-čestica jednaka je masi elektrona. Naelektrisanje beta-čestica po veličini i znaku takođe se poklapa sa naelektrisanjem elektrona. Prema tome beta-čestice nisu ništa drugo nego brzi elektroni, koje emituje atom radioaktivnog elementa.

Brzina beta-čestica vrlo je velika i dostiže u nekim slučajevima 99% brzine svjetlosti.

Energija beta-čestica iznosi do nekoliko MeV. Sve beta-čestice koje emituje jedan radioaktivni elemenat nemaju istu energiju, već se ona kreće od nule do neke mah vrijednosti. Najveći broj ovih čestica ima neku srednju energiju.

Pauli (1932) je pretpostavio da se prilikom beta raspada emituje još jedna čestica, koju je on nazvao neutrino. I zaista, pokazalo se da je Pauli bio u pravu, jer je ovu česticu eksperimentalno otkrila (1956) grupa američkih fizičara. Zbir energije neutrina i odgovarajuće beta čestice jednak je maksimalnoj energiji beta čestice.

Kasnije proučavanja vještačke radioaktivnosti pokazala su da postoji još jedna vrsta beta čestice. Ove čestice imaju istu masu kao elektroni, ali su pozitivno naelektrisane elementarnom količinom naelektrisanja. Ove čestice se nazivaju pozitroni.

Sva ispitivanja su pokazala da se beta-zraci ponašaju slično katodnim zracima. To je ukazivalo da je i njihova priroda ista. Da bi dokazao sličnost između beta i katodnih zraka Bekerel je mjerio skretanje zraka u električnom i magnetnom polju i na osnovu toga odredio njihovu brzinu i naelektrisanje.

Beta-zraci mogu proći kroz list hartije debljine 1mm dok ih zaustavlja aluminijska pločica debljine 5mm. Domet beta-čestice u vazduhu je oko 100 puta veći nego alfa-čestice. Interesantno je da su beta-čestice slabiji jonizatori gasova.

Njihov trag na fotografskoj ploči je znatno tanji i duži da se po tome lako identifikuju.

S obzirom na velike brzine kojima se kreću, njihova masa je znatno veća nego masa elektrona u mirovanju, i izračunava se pomoću Ajnštajnove relacije:



gde je – masa beta-čestice u kretanju, – masa beta-čestice u mirovanju, – brzina beta-čestice i – brzina svjetlosti.

Energije beta-čestica su vrlo različite i zavise od vrste radioaktivne supstance koja ih emituje. Zbog manje mase, oni u električnom i magnetnom polju više skreću od alfa-čestica. Beta-čestice skreću na suprotnu stranu od alfa-čestica.



Mjerenje mase alfa i beta-čestica

Mjerenje mase alfa i beta-čestica nešto je složenije nego mjerenje mase jona, s obzirom na to što se brzina ovih čestica ne može odrediti. Da bi se ova teškoća prevazišla, potrebno je mjeriti skretanje čestica u električnom i magnetnom polju. Šema uređaja koji služi u tu svrhu prikazana je na slici broj 5.


Sl.br.5 Šema uređaja za mjerenje
mase i brzine naelektrisanih čestica

Snop alfa ili beta-čestica,koje emituje radioaktivni izvor S, prolazi između ploča kondenzatora K, koje imaju oblik kružnih segmenata. U prostoru između ovih ploča vlada jako električno polje. Smjer ovog polja može se mijenjati prekidačem P. Čestica koja se kreće putanjom označenom isprekidanim linijama upada u maseni spektograf, prolazi kroz otvor A na dijafragmi D i pod dejstvom homogenog magnetnog polja B pada na fotografsku ploču F.

Detaljnije ću razmotriti kretanje ove čestice. Između ploča kondenzatora K na česticu djeluje električna sila qE. Da bi se čestica kretala po kružnoj putanji,između ploča kondenzatora,ove električna sila mora biti u dinamičkoj ravnoteži sa centrifugalnom silom, treba da bude



Gdje je m-masa čestice, r-poznati poluprečnik kružnih segmenata kondenzatora K, q-naelektrisanje čestice, E-jačina električnog polja. Sve čestice koje nemaju brzinu koja zadovoljava uslov, tj. brzinu



neće se kretati putanjom označenom isprekidanom linijom na slici, niti će dospjeti u maseni spektograf. Mjerenjem rastojanja AC određuje se poluprečnik r putanje čestice u homogenom magnetnom polju. Ovaj poluprečnik povezan je sa brzinom kretanja čestice relacije , odakle je ; s brzinom na relaciji (3), odnos mase i naelektrisane čestice:

.



Gama-zraci

Gama čestice je otkrio 1900. godine francuski fizičar Pol Urlih Vilar prilikom posmatranja uranijuma.

Gama-zraci su elektromagnetna zračenja veoma kratkih talasnih dužina (0,005-0,4 A), koja bivaju izražena u momentu prelaza jezgra sa energetski višeg nivoa na energetski niži nivo. Iz toga razloga gama-zračenje pruža podatke o energetskim nivoima u jezgru, kao što su optički spektri H-zračenja govore o elektronskim nivoima u tomskom omotaču.

Brzina kretanja ovih zraka je ravna brzini svjetlosti. Gama-zraci na svom putu kroz vazduh proizvode relativno slabu jonizaciju, ali su najprodorniji i prolaze manje-više kroz sve materijale. Njihov domet zavisi od energije.

Gama-raspad je za razliku od alfa, beta-raspada malo specifičniji. Ovdje ne dolazi do pravog raspada jezgra na drugo jezgro, već je gama raspad neke vrste emisija gama zraka. Pri tome jezgro prelazi iz pobuđenog stanja u konačno stanje sa emisijom gama-čestica, koje zovemo fotoni.

Jezgro potomak ( nastalo raspadom jezgra roditelja) ne nalazi se u osnovnom stanju, nego u pobuđenom. Prilikom prelaska jezgra iz pobuđenog u osnovno stanje emituje se gama-foton, slično kao kod atoma prilikom njegovog prelaska iz pobuđenog u osnovno stanje,kada se emituje foton rendgenskog zračenja.

Pri prolazu kroz materiju gama-zraci gube energiju-apsorbuju se na više načina, od kojih su najvažniji: Fotoelektrični i Komptov efekat i stvaranje parova pozitron-elektron.

Fotoelektrični efekat dolazi do izražaja u slučaju dejstva gama-zraka niskih energija na atome sa većom atomskom težinom,pri čemu dolazi do izbijanja elektrona iz pogođenih atoma. Kinetička energija oslobođenih elektrona (A=E-R)jednaka je razlici energija upadnog gama zraka (E) i energije vezivanja elektrona u atom (R). Komptov efekat igra vidniju ulogu u slučaju dejstva gama-zraka viših energija na apsorbere sa manjom atomskom težinom. Pri sudaru sa slobodnim ili labilno vezanim elektronima gama-zraci predaju dio svoje energije,a sami produžavaju da se kreću sa promjenjenim pravcem i brzinom. Gama zraci visokih energija (preko 1,02 MeV) pri sudaru sa materijalima velike atomske težine gube cjelokupnu energiju i stvaranjem parova pozitron-elektron prestaju da postoje.

Izloženi jakom magnetnom polju gama-zraci ne skreću, pošto nisu naelektrisani. Oni najčešće prate alfa i beta emisiju.

Mogu proći i olovnu ploču debljine 20sm. Njihova putanja u vazduhu može da iznesi i po nekoliko metara i oni su znatno prodorniji i opasniji nego alfa i beta čestice.

Gama zraci su prodorna zračenja koja su po svojim osobinama veoma slična rendgenskim zracima, samo što su često još prodornija od ovih. Kao i rendgenske zrake ove jonizuju vazduh, djeluju na fotografsku ploču, pri prolazu kroz kristale nastaje difrakcija itd. Apsorpcija raste sa porastom atomskog broja elemenata. Međutim,prodorna moć rendgenskog zračenja raste s povećanjem napona na rendgenskoj cijevi. Pri kočenju elektrona ubrzanih naponom od nekoliko miliona volti dobija se zakočno rendgensko zračenje,koje se ni po čemu ne razlikuje od gama-zračenja. Dakle,poređenje svojstava rendgenskog i gama-zračenja pokazuje da su ove dvije vrste zračenja potpuno iste prirode. Prema tome,gama zračenja predstavljaju elektromagnetne talase. Talasna dužina gama zračenja veoma je mala,pa je,prema tome,energija gama-fotona vrlo velika. Dok energija rengenskog zračenja za tehničku upotrebu ide i do nekoliko keV,energija gama-zračenja ide i do nekoliko MeV.

Mjerenja su pokazala da gama-fotoni emitovani iz različitih radioaktivnih supstancija imaju različitu energiju.

U principu, za zaštitu od gama zračenja koriste se materijali napravljeni od elemenata velikog rednog broja koji dobro apsorbuje gama-zračenje čija debljina se određuje prema očekivanim maksimalnim intenzitetima zračenja. Takvi materijali su olovo,betonski zidovi,zemljane prepreke itd.



svetnauke.org

Slika 6, 7 i 8

Lako je uvjeriti se da jezgra atoma emituju radioaktivno zračenje. Za alfa-čestice to je očigledno s obzirom na to što se one ne nalaze u omotaču atoma. Da jezgro emituje beta-čestice dokazuje se hemijskim metodama. Ako jezgro emituje beta-česticu, to znači da se pozitivno naelektrisanje jezgra povećava za jedno elementarno naelektrisanje e. Ovo takođe znači da je jezgro elementa sa rednim brojem Z (u periodnom sistemu elemenata) prešlo (pretvorilo se, transmutovalo se) pri u jezgro sa rednim brojem (Z+1). Pošto redni broj elemenata Z određuje njegove hemijske osobine,to znači da se pri bitno mijenjaju hemijska svojstva elemenata. Dakle, ova emisijadovodi do transmutacije elemenata sa rednim brojem Z u element sa rednim brojem (Z+1).

S obzirom na to što je masa zanemarljivo mala u odnosu na masu jezgra, to je pri njoj ne dolazi do promjene masenog broja A. Prema tome, maseni broj jezgra potomka isti je kao i jezgra roditelja.

Opšti oblik raspada može se prikazati sledećom relacijom:



Dakle, jezgro H, sa rednim brojem Z i masenim brojem A, emisijom elektrona prelazi u jezgro Y,sa rednim brojem(Z+1) i masenim brojem A. Ovo znači da je položaj roditelja i potomka u Periodnom sistemu elemenata kao na slici broj 6.

Analogno raspadu, se može prikazati relacijom:



a na Periodnom sistemu elemenata slikom broj 7.

Emisija alfa-čestica ili alfa-raspad,takođe mijenja naelektrisanje jezgra. S obzirom da je naelektrisanje alfa-čestice jednako dvostrukom elementarnom naelektrisanju, to novonastalo jezgro ima manje naelektrisanje za 2e.

Emisija alfa-čestica dovodi do transmutacije elementa sa rednim brojem Z u elemenat sa rednim brojem (Z-2).

Pošto masa alfa-čestice približna 4 ajm, to je kod alfa-raspada masa jezgra potomka manja od jezgra roditelja za 4. Alfa-raspad može se prikazati slijedećom relacijom:



i šematski na Periodnom sistemu elemenata slikom broj 8.



svetnauke.org

Svojstvo urana, torijuma i nekih drugih elemenata jeste što neprekidno i bez ikakvog spoljnog uzroka emituju nevidljivo zračenje koje ima jonizujuće dejstvo i ostavlja trag na fotografskoj ploči. Ova pojava spontane emisije zračenja nazvana je radioaktivnost. Elementi koji posjeduju ovo svojstvo nazvani su radioaktivni elementi. Radioaktivnost kod urana prvi je zapazio Bekerel.

Poslije otkrića radioaktivnosti urana,Marija i Pjer Kiri ispitivali su znatan broj poznatih elemenata i ogroman broj njihovih jedinjenja da bi utvrdili njihova radioaktivna svojstva.

Utvrđeno je da se radioaktivno zračenje sastoji od tri komponente:alfa,beta i gama zrake. Alfa-zrake najmanju prodornu moć a gama-zrake najveću.

Pored radioaktivnih elemenata u prirodi,postoji veliki broj vještačkih radioaktivnih elemenata. Naime, naučnici su pokušali da silom razbiju atomsko jezgro i tako su vještačkim putem izazvali radioaktivno zračenje,samim tim su prirodni radioaktivni elementi izgubili prvobitni značaj.

Radioaktivno zračenje se mjeri i otkriva pomoću detektora. Postoje razne vrste detektora a najpoznatiji od njih su: Vilsonova komora, Jonizaciona komora i Gajger-Milerov brojač.

Razorna moć radioaktivnog zračenja iskorištena je u praktične svrhe,te njegova upotreba je danas veoma široka. Pored pozitivnih osobina,nevolja je u tome što su naša čula neosjetljiva na radioaktivne zrake. Zbog toga,veoma bitna je zaštita od ove vrste zračenja,gdje zakloni od olova i betona igraju važnu ulogu. Radioaktivno zračenje može biti od velike koristi ali isto tako velike količine radioaktivnog zračenja izazivaju teška oboljenja pa i smrt.



svetnauke.org

Kod urana i torijuma brzina radioaktivnog raspadanja je vrlo mala,tako da se tokom nekoliko godina ovo smanjenje ne može ni primjetiti. Međutim, u slučaju drugih elemenata, na primjer kod , mjerenjem je ustanovljeno da im je brzina raspadanja znatna u odnosu na brzinu raspadanja urana i torijuma. Ovo se jednostavno ustanovljava mjerenjem broja raspada u jedinici vremena. Broj jezgara , koja se raspadnu u vremenskom intervalu ,to jest:



gdje je -konstanta proporcionalnosti koja se naziva konstanta radioaktivnog raspada ili konstanta radioaktivnosti posmatrane radioaktivne supstancije. Znak minus u ovoj jednačini potiče od činjenice što se sa povećanjem vremena raspada smanjuje broj neraspadnutih jezgara roditelja.

Ako je broj neraspadnutih jezgara prije početka mjerenja,onda se integrisanjem jednačine nalazi da je broj neraspadnutih jazgara poslije vremena:



Ova relacija izražava zakon radioaktivnog raspada. Iz ovog zakona proizlazi da se broj jezgara eksponencijalno smanjuje sa porastom vremena.

Pri tome, vrijeme potrebno da se broj neraspadnutih jezgara u uzorku posmatrane radioaktivne supstancije smanji na polovinu naziva se vrijeme poluraspada. Ono se obilježava sa . Iz prethodne relacije, nalazi se da je:



gdje je jednako .

Odnosno:



odakle se vidi da su ili ili radioaktivna svojstva supstancije.

Konstanta radioaktivnog raspada ili vrijeme poluraspada predstavljaju jednu od osnovnih karakteristika radioaktivnog izotopa. Vrijeme poluraspada je konstantna veličina za jednu radioaktivnu supstanciju. Ona se običnim fizičkim i hemijskim spoljnim uticajima ne može mijenjati. Zapravo,radioaktivni raspad predstavlja karakteristiku atomskog jezgra, a za promjenu atomskog jezgra potrebne su vrlo velike energije, pa je očigledno zbog čega se običnim fizičkim i hemijskim uticajima karakteristike jezgra ne mogu promijeniti.



svetnauke.org

Jedne od veličina koja karakteriše radioaktivnost radioaktivnog uzorka jeste njegova aktivnost. Broj već raspadnutih jezgara u uzorku radioaktivne supstancije u toku jediničnog vremena (1s ) naziva se aktivnost.

Naime,aktivnost je brzina raspadanja jezgara roditelja u radioaktivnom uzorku.

Ona je:



odakle se može izvesti zaključak da je aktivnost A svojstvo posmatranog radioaktivnog uzorka.

Jedinica radioaktivnosti je bekerel (Bq). Naime,



Jediničnu aktivnost ima onaj radioaktivni uzorak u kome se desi raspad jednog jezgra svakog vremenskog intervala od jedne sekunde.

Očigledno je da aktivnost radioaktivnog uzorka zavisi od vrsta radioaktivne supstancije i količine radioaktivne supstancije od koje je načinjen uzorak (od broja atoma u njemu).


Prirodni i vještački radioaktivni izvori

Fizičar Raderford je 1903. godine zajedno sa hemičarem Sodijem dokazao da radioaktivnost zrači raspadanje atoma i da su zraci,koje je Bekerel otkrio,atomsko iverje koje leti na sve strane. Dokazalo se da proces raspadanja radioaktivnih atoma teče različitom brzinom,tako da se uran raspada vrlo sporo( 4,5 milijardi godina),a radijum relativno brže (1590 godina).

Uskoro je dokazano da je radioaktivni raspad atoma, odnosno atomskih jezgara,propraćen oslobađanjem velikih količina energije.

Radioaktivni izotopi se u prirodi pojavljuju u ograničenom broju i količini. Zapaženo je da su prirodno radioaktivni elementi sa atomskim brojem preko 80, dakle, elementi koji se nalaze na kraju Mendeljevog periodnog sistema elemenata, kao i da su većinom međusobno genetički grupisani u nizove ili radioaktivne porodice. Radioaktivnim raspadom izvjesnog člana niza nastaju nova radioaktivna jezgra, iz njih opet nova itd. Sve dok se poslije nekoliko stupanja niz ne završi stvaranje atoma sa stabilnom jezgrom.

Prirodni radioaktivni izotopi uglavnom pripadaju trima porodicama i to : uran – radijumovoj, koja broji 15 članova a roditelj joj je uran ( poslije većeg broja alfa i beta raspada niz se završava radi radijumom G-koji predstavlja stabilni izotop olova mase 206), torijumovoj, koja se poslije izvjesnog broja stupnjeva završava torijumom D-ThD-stabilnim izotopom olova mase 208 i aktinijumovoj, koja se završava stabilnim izotopomolova mase 207.

Četvrta radioaktivna porodica koju teorija predviđa, naziva se po članu najdužim vremenom poluraspada neptunijunovon. Članovi ovog niza imaju vrijeme poluraspada kratka u odnosu na geološko vrijeme, tako da se u prirodi ne mogu naći. Neptinijumov radioaktivni niz se završava stabilnim izotopom bizmuta mase 209, a njegovi članovi se proizvode vještačkim putem tj. nuklearnim reakcijama.

Pored prirodnih radioaktivnih izotopa grupisanih u radioaktivne porodice postoje i mnogi drugi koji zbog dugog vremena poluraspada i teškoća oko njihove identifikacije i mjerenja slabijih aktivnosti nemaju veći praktički značaj.

Već početkom HH vijeka su naučnici pokušali silom da razbiju atomsko jezgro i da vještačkim putem izazovu radioaktivno zračenje. Analogno hemijskim operacijama nazvane su operacije u vezi sa vještačkim razbijanjem atomskih jezgara nuklearnim reakcijama.

Godine 1919 pošlo je za rukom Raderfordu da bombardovanjem azota alfa-česticama prirodnog radioaktivnog izotopa radijuma C`–RaC`–postigne razbijanje atomskih jezgara azota i izvede prvu nuklearnu reakciju. Pri ovoj reakciji je jezgro atoma azota primilo jezgro helijumovog atoma-alfa-česticu-pa je, izbacivši proton, prešlo u stabilno jezgro kiseonika.

Godine 1934. su francuski naučnici Žolio-Kiri bombardovanjem aluminijuma alfa-česticama prirodnog radioaktivnog elementa polonijuma, uspjeli da dobiju radioaktivni izotop fosfor30,čime je otkrivena vještačka radioaktivnost.

Poslije ovih značajnih otkrića ,prirodni radioaktivni izotopi su izgubili svoj prvobitni značaj,a u čitavom svijetu se počelo raditi na vještačkom razbijanju atomskih jezgara i proizvodnji vještačkih radioaktivnih izotopa.



svetnauke.org

Radioaktivno zračenje se može indirektno registrovati pomoću posebnih uređaja-detektora. Pri prolasku radioaktivnog zračenja kroz razne supstancije dolazi do raznih procesa na čijim se efektima zasniva rad detektora. Postoje razne vrste detektora a ja ću ukratko opisati samo najpoznatijih od njih.


Fotoemulzija

Pošto je radioaktivno zračenje otkriveno pomoću fotografske ploče,ona se može smatrati prvim detektorom radioaktivnog zračenja. Metoda fotografske ploče je usavršena,tako da se došlo do primjene nuklearnih emulzija koje su izvanredno poslužile za detekciju nuklearnog i kosmičkog zračenja,kao i za proučavanje nuklearnih reakcija. Poslije razvijanja fotografske ploče ili nuklearnih emulzija tragovi koje su u njima ostavile nuklearne čestice posmatraju se i proučavaju pomoću mikroskopa ili se fotografišu.


Vilsonova komora

Engleski fizičar Vilson prvi je 1912. godine konstruisao ovaj uređaj. Vilsonovom komorom otkriveni su pozitroni, mezoni i neke druge nuklearne čestice. Aktivna sredina komore je zasićena para najčešće vode,helijuma,azota ili argona. Izvor radioaktivnog zračenja postavlja se unutar aktivne sredine.

Naglim povećanjem pritiska para se prvo sabije, a zatim smanjivanjem pritiska dolazi do širenja pare, pri čemu se temperatura pare snižava i ona prelazi u prezasićeno stanje. Takva para se lako kondenzuje u tečnost. Prilikom prolaska samo jedne alfa-čestice,obrazuje se hiljade pari jona koji postaju centri kondenzovanja pare, Na taj način se formiraju kapljice tečnosti,koje obrazuju tragove koji su vidljivi golim okom.


Jonizaciona komora

Jonizaciona komora se sastoji od posebnog suda u kojem se nalaze dvije elektrode priključene na visok napon. U sudu se nalazi neki obično plemeniti gas. Radioaktivno zračenje koje dospijeva u aktivnu zapreminu komore,jonizuje gas,pri čemu se obrazuju joni oba znaka. Pod uticajem jakog električnog polja joni se skupljaju na elektrodama. To uslovljava pojavu električne struje kroz gasnu sredinu koja se poslije pojačavanja registruje mjernim instrumentom. Pomoću jonizacione komore mogu se registrovati alfa i beta čestice,dok je za gama ovo suviše prozračan detektor.


Gajger-Milerov brojač

Najčešće primjenjena vrsta brojača koji je našao primjenu ne samo u fizici već i u tehnici i ostalim naukama.Rad ovog brojača je zasnovan na jonizacionim efektima. On je veoma pogodan za upotrebu i relativno je jeftin. staklen, iznutra posrebren,ili metalni sud cilindričnog oblika,ispunjen nekim plemenitim gasom pod sniženim pritiskom. Katoda je cilindričnog oblika a anoda je tanka žica postavljena duž cilindra. Elektrode su priključene na izvor jednosmjerne struje,visokog napona,koji obrazuje jako električno polje. Pri prolasku radioaktivnog zračenja,gas u brojaču se jonizuje. Joni dolaze do elektroda(elektroni na anodu a pozitivni joni na katodu).Time se strujno kolu u brojaču zatvara i pojavljuje se naponski impuls. Uređajem za brojenje impulsa se broje naponski impulsi nastali u određenom intervalu vremena. Na osnovu toga dobija se informacija o intenzitetu zračenja. Pomoću ovog brojača detektuju se alfa i beta čestice.



svetnauke.org

Razorna moć radioaktivnog zračenja iskorištena je u praktične svrhe: konzerviranje namirnica; sterilizacija medicinskih proizvoda, proizvodnja plastičnih masa i poboljšanje njihovih osobina…

Za konzerviranje hrane su upotrebljeni radioaktivni zraci jer ubijaju mikroorganizme. Mikroorganizmi mogu da budu efikasno uništeni,ali problemi su nastali kada su se počele javljati određene promjene na namirnicama. Daleko manji problem od konzerviranja predstavljala je pasterizacija hrane. Ogledi pokazuju da pri niskim dozama zračenja nema nepoželjnog mirisa. promjene ukusa ili boje..


Nuklearna medicina -
gama kamera

Mnogi plastični materijali poboljšavaju svoje kvalitete kada su izloženi dejstvu zračenja,postaju elastičniji, otporniji na toplotu i na kiseline. U rafinerijama nafte korišćenjem razorne moći radioaktivnih zračenja se došlo da mnogih koristi.

Radioaktivna zračenja pomažu u praćenju nekih procesa i kod biljaka i njihovog razvoja. Naime,može se pratiti kako biljka koristi đubrivo i koji su povoljni uslovi za njeno korišćenje.

Debljinu snježnih nanosa,te visinu nivoa vode u uvalama i cisternama možemo izmjeriti pomoću jednostavnih uređaja koji rade na principu radioaktivnog zračenja. Može se utvrditi i nepravilnost kod ispitivanih materijala.

Umjesto uklanjanja bolesti raka iz organizma operacijom,koriste se prodorna zračenja koja razaraju kancerogena tkiva. Koriste se i u medicinskoj dijagnostici.

Zahvaljujući radioaktivnosti su se ostvarili mnogi korisni učinci u proizvodnji električne energije,u proizvodnji lijekova,tokom istraživanja u medicini,tokom liječenja,tokom raznih medicinskih snimanja,tokom istraživanja svemira…

Takođe, korisni učinci radioaktivnih materijala su se javili kod pogona brodova i podmornica. Radioaktivni alfa-emitori se koriste za napajanje srčanih pacemaker-a i svemirskih letjelica.

Bez prekopavanja podova mogu se pronaći pukotine u vodovodnim instalacijama pomoću Gajger-Milerovog brojačkog uređaja.

Radioaktivno zračenje se koristilo još u mnoge druge svrhe pa i za izradu atomske bombe. Njegova upotreba je široka vjerovatno zbog što su ne iziskuje velika materijalna sredstva.



svetnauke.org