Radioaktiivisuus
Wikipedia
 Radioaktiiviset prosessit |
|
Radioaktiiviset prosessit:
Ydinsynteesi
|
Radioaktiivinen aine on alkuaine, joka on atomin ytimen rakenteeltaan epävakaa ja hajoaa spontaanisti kevyemmiksi aineiksi. Prosessissa vapautuu ionisoivaa säteilyä, joka on joko sähkömagneettista säteilyä tai hiukkassäteilyä.
Radioaktiivisen atomin hajoamista voi stimuloida pommittamalla sitä muilla hiukkasilla, esimerkiksi neutroneilla. Osuessaan atomiytimeen ylimääräinen neutroni muuttaa ytimen epävakaaksi, jolloin se hajoaa itsekseen. Ytimen hajotessa vapautuu lisää neutroneita, mikä voi johtaa ketjureaktioon. Tätä ilmiötä käytetään hyväksi ydinaseissa ja ydinvoimassa.
Puoliintumisaika on aika, jonka kuluessa puolet radioaktiivisen aineen ytimistä on hajonnut toisiksi ytimiksi. Se vaihtelee eri aineilla miljoonista vuosista nanosekunteihin.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Mittayksiköitä
SI-järjestelmän mukainen aktiivisuuden yksikkö on becquerel. Yksi becquerel vastaa yhtä hajoamista sekunnissa.
Absorboituneen annoksen yksikkö on gray, J/kg. Ekvivalenttiannosta mittaa sievert, joka on gray kerrottuna säteilyn haitallisuudella. Beeta- ja gammasäteilyllä kerroin on yksi, neutronisäteilyllä 10 ja alfasäteilyllä 20.
[muokkaa] Radioaktiiviset reaktiot
Radioaktiivisuus voi ilmetä monilla eri tavoilla:
- Alfasäteily: Ydin emittoi alfa-hiukkasen (Helium-4-ytimen), jolloin sen massaluku vähenee neljällä ja järjestysluku kahdella. Tämä jälkeen ydin jää yleensä virittyneeseen tilaan.
- Beetasäteily: Ytimen neutroni muuttuu protoniksi ja emittoi beeta-hiukkasen (nopea elektroni). Tämä kasvattaa järjestyslukua yhdellä massaluvun muuttumatta. Päinvastainen reaktio on mahdollinen, mutta harvinainen. Ydin jää yleensä virittyneeseen tilaan.
- Gammasäteily: Ytimen virittynyt tila purkautuu ja se emittoi gamma-hiukkasen (suurienergiainen fotoni).
- Spontaani fissio: Ydin hajoaa kahdeksi pienemmäksi ytimeksi, ja mahdollisesti nopeiksi neutroneiksi, beeta- ja alfahiukkasiksi ja emittoi gammasäteitä. Fissio on yleensä melko harvinainen ellei ydin ole absorboinut ylimääräistä neutronia. Ytimen hajotessa siitä syntyy uusia alkuaineita. Nämä voivat edelleen hajota uusiksi alkuaineiksi kunnes syntyy stabiili ydin.
Radioaktiivisuuden lajien esiintyminen vaihtelee isotoopista toiseen. Isotoopille luonteenomaiset hajoamislajit esitetään usein hajoamiskaaviona, josta tässä esimerkkinä erään radioaktiivisen kultaisotoopin, 198Au:n hajoamiskaavio:
Kaavion vasemmassa ylälaidassa on hajoava isotooppi, eli tässä 198Au. T1/2 ilmaisee puoliintumisajan 2,7 päivää. Kolme viistosti alas oikealle osoittavaa nuolta kertovat, mitä hajoamisreaktioita isotoopilla ilmenee. Tässä kaikki ovat beetahajoamista, kuten β-symbolit osoittavat. Kunkin hajoamisen suhteellinen osuus kaikista hajoamisista on merkitty prosenttilukuna.
Beetahajoamiset päätyvät kolmelle eri energiatasolle, joita kuvastavat kolme vaakasuoraa viivaa kuvan oikealla puolella. Näistä kaksi ylempää ovat metastabiileja eli ne purkautuvat hyvin nopeasti ja atomi emitoi gammasäteilykvantin, mikä ilmaistaan γ-symbolilla purkautumista kuvaavien pystysuorien nuolten vieressä. Kunkin metastabiilin tilan puoliintumisaika on merkitty vastaavan energiatason päälle, tässä 23 ja 2,5 pikosekuntia. Energiatasojen energia on merkitty niiden oikealle puolelle elektronivoltteina. Energia on laskettu suhteessa elohopean isotooppiin 198Hg, joksi kaikki 198Au-atomit lopulta hajoavat jotain kaavion hajoamispolkua pitkin.
[muokkaa] Muutamia radioaktiivisia aineita
| Isotooppi | Puoliintumisaika | Hajoamismekanismi |
|---|---|---|
| Uraani-238 | 4 500 miljoonaa vuotta | Alfa |
| Hiili-14 | 5 570 vuotta | Beeta |
| Koboltti-60 | 5,3 vuotta | Gamma |
| Radon-222 | 4 päivää | Beeta |
[muokkaa] Radioaktiiviset hajoamisketjut
Aine, joka syntyy radioaktiivisen aineen hajotessa, saattaa edelleen olla radioaktiivinen, samoin kuin sen hajoamistuote. Suurin osa luonnossa esiintyvistä radioaktiivisista aineista kuuluukin johonkin kolmesta hajoamisketjusta, joista käytetään tunnetuimpien jäsentensä mukaan nimityksiä toriumsarja, radiumsarja (tai uraanisarja) sekä aktiniumsarja. Kukin näistä päättyy stabiiliin lyijyisotooppiin. Toriumsarjan kaikkien jäsenten massaluvut ovat muotoa 4n, radiumsarjan 4n+2 ja aktiniumsarjan 4n+3. Kukin sarja alkaa hyvin pitkäikäisestä isotoopista, joita on säilynyt Maan syntymisestä sakka. Neljäs hajoamissarja, neptuniumsarja, jossa massaluvut ovat muotoa 4n+1, alkaa neptuniumisotoopista Np-237. Kun se kuitenkin on suhteellisen lyhytikäinen, ei sen jäseniä luonnossa enää esiinny, lukuun ottamatta niistä viimeistä, vismuttia Bi-209, jota aikaisemmin pidettiin stabiilina. Nyttemmin on kuitenkin todettu, että sekin on hyvin heikosti radioaktiivinen, puoliintumisaika 1,9×1019 vuotta, ja se hajoaa edelleen talliumiksi Tl-205.
Luonnossa esiintyy myös useita näihin ketjuihin kuulumattomia, kevyempien alkuaineiden radioaktiivisia isotooppeja. Niistä jotkin syntyvät kosmisen säteilyn vaikutuksesta, kuten C-14 eli ns. radiohiili, toiset taas kuten kaliumisotooppi K-40 ovat niin pitkäikäisiä, että siitä määrästä, mikä niitä oli Maan muodostuessa, on vielä merkittävä osa jäljellä.
Joskus samakin ydin saattaa hajota joko alfa- tai beetahajoamisella, jolloin syntyy kahta eri hajoamistuotetta. Alla olevista taulukoista on kuitenkin jätetty pois sellaiset hajoamisketjujen sivuhaarat, joiksi pienempi osa kuin 0,0001 % edellisestä aineesta hajoaa. Luovutettuun energiaan on laskettu kaikkien emittoituneiden hiukkasten sekä jäljelle jäävän ytimen liike-energia (elektronien, alfahiukkasten, gammakvanttien, neutriinojen, Augerin elektronien ja röntgensäteilyn).
Toriumsarja (4n-sarja):
Kirjain 'a' tarkoittaa juliaanista vuotta (365,25 vuorokautta).
| nuklidi | hajoamistapa | puoliintumisaika | luovutettu energia, MeV | hajoamistuote |
|---|---|---|---|---|
| 232Th | α | 1,405·1010 a | 4,081 | 228Ra |
| 228Ra | β- | 5,75 a | 0,046 | 228Ac |
| 228Ac | β- | 6,25 h | 2,124 | 228Th |
| 228Th | α | 1,9116 a | 5,520 | 224Ra |
| 224Ra | α | 3,6319 d | 5,789 | 220Rn |
| 220Rn | α | 55,6 s | 6,404 | 216Po |
| 216Po | α | 0,145 s | 6,906 | 212Pb |
| 212Pb | β- | 10,64 h | 0,570 | 212Bi |
| 212Bi | β- 64,06 % α 35,94 % |
60,55 min | 2,252 6,208 |
212Po 208Tl |
| 212Po | α | 299 ns | 8,955 | 208Pb |
| 208Tl | β- | 3,053 min | 4,999 | 208Pb |
| 208Pb | . | stabiili | . | . |
Radiumsarja (4n+2 -sarja):
| nuklidi | hajoamistapa | puoliintumisaika | luovutettu energia, MeV | hajoamistuote |
|---|---|---|---|---|
| 238U | α | 4,468·109 a | 4,270 | 234Th |
| 234Th | β- | 24,10 d | 0,273 | 234Pa |
| 234Pa | β- | 6,70 h | 2,197 | 234U |
| 234U | α | 245500 a | 4,859 | 230Th |
| 230Th | α | 75380 a | 4,770 | 226Ra |
| 226Ra | α | 1602 a | 4,871 | 222Rn |
| 222Rn | α | 3,8235 d | 5,590 | 218Po |
| 218Po | α 99,98 % β- 0,02 % |
3,10 min | 6,115 0,265 |
214Pb 218At |
| 218At | α 99,90 % β- 0,10 % |
1,5 s | 6,874 2,883 |
214Bi 218Rn |
| 218Rn | α | 35 ms | 7,263 | 214Po |
| 214Pb | β- | 26,8 min | 1,024 | 214Bi |
| 214Bi | β- 99,98 % α 0,02 % |
19,9 min | 3,272 5,617 |
214Po 210Tl |
| 214Po | α | 0,1643 ms | 7,883 | 210Pb |
| 210Tl | β- | 1,30 min | 5,484 | 210Pb |
| 210Pb | β- | 22,3 a | 0,064 | 210Bi |
| 210Bi | β- 99,99987 % α 0,00013 % |
5,013 d | 1,426 5,982 |
210Po 206Tl |
| 210Po | α | 138,376 d | 5,407 | 206Pb |
| 206Tl | β- | 4,199 min | 1,533 | 206Pb |
| 206Pb | - | stabiili | - | - |
Aktiniumsarja (4n+3 -sarja):
| nuklidi | hajoamistapa | puoliintumisaika | luovutettu energia, MeV | hajoamistuote |
|---|---|---|---|---|
| 239Pu | α | 2,41·104 a | 5,244 | 235U |
| 235U | α | 7,04·108 a | 4,678 | 231Th |
| 231Th | β- | 25,52 h | 0,391 | 231Pa |
| 231Pa | α | 32760 a | 5,150 | 227Ac |
| 227Ac | β- 98,62 % α 1,38 % |
21,772 a | 0,045 5,042 |
227Th 223Fr |
| 227Th | α | 18,68 d | 6,147 | 223Ra |
| 223Fr | β- | 22,00 min | 1,149 | 223Ra |
| 223Ra | α | 11,43 d | 5,979 | 219Rn |
| 219Rn | α | 3,96 s | 6,946 | 215Po |
| 215Po | α 99,99977 % β- 0,00023 % |
1,781 ms | 7,527 0,715 |
211Pb 215At |
| 215At | α | 0,1 ms | 8,178 | 211Bi |
| 211Pb | β- | 36,1 min | 1,367 | 211Bi |
| 211Bi | α 99,724 % β- 0,276 % |
2,14 min | 6,751 0,575 |
207Tl 211Po |
| 211Po | α | 516 ms | 7,595 | 207Pb |
| 207Tl | β- | 4,77 min | 1,418 | 207Pb |
| 207Pb | . | stabiili | . | . |
Neptuniumsarja (4n+1 -sarja):
(Vain Bi-209 ja Tl-205 esiintyvät luonnossa)
| nuklidi | hajoamistapa | puoliintumisaika | luovutettu energia, MeV | hajoamistuote |
|---|---|---|---|---|
| 241Pu | β- | 14,4 a | 0,021 | 241Am |
| 241Am | α | 432,7 a | 5,638 | 237Np |
| 237Np | α | 2,14·106 a | 4,959 | 233Pa |
| 233Pa | β- | 27,0 d | 0,571 | 233U |
| 233U | α | 1,592·105 a | 4,909 | 229Th |
| 229Th | α | 7,54·104 a | 5,168 | 225Ra |
| 225Ra | β- | 14,9 d | 0,36 | 225Ac |
| 225Ac | α | 10,0 d | 5,935 | 221Fr |
| 221Fr | α | 4,8 min | 6,3 | 217At |
| 217At | α | 32 ms | 7,0 | 213Bi |
| 213Bi | α | 46,5 min | 5,87 | 209Tl |
| 209Tl | β- | 2,2 min | 3,99 | 209Pb |
| 209Pb | β- | 3,25 h | 0,644 | 209Bi |
| 209Bi | α | 1,9·1019 a | 3,14 | 205Tl |
| 205Tl | . | stabiili | . | . |
[muokkaa] Turvallisuus
Radioaktiivisuuteen liittyvistä turvallisuusnäkökohdista kerrotaan artikkelissa säteilyturvallisuus. Ydintekniikan turvallisuudesta kerrotaan artikkelissa ydinturvallisuus.
[muokkaa] Historia
Radioaktiivisuuden löysi vuonna 1896 ranskalainen tiedemies Henri Becquerel työskennellessään fosforoivien aineiden parissa. Nämä materiaalit loistavat pimeässä, kun ne on altistettu ensin valolle. Becquerel ajatteli, että röntgensäteiden katodisädeputkissa tuottama säteily liittyisi jollakin tavalla tähän. Niinpä hän kääri valokuvauslevyn mustaan paperiin ja laittoi sille erilaisia fosforoivia mineraaleja. Mitään ei tapahtunut, kunnes hän kokeili uraanin suoloja. Näillä yhdisteillä levy tummui voimakkaasti.
Pian kävi kuitenkin ilmi, että tummumisella ei ollut mitään tekemistä fosforenssin kanssa, koska levy tummui mineraalin ollessa pimeässä. Myös ei-fosforoivat uraanin suolat ja jopa metallinen uraani tummensi levyn. Oli selvästi olemassa jokin uusi säteilyn muoto, joka kykeni läpäisemään paperin ja aiheutti valokuvauslevyn tummumisen. (Monien lähteiden mukaan Becquerel löysi radioaktiivisuuden vahingossa.)
Ensin uusi säteily vaikutti olevan samankaltaista kuin röntgensäteily. Kuitenkin jatkotutkimus, jota Becquerel, Pierre ja Marie Curie, Ernest Rutherford ja muut tekivät, paljasti useita eri radioaktiivisuuden tyyppejä. Nämä tutkijat havaitsivat myös, että useilla eri alkuaineilla esiintyy luonnossa radioaktiivisia isotooppeja.
Säteilyturvallisuuteen ei aluksi kiinnitetty kovin suurta huomiota, sillä ionisoivan säteilyn biologisia vaikutuksia ei tunnettu. Aluksi tieto suurten säteilyannosten vaarallisuudesta saatiin röntgenlaitteiden käyttökokemuksista. Ensimmäisenä tunnistettiin säteilysairaus ja säteilypalovammat, joita syntyy erittäin suuren säteilyannoksen seurauksena. Varhaisin dokumentoitu säteilyn aiheuttama oire oli amerikkalaisen sähköinsinöörin Elihu Thomsonin vuonna 1896 suorittamasta kokeesta, jossa hän tarkoituksella altisti sormensa röntgensäteilylle ja julkaisi hyvin täsmällisen ja seikkaperäisen kuvauksen saamistaan palovammoista. Thomson onnekseen toipui terveeksi ja tuli samalla aloittaneeksi säteilysuojelun, nykyään yli satavuotiaan tieteen.
Kesti jonkin verran pidempään ennen kuin ionisoivan säteilyn vaikutukset geeneihin ja siten syöpäriskiin opittiin ymmärtämään. Vasta vuonna 1927 selvisi, että säteilyllä on geneettisiä vaikutuksia, kun amerikkalainen tutkija Hermann Joseph Muller julkaisi tutkimuksensa röntgensäteiden vaikutuksista kromosomeihin. Vuonna 1947 hänelle myönnettiin tästä uraauurtavasta tutkimuksesta Nobelin palkinto.
Kun 20-luvulla tiedot säteilyn vaikutuksista lisääntyivät, perustettiin Kansainvälinen röntgen- ja radiumturvallisuuskomitea, joka on nykyisen ICRP:n edeltäjä. Se antoi vuonna 1931 ensimmäisen tieteelliselle tutkimukselle perustuneen kansainvälisen suosituksen säteilyannosrajoista, joita sovellettaisiin säteilytöissä. Siitä lähtien säteilyturvallisuudesta on huolehdittu tieteelliselle yhteistyölle perustuvalla menettelyllä ja nykyisin annosrajat ovat yleensä osa lainsäädäntöä.
Ennen kuin radioaktiivisuutta ja säteilyä koskeva turvallisuus saavutti nykyisen tasonsa, oli monenlaisia poppamiehiä ja kauppiaita, jotka markkinoivat radioaktiivisia aineita lääkkeinä, kosmetiikkana ja ylipäänsä hienoina uutuuksina. Esimerkkejä riittää: radioaktiiviset shampoot, ihovoiteet, kylvyt ja jopa peräruiskeet. Jo silloin monet tutkijat, mm. Marie Curie, vastustivat tällaista kaupustelua varoittaen, että säteilyllä voi olla haittavaikutuksia. 30-luvulle tultaessa tuotteet olivatkin miltei kadonneet markkinoilta.
Toisen maailmansodan aikana tajuttiin, että atomiin sitoutunutta energiaa voitaisiin käyttää aseissa. Sekä Akselivallat että Liittoutuneet aloittivat projekteja, joiden tarkoituksena oli kehittää ydinaseita. Manhattan-projekti Yhdysvalloissa onnistui tässä lopulta. Sen tuottamat atomipommit pudotettiin Japaniin.
Maailmansodan päätyttyä ytimen energian hyödyntäminen oli kaksijakoista: toisaalta ydinaseiden tuhovoima ja määrä kasvoivat nopeasti, mutta toisaalta myös ydinvoiman, säteilyn ja radioaktiivisuuden rauhanomainen hyödyntäminen lisääntyi monissa käyttökohteissa kuten lääketieteessä, tutkimuksessa, energiantuotannossa, merenkulussa, maanviljelyssä ja avaruustutkimuksessa.
Yleinen huolestuneisuus kasvoi merkittävästi ydinonnettomuuksien johdosta, erityisesti Three Mile Islandin ja Tšernobylin tapausten johdosta. Säteilyyn ja radioaktiivisuuteen liittyy monia pelkoja ja virhekäsityksiä. Tämä pelko ei ole kohdistunut mihinkään erityiseen, vaan kaikkeen, johon liittyy sana ”ydin”. Esimerkiksi termistä nuclear magnetic resonance imaging (NMRI) siirryttiin termiin magnetic resonance imaging (MRI), magneettinen resonanssikuvantaminen pelon hälventämiseksi.
