Статия за видовете радиоактивен разпад

Понякога атомите не са щастливи да са самички; те изведнъж искат да се променят в съвсем различни атоми, без никакво предупреждение. Тази мистериозна трансформация от един вид елемент в друг е основата на ядрените реакции, при които едно ядро се променя в различно ядро. Точно както при химичните реакции съединенията се превръщат в други съединения чрез пренос на електрони, ядрените реакции протичат, когато броят протони и неутрони в ядрото на един атом се промени.

При някои видове ядрени реакции може да се отделят протони от ядрото или протоните да се преобразуват в неутрони. Тъй като знаем как да наречем един елемент, като погледнем неговия номер в периодичната система и прочетем името му, когато атомният номер (броят протони) се промени, се променя и името на елемента. Това прави ядрените реакции да изглеждат като алхимия: един атом калий (атомен номер 19) може изведнъж и неочаквано да се трансформира в един атом калций (атомен брой 20). Единственият признак, че нещо се е променило, е освобождаването на радиация, за което ще говорим повече след малко.

Което е още по-странно, ядрените реакции често протичат почти напълно случайно. Ако имаш едно ядро, за което със сигурност знаеш, че евентуално ще се разложи в друго ядро, пак имаш само приблизителна представа колко време ще е нужно, за да се случи това. Може да си стоиш и да гледаш ядрото за период от няколко секунди до целия ти живот и в някакъв момент то изведнъж ще се разложи без предупреждение! Но в зависимост от вида на ядрото можеш да предвидиш средно колко дълго ще отнеме разлагането, ако наблюдаваш много ядра едновременно. Тоест докато средното време за разлагане е измеримо число (за калия е над милиард години), точният момент на разлагане е изцяло случаен.

Има три видя ядрени реакции, при всяка от които ядрото "изхвърля" различна, бързодвижеща се частица (като фотон или електрон). Тези освободени частици са страничен ефект от това, че елементът променя атомния си номер или масата си, и това обикновено имат предвид учените, когато ни предупреждават за ядрена радиация, тъй като бързодвижещите се частици могат да действат като малки куршуми, които пробиват дупки в тялото ти. Но голяма част от ядрената радиация всъщност е безвредна и понякога може да бъде овладяна, за да предостави нов вид медицински или диагностичен инструмент.

Не всички елементи преминават през ядрено разпадане през времеви период, който можем да наблюдаваме. На някои елементи са им нужни милиони години, за да се разпаднат. Всъщност повечето живи неща основно се състоят от изотопи на въглерода и азота, които имат толкова удивително дълга продължителност на живот, че всъщност никога няма да се разпаднат по време на живота на организма. Това е необходимо, понеже биохимичната функция на всеки от тези атоми специално е свързана с неговия атомен номер: ако един невронен рецептор специално търси и се свързва с въглерод-съдържаща сигнализираща молекула, тогава рецепторът няма да работи, когато този въглерод спонтанно се превърне в берилий.

Различни атоми от един и същ елемент може да имат различни маси. Например един атом въглерод (атомно число 6, тоест шест протона) може да има или 6 неутрона, или 8 неутрона. Първият пример е по-познат от часовете по химия, тъй като много от често срещаните леки елементи, използвани в биологията (като кислород, въглерод и азот), имат еднакъв брой протони и неутрони. Но се оказва, че въглеродът, който има 6 протона и 8 неутрона, не е толкова стабилен колкото този със 6 протона и 6 неутрона, но е достатъчно стабилен, че да може да се образува в природата в наблюдаеми количества. Понеже ядрото с 8 неутрона и ядрото с 6 неутрона технически са въглерод, ние ги наричаме различни изотопи на въглерода.

Тъй като протоните и неутроните имат приблизително една и съща маса, по-често срещаната версия на въглерода се нарича въглерод-12 (6 протона + 6 неутрона). По-тежкият изотоп се нарича въглерод-14 (6 протона + 8 неутрона). Но когато потърсиш масата на въглерода в периодичната таблица, там ще видиш, че масата е 12,011 единици атомна маса (amu). Това е така, понеже ако претеглиш голямо количество въглеродни атоми, повечето атоми, които ще претеглиш, ще са точно с 12 единици атомна маса. Но в това голямо количество понякога ще намериш и ядро на въглерод-14, което ще промени средно аритметичната стойност от измерванията ти до стойност, която е малко по-голяма от 12.

Поради причини, които са дълбоко свързани с фундаменталните сили, който действат върху ядрото, склонността на едно вещество да преминава през ядрен разпад е свързана и с атомния номер, и с атомната маса на един елемент. Това означава, че два различни изотопа на един и същ елемент ще имат различна склонност за протичане на ядрен разпад. В случая с въглерода, изотопът въглерод-14 "иска" да се разпадне на азот, докато въглерод-12 (който съставя по-голямата част от въглерода в тялото ти) ще остане стабилен.

Като резултат, ако знаем кой изотоп е наличен в една проба от даден елемент, това не само ще ни каже каква е стабилността на пробата, но и какъв ще е видът разпад, през който ще премине тя.

При алфа-разпадането едно ядро се разделя на две части: двойка протони, свързани с двойка неутрони (съвкупност от четири субатомни частици, която всъщност представлява хелиево ядро и се нарича алфа-частица) и друга част, която се състои от първоначалното ядро минус тази съвкупност. Тоест можем да запишем уравнение за химичната реакция за алфа-разпада:

Ra → Rn + He${}^{2+}$‍

Радиевото ядро (Ra, атомен номер 88) се разпада на хелиево ядро (He${}^{2+}$‍, малката съвкупност) и дъщерно ядро, което съответства на елемента радон (Rn, атомен номер 86). Медицинският риск, свързан с радиацията, обикновено включва високите скорости, при които се движат продуктите на ядрените реакции. Мисли за алфа-частицата, освободена в тази реакция, като за малък куршум, който може да пробие меки тъкани като лигавиците на стомаха и белите дробове. За щастие алфа-разпадът по принцип освобождава големи, бавнодвижещи се продукти, така че е лесно да се защитиш от този вид радиация.

Реакцията, която е показана по-горе, илюстрира друг, недиректен начин, по който алфа-разпадът може да представлява опасност. Радият, елементът в лявата страна на стрелката на реакцията, може да бъде открит дълбоко под земята като плътна скала, смесен с гранит. Но когато премине алфа-разпад, той се превръща в радон, който има естествена склонност да е в газообразна форма. Радонът се просмуква от земята и се натрупва в мазетата на сградите, където може да навлезе в белите дробове на хората и отново да премине през разпад, като освобождава още алфа-частици (или други видове радиация) директно в незащитените тъкани. Този метод на излагане на радон представлява огромен рисков фактор за рак на белите дробове в много части на света.

При бета-разпад един от неутроните в ядрото изведнъж се променя в протон, което води до увеличаване на атомния номер на елемента. Припомни си, че името на елемента се определя от атомния му номер. Въглеродът е въглерод, понеже има атомен номер 6, докато азотът е азот, понеже има атомен номер 7. Това означава, че една реакция, която променя броя протони в ядрото, променя елемента, за който приемаме това ядро. Това прави бета-разпада чудесен пример за това как ядрените реакции могат чудато да променят едно вещество в друго.

Продуктът калиев хлорид често се продава като заместител на сол в магазините. Този продукт съдържа следи от калий-40 (К), който преминава бета-разпад, за да се превърне в калций-40 (С). Със символи реакцията изглежда по следния начин:

K→ Ca + e${}^{-}$‍ + v

В допълнение към променянето на атомното число, ядрото създава и освобождава електрон (е-) от атома, който служи за противобалансиране на положителния заряд, който получи от трансформирането на неутрон в протон. Тези излъчени свободни електрони са "радиацията", свързана с бета разпада. Често освобождаваната частица v е мистериозна частица, наречена антинеутрино, която няма заряд и няма почти никаква маса.

Това означава, че ако отидеш до магазина и купиш буркан с изотопи на калий-40 (които са податливи на бета-разпад), а после го оставиш да стои в шкафа ти няколко години, в крайна сметка ще имаш по-малко калий, отколкото в началото (той ще е заменен от калций). Този процес протича изключително бавно и в миниатюрни количества при калиевия хлорид, наличен в магазините, така че реалният здравословен риск от тази радиация е нулев.

Друг вид бета-разпад всъщност намалява атомния номер на ядрото, когато един протон стане неутрон. Поради запазването на заряда, този вид бета-разпад включва освобождаването на заредена частица, наречена "позитрон", която изглежда и действа като електрон, но има положителен заряд. Понеже при взаимодействието си с други тъкани тези частици са лесно определяеми, някои техники за медицински изследвания включват нарочното инжектиране на пациента с елемент, който преминава през бета-разпад, за да се освободят позитрони, и после се наблюдава къде са освободени позитроните. Когато бета-разпадът създаде позитрон, той се нарича бета-плюс разпад, а когато създаде електрон, се нарича бета-минус разпад.

При гама-разпад ядрото излъчва радиация без да променя състава си: Започваме с ядро с 12 протона и 12 неутрона и в края на разпада ни остават 12 протона и 12 неутрона... но някак си в този процес се освобождава радиация.

Ядрото е направено от "слепени" подреждания на протони и неутрони, но има множество възможни начини, по които тези протони и неутрони могат да бъдат подредени. Някои от тези подредби имат по-ниска обща енергия и едно ядро, в което протоните в началото са приближени едни до други, може да премине към по-ниска енергийна конфигурация след известно време.

Припомни си, че електроните, които обикалят в орбита около ядрото, имат енергийни нива и че всеки път, когато един електрон премине от високо енергийно ниво към ниско енергийно ниво, то освобождава фотон. Същото нещо се случва в ядрото: когато се пренареди към по-ниско енергийно състояние, то "изстрелва" високоенергиен протон, познат като гама-лъчение.

Гама-лъчите са с много висока енергия и са едни от най-опасните източници на радиация, понеже фотоните могат да преминат през повечето от най-разпространените защитни материали и да доведат до увреждане на ДНК-то в живите тъкани. Но гама-радиацията също има и практическа употреба; например елементът технеций излъчва сравнително нискоенергийни гама-лъчи, които могат да бъдат засечени чрез използване на специализиран скенер, така че е намерил употребата си като проследяващ елемент за изобразителни изследвания в телата на пациентите.

Радиацията понякога се появява в новините в контекста на рисковете, свързани с дългосрочното космическо пътуване. Оказва се, че умиращите звезди и всички други странни неща в Космоса генерират много екзотични и странни видове радиация – дори различаващи се от видовете, описани по-горе. Тези необичайни, високоенергийни частици общо се наричат космическа радиация и в много части на Космоса те предимно се състоят от изключително високоенергийни фотони, или гама-радиация. Припомни си, че гама-радиацията е доста опасна, понеже фотоните могат да преминат през повечето бариери, и така да навлязат дълбоко в живите тъкани, където могат да причинят вътрешни увреждания (и евентуално рак).

В космическите кораби астронавтите нямат пълното предимство, което дълбоката земна атмосфера предоставя за защита от космическите лъчения. Това означава, че всяка дългосрочна инициатива за космическо пътуване (като мисия до Марс) ще трябва да инвестира значителни ресурси за подходяща защита на обитаемите области на космическата совалка с материали, които не пропускат космическа радиация. Разработката на материали, които могат да защитят астронавтите, е активна област на проучване!