Radioaktiivinen hajoaminen: mitä se on, mekanismit ja historia
Radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu joillekin kemiallisille alkuaineille. Useimmat kemialliset alkuaineet ovat stabiileja. Kemialliset alkuaineet koostuvat atomeista. Stabiileissa alkuaineissa atomi pysyy samana. Jopa kemiallisessa reaktiossa itse atomit eivät muutu koskaan.
1800-luvulla Henri Becquerel havaitsi, että joillakin kemiallisilla alkuaineilla on atomeja, jotka muuttuvat. Vuonna 1898 Marie ja Pierre Curie kutsuivat tätä ilmiötä radioaktiiviseksi hajoamiseksi. Becquerel ja Curiet saivat tästä löydöstä Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1903.
Mitä radioaktiivinen hajoaminen on?
Radioaktiivinen hajoaminen on prosessi, jossa epästabiili ydin muuttuu toisenlaiseksi ytimeksi ja samalla säteilee energiaa tai hiukkasia. Tämä muutos voi johtaa eri alkuaineen syntymiseen (transmutaatio) tai samaa alkuainetta olevan isotoopin muodostumiseen. Hajoaminen on satunnaista yksittäisen atomin tasolla, mutta isoissa nuklidimäärissä ilmiön voi kuvata tarkasti tilastollisilla laeilla.
Mekanismit ja hajoamistyypit
Tyypillisimpiä radioaktiivisen hajoamisen muotoja ovat:
- Alfa-hajoaminen: Ydin lähettää heliumytimen (2 protonia + 2 neutronia). Alfa-hiukkaset ovat suurempia ja varautuneita, ja niitä pysäyttävät yleensä paperi tai ihon uloin kerros. Esimerkiksi U-238 hajoaa alfahiukkasta lähettämällä Th-234:ksi.
- Beta-hajoaminen (beta-miinus): Ytimessä neutroni muuttuu protoniksi ja emittoituu elektroni (beta-hiukkanen) ja antineutriino. Tällä tavoin C-14 muuttuu N-14:ksi. Betasäteily läpäisee enemmän kuin alfa mutta voidaan suojata ohuella metallilla tai muovilla.
- Positroniemissio (beta-plus) ja elektronikaappaus: Positroniemissiossa protoni muuttuu neutroniksi ja vapauttaa positronin; elektronikaappauksessa ydin sieppaa atomiorbitaalissa olevan elektronin, jolloin protoni muuttuu neutroniksi. Nämä reaktiot muuttavat ydinlukuja.
- Gamma-säteily: Usein ydin jää hajoamisen jälkeen virittyneeseen tilaan ja laskee energiatilansa lähettämällä korkeataajuisia sähkömagneettisia pulsseja, gammasäteitä. Gamma-rays ovat erittäin läpäiseviä ja vaativat tiheämpiä suojia, kuten lyijyä tai paksua betonia.
- Neutroniemissio ja muut harvinaisemmat prosessit: Joissain reaktioissa vapautuu neutroneja tai tapahtuu monimutkaisempia muunnoksia, erityisesti ydinreaktoreissa ja korkeaenergisissä törmäyksissä.
Hajoamisen laki ja puoliintumisaika
Radioaktiivinen hajoaminen noudattaa eksponentiaalista lakia: hajoavien atomien määrä pienenee ajan funktiona siten, että osa atomiyksiköistä hajoaa tietyssä ajassa. Mittarina käytetään puoliintumisaikaa (T1/2), eli aikaa, jossa puolet alkutilan ytimistä on hajonnut. Puoliintumisaika voi olla mikrosekunteja tai miljardien vuosien luokkaa (esim. U-238 ~4,5 miljardia vuotta; C-14 ~5730 vuotta; I-131 ~8 päivää).
Hajoamisketjut ja tytärnuclideja
Monet raskaat ytimethajoavat sarjana, jossa syntyy peräkkäisiä tytärnuclideja, kunnes saavutetaan stabiilimpi ydin. Tunnettuja sarjoja ovat esimerkiksi uraanin ja toriumin hajoamisketjut. Jokainen välivaihe voi itsekin olla radioaktiivinen.
Mittaaminen ja yksiköt
Radioaktiivisuutta mitataan hajoamisten määrällä aikayksikköä kohti. Tärkeimmät yksiköt ovat:
- Becquerel (Bq): yksi hajoaminen sekunnissa.
- Curie (Ci): vanhempi yksikkö; 1 Ci ≈ 3,7 × 10^10 Bq.
Säteilyä ja sen vaikutusta biologiseen kudokseen arvioidaan myös absorbed dose (Gray, Gy) ja effective dose (Sievert, Sv) -yksiköillä, kojeiden käyttötarkoituksesta riippuen.
Miten radioaktiivisuutta havaitaan?
Tavallisia mittareita ovat esimerkiksi Geiger-Müller-laskuri, säteilyilmaisimet (scintillaattorit) ja puolijohdeilmaisimet. Näillä voi mitata joko suoraa gammasäteilyä, beta- tai alfa-hiukkasia tai laskea tapahtumien lukumäärän ajan funktiona.
Sovellukset
- Lääketiede: Diagnostiikassa käytetään radioisotooppeja (esim. TC-99m) säteilykuvauksissa; syövän hoidossa käytetään sädehoitoa ja radiofarmaseuttisia aineita.
- Energia: Ydinreaktoreissa hyödynnetään ketjureaktiota ja fissiossa vapautuvaa energiaa sähköntuotantoon. Myös radioaktiivisia lämpölähteitä (RTG) käytetään avaruusaluksissa.
- Ikääntyminen ja tieteellinen dating: C-14-menetelmällä voidaan ajoittaa orgaanisia näytteitä, muut isotoopit sopivat muihin ikämäärityksiin.
- Teollisuus ja tutkimus: Materiaalien tarkastus (läpäisymittaukset), säteenlähteet steriloinnissa ja nukleaaritutkimus.
Terveysvaikutukset ja turvallisuus
Ionisoiva säteily voi vaurioittaa soluja ja DNA:ta. Altistuksen seuraukset riippuvat annoksesta ja säteilytyypistä: pienet annokset lisäävät pitkän aikavälin syöpäriskiä (stokastiset vaikutukset), kun taas suuret kertasolujen säteilyannokset voivat aiheuttaa välittömiä vaurioita tai säteilysairautta (deterministiset vaikutukset). Turvallisuudessa käytetään periaatteita kuten
- etäisyys säteilylähteestä,
- aika altistuksen rajoittamiseksi, ja
- suojavaippa (esim. lyijy, betoni) säteilyn absorboimiseksi.
Lisäksi hallittu varastointi ja jätteiden käsittely ovat keskeisiä ydinenergian ja radioaktiivisten aineiden turvallisessa käytössä.
Historiaa laajemmin
Henri Becquerel löysi 1896, että uraanisalteilla oli kyky tummuttaa filmiä ilman valoa — ensimmäinen todiste luonnollisesta radioaktiivisuudesta. Marie ja Pierre Curie laajensivat tutkimusta löytäen uusia radioaktiivisia alkuaineita, kuten poloniumin ja radiumin. Sittemmin tutkijat, kuten Ernest Rutherford ja Frederick Soddy, selvensivät hajoamislajeja, transmutation käsitettä ja ydinrakenteen merkitystä. Nobel-palkinnot myönnettiin varhaisille pioneereille näistä läpimurroista.
Yhteenveto
Radioaktiivinen hajoaminen on luonnollinen ja fysikaalinen prosessi, jossa epästabiili ydin muuttaa muotoaan ja emittoi energiaa. Ilmiö on keskeinen niin perustutkimuksessa kuin monissa käytännön sovelluksissa — lääketieteestä lähes loppumattomaan energiantuotantoon — mutta se vaatii huolellista käsittelyä ja turvallisuusajattelua. Historiallisesti löydökset 1800–1900-lukujen vaihteessa muuttivat käsityksemme aineesta ja antoivat perustan modernille ydinfysiikalle.
Kolmiomerkkiä käytetään radioaktiivisten aineiden merkitsemiseen.
Esimerkki
Useimpien hiiliatomien ytimessä on kuusi protonia ja kuusi neutronia. Tätä hiiltä kutsutaan hiili-12:ksi (kuusi protonia + kuusi neutronia = 12). Sen atomipaino on 12. Jos hiiliatomilla on kaksi neutronia enemmän, se on hiili-14. Hiili-14 käyttäytyy kemiallisesti kuten muutkin hiilet, koska sen kemialliset ominaisuudet määräytyvät kuuden protonin ja kuuden elektronin perusteella. Itse asiassa hiili-14 esiintyy kaikissa elävissä olennoissa; kaikki kasvit ja eläimet sisältävät hiili-14:tä. Hiili-14 on kuitenkin radioaktiivinen. Se hajoaa beetahajoamalla typpi-14:ksi. Hiili-14 on luonnossa esiintyvissä pienissä määrissä vaaratonta. Arkeologiassa tällaista hiiltä käytetään puun ja muiden entisten elävien olentojen iän määrittämiseen. Menetelmää kutsutaan radiohiiliajoitukseksi.
Erilaiset hajoamiset
Ernest Rutherford havaitsi, että nämä hiukkaset läpäisevät aineen eri tavoin. Hän löysi kaksi erilaista tapaa, joita hän kutsui alfahajoamiseksi ja beetahajoamiseksi. Paul Villard löysi kolmannen lajin vuonna 1900. Rutherford kutsui sitä gammahajoamiseksi vuonna 1903.
Muutos radioaktiivisesta hiili-14:stä stabiiliksi typpi-14:ksi on radioaktiivinen hajoaminen. Se tapahtuu, kun atomi lähettää alfahiukkasen. Alfahiukkanen on energiapulssi, kun elektroni tai positroni lähtee ytimestä.
Myöhemmin löydettiin myös muita hajoamismuotoja. Hajoamistyypit eroavat toisistaan, koska eri hajoamistyypit tuottavat erilaisia hiukkasia. Aloittavaa radioaktiivista ydintä kutsutaan emoytimeksi ja ydintä, johon se muuttuu, tytärytimeksi. Radioaktiivisten aineiden tuottamia suurienergisiä hiukkasia kutsutaan säteilyksi.
Nämä erilaiset hajoamiset voivat tapahtua peräkkäin "hajoamisketjussa". Yksi ydintyyppi hajoaa toiseksi ytimeksi, joka taas hajoaa toiseksi ytimeksi ja niin edelleen, kunnes siitä tulee stabiili isotooppi ja ketju päättyy.
Hajoamisnopeus
Muutoksen nopeus on erilainen kussakin elementissä. Radioaktiivista hajoamista ohjaa sattuma: Puoliintumisaika on aika, joka keskimäärin kuluu siihen, että puolet aineen atomeista muuttuu. Nopeus saadaan eksponenttifunktion avulla. Esimerkiksi jodin (131 I) puoliintumisaika on noin 8 päivää. Plutoniumin puoliintumisaika vaihtelee 4 tunnista (243 Pu) 80 miljoonaan vuoteen (244 Pu).
Ydintransformaatiot ja energia
Radioaktiivinen hajoaminen muuttaa atomin, jonka ytimessä on korkeampi energia, matalamman energian atomiksi. Ytimen energian muutos annetaan syntyville hiukkasille. Radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuva energia voi kulkeutua joko gammasäteilynä sähkömagneettisena säteilynä (eräänlaisena valona), beetahiukkasena tai alfahiukkasena. Kaikissa näissä tapauksissa ytimen energianmuutos kulkeutuu pois. Kaikissa näissä tapauksissa atomin protonien ja elektronien positiivisten ja negatiivisten varausten yhteismäärä on nolla ennen ja jälkeen muutoksen.
Alfahajoaminen
Alfahajoamisen aikana atomiydin vapauttaa alfahiukkasen. Alfahajoamisen seurauksena ydin menettää kaksi protonia ja kaksi neutronia. Alfahajoamisen seurauksena atomi muuttuu toiseksi alkuaineeksi, koska atomi menettää kaksi protonia (ja kaksi elektronia). Jos esimerkiksi amerikium kokisi alfahajoamisen, se muuttuisi neptuniumiksi, koska neptuniumin määritelmän mukaan sillä on kaksi protonia vähemmän kuin amerikiumilla. Alfahajoaminen tapahtuu yleensä raskaimmissa alkuaineissa, kuten uraanissa, toriumissa, plutoniumissa ja radiumissa.
Alfahiukkaset eivät voi läpäistä edes muutaman senttimetrin pituista ilmaa. Alfasäteily ei voi vahingoittaa ihmistä, kun alfasäteilylähde on ihmiskehon ulkopuolella, koska ihmisen iho ei päästä alfahiukkasia läpi. Alfasäteily voi olla hyvin haitallista, jos lähde on kehon sisällä, esimerkiksi kun ihmiset hengittävät pölyä tai kaasua, joka sisältää aineita, jotka hajoavat lähettämällä alfahiukkasia (säteilyä).
Beetahajoaminen
Beetahajoamista on kahdenlaista, beeta-plus ja beeta-miinus.
Beeta-minus-hajoamisessa ydin luovuttaa negatiivisesti varautuneen elektronin ja neutroni muuttuu protoniksi:
n 0 → p + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}} 
.
jossa
n 0 {\displaystyle n^{0}}
on neutroni.
p + {\displaystyle \ p^{+}}
on protoni.
e - {\displaystyle e^{-}}
on elektronin
ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}
on anti-neutriino...
Beeta-minus-hajoaminen tapahtuu ydinreaktoreissa.
Beetaplus-hajoamisessa ydin vapauttaa positronin, joka on elektronin kaltainen mutta positiivisesti varautunut, ja protoni muuttuu neutroniksi:
p + → n 0 + e + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}} 
.
jossa
p + {\displaystyle \ p^{+}} on protoni.
n 0 {\displaystyle n^{0}} on neutroni.
e + {\displaystyle e^{+}}
on positroni.
ν e {\displaystyle {\nu }_{e}}
on neutriino...
Beta-plus-hajoamista tapahtuu auringon sisällä ja joissakin hiukkaskiihdyttimissä.
Gammahajoaminen
Gammahajoaminen tapahtuu, kun ydin tuottaa suurenergisen energiapaketin, jota kutsutaan gammasäteeksi. Gammasäteillä ei ole sähkövarausta, mutta niillä on kulmavoima. Gammasäteilyä lähtee ytimistä yleensä heti muiden hajoamistyyppien jälkeen. Gammasäteitä voidaan käyttää materiaalin läpinäkemiseen, bakteerien tappamiseen elintarvikkeissa, joidenkin sairauksien löytämiseen ja joidenkin syöpien hoitoon. Gammasäteillä on kaikista sähkömagneettisista aalloista suurin energia, ja avaruudesta tulevat gammasäteilypurkaukset ovat voimakkaimpia tunnettuja energiapurkauksia.
