radioactivité

1. Fis.

Zenbait elementuren nukleoek masaren parte bat energia handiko erradiazioa igorriz galtzeko duten propietatea, berezkoa (erradioaktibitate naturala) edo eragindakoa (erradioaktibitate artifiziala).

1. Fis.
Zenbait elementuren nukleoek masaren parte bat energia handiko erradiazioa igorriz galtzeko duten propietatea, berezkoa (erradioaktibitate naturala) edo eragindakoa (erradioaktibitate artifiziala).

Erradioaktibitatea Edit

Egilea: Igor Peñalva

ERRADIOAKTIBITATEA

Zenbait elementuren nukleoak ezegonkorrak dira, eta energia galtzen dute, hots, partikulak edo uhin elektromagnetikoak igortzen dituzte. Prozesu fisiko horri desintegrazio erradioaktibo edo erradioaktibitate deitzen zaio. Nazioarteko Sisteman erradioaktibitatea neurtzeko unitatea becquerela (Bq, desintegrazio bat segundoko).

Aurkikuntza

Henri Becquerel zientzialari frantziarrak 1896. urtean eman zuen lehenengoz erradioaktibitatearen berri. Gorputz fosforeszenteekin lanean zebilen, ea haiek ere X izpirik jaurtitzen ote zuten ikertzen. Uranioaren konposatu batekin hasi zen lanean, eta haren alboan gordetzen zituen argazki-plakak belaturik agertzen zirela ikustean, gertakari haren zergatiaren bila abiatu zen. Fosforeszenteak ez ziren uranio-gatzek eta uranio metalikoak ere plakak belatzen zituztela ikusi zuen, eta uraniotik irtendako izpiak jo zituen errudun: erradioaktibitatea aurkitu zuen.

Erradioaktibitatearen aurkikuntzaren osteko hurrengo urrats garrantzitsua Curie senar-emazteei dagokie. Polonian jaiotako Marie Curiek (jaiotzez Maria Skłodowska) eta Pierre Curie haren senar frantziarrak ondorioztatu zuten pekblenda izeneko uranio-mineralean uranioa bera baino elementu erradioaktiboagoak zeudela. Hala, bi elementu erradiaktibo berri isolatzea lortu zuten: polonioa, Polonia lurraldearen ohoretan, eta erradioa, oso erradioaktiboa zelako.

Zer den

Atomoa aztertzean, bi zati bereiz daitezke: elektroiak eta nukleoa. Nukleoa bera neutroiz eta protoiz osatuta dago, eta bi oinarrizko partikula horien kopurua orekaturik ala desorekaturik egon daiteke. Neutroien eta protoien kopurua orekaturik badago, nukleoa egonkorra da, eta beti irauten du modu berean, hots, egitura berarekin. Nukleoa egonkorra da. Neutroien eta protoien kopurua desorekaturik egonez gero, ordea, nukleoa ezegonkorra da. Nukleoak egitura ezegonkorra duenean, energia txikiagoko beste egitura batera jotzeko joera du, eta, trantsizio horretan, metatutako energia askatu egiten du, eta partikulak edo uhinak igortzen ditu.

Desintegrazio erradioaktibo baten ondorioz sortzen diren elementuak, era berean, erradioaktibo izan daitezke, eta, hala, denborarekin berriro ere desintegratu egiten dira. Modu horretan, desintegrazio-kateak sortzen dira. Sortutako elementua egonkorra denean, kate erradioaktiboak bukatu egiten dira. Zenbait nukleo erradioaktibok desintegrazio-bide bat baino gehiago izan ditzakete, eta, ondorioz, desintegratzeko modu bat baino gehiago daukate.

Erradioaktibitatea naturala zein artifiziala izan daiteke. Naturan, hiru kate erradioaktibo ezagutzen dira: 4n katea (torioaren katea), 4n+2 katea (uranioaren katea) eta 4n+3 katea (aktinioaren katea). 4n+1 katea (neptunioaren katea) ere naturala da, baina Lurrean jada ez da naturalki agertzen. Kate horietan sortzen diren nukleo erradioaktiboez gain, naturan beste hainbat isotopo erradioaktibo agertzen dira, katerik sortzen ez badute ere. Potasioa, 40K (potasio-40) isotopoaren eraginez, horren lekuko da. Uretan zein elikagaietan aurki daiteke, eta giza gorputzaren parte da. Bestalde, gaur egun, artifizialki ere erradioaktibitatea lortzeko gaitasuna garatu du gizakiak. Horretarako biderik erabiliena jatorriz erradioaktiboak ez diren nukleo egonkorrak partikula egokiekin bonbardatzea da. Lortutako isotopo erradioaktiboak naturan daudenak bezalakoak dira; desberdintasun bakarra jatorria da. Horrela, esaterako, dagoeneko naturan agertzen ez den 4n+1 katea, neptunioaren katea, aurkitu izan da artifizialki.

Desintegrazio-motak

Desintegrazio erradioaktiboa trantsizio baten ondorioa da, azken finean. Nukleoa hasierako egoera energetiko batetik energia txikiagoko beste egoera batera igarotzen da. Trantsizio hori gertatzean askatzen den erradiazioa, funtsean, hiru motatakoa izan daiteke:

Alfa desintegrazioa (α)

Desintegrazio-mota honetan, α partikulak igortzen dira. α partikulak izatez helio-nukleoak dira. Nukleo horien Z zenbaki atomikoa 2 da, eta haien A masa atomikoa 4; hau da, nukleoa bi protoiz eta bi neutroiz eratzen da. Nukleo ezegonkor batek α partikula bat igortzen duenean, beraz, haren zenbaki atomikoa 2 unitate jaisten da, eta masa atomikoa 4 unitate. Nukleoa eraldatu egiten da, eta, hortaz, elementu kimiko berri bat sortzen da. Prozesu erradioaktibo hori honela adieraz daiteke eskematikoki:

Z A X Z 2 A 4 Y + 2 4 He

Prozesu erradioaktibo horretan askatzen den energia prozesuan desagertutako masaren baliokide energetikoa da, eta α partikularen eta hondar-nukleoaren artean banatzen da. Sortutako nukleo hori ezegonkorra izan daiteke. Nukleo erradioaktiboek igortzen dituzten α partikulen energien balioak zenbait MeV-ekoak dira; gutxienez 1,8 MeV 144Nd-aren kasuan (neodimio-144) eta gehienez 8,8785 MeV 210Po-aren kasuan (polonio-212).

Desintegrazio-mota hau oso energetikoa eta ionizatzailea da, baina ez da batere sarkorra. Zentimetro batzuk aire edo milimetro-ehunen batzuk ur nahikoa dira hura geldiarazteko.

Beta desintegrazioa (β)

Desintegrazio-mota honen izenaren azpian, hiru prozesu erradioaktibo barneratzen dira. Prozesu horiek ezberdinak badira ere, ezaugarri asko berdinak dituzte. Edozein beta desintegraziotan, A masa atomikoa mantendu egiten da, eta Z zenbaki atomikoa unitate bat aldatzen da. Alfa desintegrazioarekin parekatuz gero, beta desintegrazioa sarkorragoa da, baina ez du ionizatzeko horrenbesteko gaitasunik. Metro batzuk aire, zenbait milimetro ur edo solido fin bat nahikoa dira hura geldiarazteko.

β desintegrazioa

Desintegrazio-mota honetan, nukleo atomikoak elektroi bat igortzen du. Nukleoan elektroirik ez dagoenez, prozesua honela azaltzen da: nukleo barruko neutroi bat (n) transformatu egiten da, eta protoi bat (p), elektroi bat (e) eta antineutrino ( ν ¯ ) bat lortzen dira:

n p + e + ν ¯

Oro har, β desintegrazioa neutroi “gehiegi” dituzten nukleo ezegonkorretan gertatzen da; hala, agerian uzten da egonkortasunera hurbiltzeko joera. Nukleoan neutroia protoi bilakatzen denez, hondar-nukleoak A masa-zenbaki berdina du, eta haren Z zenbaki atomikoa unitate bat handitzen da:

Z A X Z + 1 A Y + e + ν ¯

Prozesuan askatzen den energia hondar-nukleoaren eta sortutako elektroiaren eta antineutrinoaren artean banatzen da. Hondar-nukleoaren energia zinetikoa ez da kontuan hartzeko modukoa, haren pausaguneko masa beste bi partikulena baino askoz handiagoa baita. Elektroiaren eta antineutrinoaren arteko energia-banaketa, ordea, infinitu modu ezberdinetan gerta daiteke, eta, hori dela eta, β desintegrazioan sortutako elektroien espektroa jarraitua da.

β+ desintegrazioa

Desintegrazio-mota honetan, nukleo atomikoak positroi bat igortzen du. Positroia elektroiaren antipartikula da: masa berbera du, eta karga berbera, baina zeinu positiboarekin. Prozesua honela azaltzen da: nukleo barruko protoi bat (p) transformatu egiten da, eta neutroi bat (n), positroi bat (e+) eta neutrino (υ) bat lortzen dira:

p n + e + + ν

Oro har, β+ desintegrazioa protoi “gehiegi” dituzten nukleo ezegonkorretan gertatzen da; horrek agerian uzten du egonkortasunera hurbiltzeko duten joera. Nukleoan protoia neutroi bilakatzen denez, hondar-nukleoak A masa-zenbaki berdina du, eta haren Z zenbaki atomikoa unitate bat txikitzen da:

Z A X Z 1 A Y + e + + ν

Prozesuan askatzen den energia hondar-nukleoaren eta sortutako positroiaren eta neutrinoaren artean banatzen da. Lehen bezala, hondar-nukleoaren energia zinetikoa ez da kontuan hartzeko modukoa, haren pausaguneko masa beste bi partikulena baino askoz handiagoa baita. Positroiaren eta neutrinoaren arteko energia-banaketa, ordea, infinitu modu ezberdinetan gerta daiteke, eta, hori dela eta, β+ desintegrazioan sortutako positroien espektroa jarraitua da.

Elektroi-harrapaketa

Desintegrazio mota honetan, nukleo atomikoak elektroi bat harrapatzen du (e) eta protoi batekin (p) konbinatzen du; hala, neutroi bat eta neutrino bat lortzen dira:

p + e n + ν

Nukleoan protoia neutroi bilakatzen denez, hondar-nukleoak A masa-zenbaki berdina du, eta haren Z zenbaki atomikoa unitate bat txikitzen da:

Z A X + e Z 1 A Y + ν

Prozesu hori eta aurretik deskribatutako β+ desintegrazioa lehiakideak dira. Elektroi-harrapaketa oro har errazagoa da, nahikoa baita Y-ren masa atomikoa X-rena baino txikiagoa izatea prozesua posible izateko. Prozesuan askatzen den energia osoa neutrinoari transferitzen zaio. Logikoa denez, atomoaren geruza sakon batean elektroia desagertzen da, eta, hortaz, hutsune bat agertzen da. Hutsune hori bete egiten da konfigurazio elektronikoa berrantolatzean, eta, horren ondorioz, atomoaren X izpi bereizgarriak igortzen dira. Kasuren batean azaleko elektroiak ere igortzen dira, Auger elektroi deiturikoak.

Gamma desintegrazioa (γ)

Gamma desintegrazioa, azken finean, uhin elektromagnetikoen igorpena da. Erradiazio-mota hori oso sarkorra da, eta, hori geldiarazteko, material astunak erabili ohi dira; lodiera handiko hormigoizko edo berunezko hormak erabiltzea arrunta izaten da. Hainbat prozesuren bitartez gerta daiteke desintegrazio-mota hau.

Trantsizio-isomeroa

Kitzikatuta dagoen nukleo bat energia-maila txikiagoa duen beste egoera batera pasatu daiteke erradiazio elektromagnetikoa igorriz, hau da, γ izpiak igorriz. Hasierako nukleo kitzikatuaren energia Eh bada eta bukaeran Eb energia lortzen badu, energia txikiagoa, igortzen duen fotoiaren energia zuzenean kalkula daiteke:

Q γ = E h E b = h ν

Aurreko formulan, h Plancken konstantea da eta υ igorritako erradiazioaren maiztasuna.

Horixe da, izatez, gamma desintegrazio deritzona, eta, desintegrazio horretan, A masa atomikoa eta Z zenbaki atomikoa ez dira aldatzen. Bestalde, nukleo bakoitzaren egoera kitzikatuak erabat zehaztuta daudenez, horrek igor ditzakeen fotoien energiak guztiz ezagunak dira, eta nukleo erradioaktibo bakoitzaren γ espektroa eratzen dute. Horrelako trantsizioak oso azkar gertatzen dira: kitzikatuta dagoen nukleoaren batez besteko bizitza arrunta 10-14 s ingurukoa da. Kasu berezi batzuetan, ordea, kitzikatuta dagoen nukleoak gehiago irauten du, eta egoera metaegonkorrean dagoela esaten da. Nukleo jakin hori egoera horretan dagoenean, isomero deitzen zaio.

Barne-eraldaketa

Desintegrazio-mota honetan, nukleoak duen energia-soberakina beste era batean askatzen du: azalean dagoen elektroi bati transferitzen zaio, eta elektroi hori igorri egiten da, energia zinetiko jakin batez. Azaleko elektroiaren lotura-energia (EeL) kontuan hartuz:

E e = E h E b E e l

Oraingoan ere, elektroi batek atomotik ihes egiten duenez, hutsune bat agertuko da. Elektroi-geruzen berrantolaketa gertatzen da, eta, horren ondorioz, atomoaren X izpi bereizgarriak igortzen dira.

Pare-produkzioa

Desintegrazio-mota hau gerta dadin, nukleoak duen energia-soberakinak bi aldiz elektroiaren pausaguneko energia baino handiagoa izan behar du:

E h E b > 2 m e c 2

Baldintza hori betetzen bada, gerta daiteke energia hori elektroi bat eta positroi bat sortzeko erabiltzea. Prozesu hori bitxia da, eta pare-produkzio esaten zaio.

Neurketa eta dosimetria

Erradioaktibitatea nola neurtzen den

Erradioaktibitatea ausazko fenomeno bat da. Ezin daiteke iragarri zer unetan gertatuko den prozesu erradioaktiboa, eta problema estatistikoki aztertzera behartzen gaitu horrek. Edozein nukleo erradioaktibok desintegratzeko duen probabilitateak ez du kanpoko eraginekiko menpekotasunik (presioa, tenperatura eta abar), eta dt denbora-tartearekiko zuzenki proportzionala da. Atomo erradioaktiboek, beraz, denbora-unitatean desintegratzeko probabilitate bat dute, eta probabilitate hori atomo erradioaktibo mota bakoitzaren ezaugarria da. Probabilitate hori honela definitzen da:

P ( d t ) = λ d t

Proportzionaltasun konstantea, λ, desintegrazio erradioaktiboaren konstantea da; nukleo-mota bakoitzaren eta desintegrazio-motaren menpekoa da, eta Nazioarteko Sisteman s-1 unitatetan neurtzen da.

Har dezagun hasiera batean N(0) atomo-kopuru handia duen substantzia erradioaktibo bakar bat. t eta t +dt tartean desintegratzen diren atomoen batez besteko kopurua honela kalkula daiteke:

d N = λ N ( t ) d t

Ekuazio diferentzial hori integratuz, t = 0 unean N = N(0) dela jakinik, desintegrazio erradioaktiboaren oinarrizko legea lortzen da:

N ( t ) = N ( 0 ) e λ t

Atomo-kopurua hasierakoaren erdira murrizteko behar den denborari semidesintegrazio-periodo (edo erdibizitza) deitzen zaio, eta desintegrazio konstantearekin lotuta dago:

t 1/2 = ln2 λ

Semidesintegrazio-periodoa nukleo erradioaktibo bakoitzaren ezaugarria da; zenbait segundo-frakzio eta milioika urte bitarteko balioak har ditzake, nukleoaren eta desintegrazio-motaren arabera. Periodoa ezagututa, kalkulu azkarrak egin daitezke: K periodoa igaro eta gero, jatorrizko batez besteko atomo-kopurua 2K aldiz txikiagotzen da.

Semidesintegrazio-periodoaren alderantzizkoari batez besteko bizitza esaten zaio:

τ = 1 λ

Lagin erradioaktibo batean milioika atomo erradioaktibo egon daitezkeenez, segundo bakoitzean hainbat eta hainbat desintegrazio gerta daitezke. Batez beste, desintegrazioen kopurua λ konstantearen eta atomo erradioaktiboen kopuruaren araberakoa da. Denbora-unitateko gertatzen diren desintegrazioen kopuruak gorputzaren erradioaktibitatearen norainokoa zehazten du, eta horri aktibitate deitzen zaio:

A ( t ) = - d N d T = λ N ( t )

Lehenago aipatu den bezala, Nazioarteko Sisteman Bq-etan neurtzen da aktibitatea (desintegrazio bat segundoko). Becquerela oso unitate txikia denez, oso arrunta da aktibitatea curietan (Ci) ematea; Ci batek 3,7·1010 Bq ditu.

Erradioaktibitatearen eta materiaren arteko elkarrekintza

Materian barrena iragatean erradiazioek sortzen dituzten efektuak hiru multzotan bana daitezke: talkak, materiaren ionizazioa eta erreakzio nuklearrak. Materia biziaren kasuan, ionizazioak eta talkek ondorioak izaten dituzte.

Sarritan, erradiazioa beren beregi eta era kontrolatuan gizakiaren onerako erabiltzen da. Oro har, ordea, erradiazioak gizakiarentzat arriskutsuak izan daitezke, eta horien aurrean babesa lortzeko neurriak hartu behar direla agintzen du araudiak. Izaki bizidunek efektu biologikoak jasan ditzakete ionizatzeko ahalmena duten erradiazioen eraginpean daudenean, materiak erradiazioen energia absorbatzen baitu.

Erradiazioaren efektu biologikoak hiru mailatan azter daitezke: zelula mailan, ehun edo organo mailan edo organismo osoa kontuan hartuz. Zelula mailan, ionizazioak eta kitzikapenak sortzen dira, eta, hortaz, ioiak eta erradikal askeak eratzen dira. Hori dela eta, erreakzio kimikoak gerta daitezke eta zelularen funtzionamendua aldatu. Zelulek erradiazioarekiko duten sentsibilitatea oso aldakorra da zelularen arabera. Ehuna edo organoa osorik kontuan hartuz gero, hura osotzen duten zelulen populazioarekin lotuta dago. Era berean, organismo osoa aztertzean, erradiazioa jasan duen ehunaren edo organoaren garrantzia ikertu beharko da. Erradiazioaren eragina gehien pairatzen duten organoei —organismoan ondorio latzak eragiten dituzte— organo kritiko esaten zaie: hezur-muina, heste meharra eta gonadak.

α erradiazioak oso gaitasun txikia du materian barrena sartzeko. Giza gorputzaren kasuan, kanpotik datorrenean, erradiazio horrek ez du jantzia ere zeharkatzen. Gorputzaren barruan sortzen denean, ordea, oso arriskutsua da. β erradiazioak sartzeko gaitasun handiagoa duen arren, ez du gizakiaren azala zeharkatzen. γ izpiek, aldiz, gorputza bera ere zeharkatzen dute, eta, hori dela eta, arriskutsuak dira kanpotik datozenean.

Erradiazioen efektu biologikoak

Erradiazioaren efektu biologikoak sailkatzeko, hiru irizpide erabili ohi dira:

Kausa-efektu erlazioaren arabera

Erradiazioaren eraginpean egon ondoren sor daitezkeen lesioen arteko kausa-efektuaren arabera, efektuak deterministikoak edo estokastikoak izan daitezke. Efektu deterministikoen kasuan, erradiazioaren dosia zenbat eta handiagoa izan, orduan eta larriagoak dira lesioak, eta dosi minimo baten azpitik, atari-dosi deritzonaren azpitik, ez dago inongo efektu biologikorik. Efektu estokastikoen kasuan, prozesua ausazkoa da. Dosiaren balioa handitzean efektu biologikoa gertatzeko probabilitatea handitu egiten da, baina ez larritasuna. Efektu estokastikoek ez dute atari-dosirik, baina, gertatuz gero, ondorio larriak izaten dituzte.

Denboraren arabera

Erradiazioa jasaten den unetik lesioak gertatzen diren unera arte igaro den denbora-tartearen arabera, efektuak berehalakoak edo atzeratuak izan daitezke. Efektuak berehalakoak dira denbora-tarte hori zenbait ordu eta zenbait aste bitartekoa bada. Efektu atzeratuak, ordea, urte batzuen buruan ager daitezke.

Efektua pairatzen duen pertsonaren arabera

Erradiazioa jasan duen pertsonak berak pairatzen baditu efektu biologikoak, efektu somatikoei buruz ari gara. Erradiazioak geneak alda ditzakeenez, erradiazioa jasan duen pertsonaren ondorengoek ere paira ditzakete efektu biologiko horiek; kasu horretan, efektu genetiko deitzen zaie.

Erradiazioen dosimetria

Erradiazioek materian eragiten dituzten efektuak neurtzeko, ez da nahikoa lehenago azaldutako aktibitate-magnitudearekin. Horretarako, absorbatutako dosi deritzon magnitudea erabiltzen da. Absorbatutako dosia erradiazioak masa-unitateari transferitzen dion energia da, eta Nazioarteko Sisteman gray-tan neurtzen da (Gy).

Edozein kasutan, erradiazioek eragiten dituzten efektu biologikoak zehazteko, absorbatutako dosia ez da erabilgarria, erradiazio-motak ere garrantzia baitauka. Hau da, absorbatutako dosi berdineko erradiazio-mota ezberdin bik efektu biologiko ezberdinak sortzen dituzte. Hori kontuan hartzeko, magnitude berri bat definitzen da, dosi baliokide deritzona. Dosi baliokidea, azken finean, absorbatutako dosiaren eta kalitate-faktore baten arteko biderkadura da. Erradiazio-mota bakoitzari kalitate-faktore bat egokitzen zaio, eta, hala, efektu biologikoak homogeneizatzen dira.

Erabilerak

Erradioaktibitatea hain gertaera bitxia izanik, ez da harritzekoa modu askotako tekniketan erabiltzea. Gizakiak eguneroko zereginetan erabiltzen du erradioaktibitatea: industrian, medikuntzan, hidrologian, arkeologian eta abarretan.

Industriak elektrizitatea lortzeko ez ezik, beste aplikazio asko lortzeko erabiltzen du erradioaktibitatea: γ izpiak, adibidez, burdin xaflen eta soldaduren gammagrafiak egiteko erabiltzen dira, eta, hala, haien kalitatea aztertzen da.

Medikuntzan ere modu askotan erabiltzen da erradioaktibitatea. Minbiziaren aurkako terapeutikan, adibidez, kobalto-bonbak erabiltzen dira, kobalto erradioaktibozko ale bat erabiliz. Kobalto-bonbatik irteten den erradiazioa kontzentratu egiten da puntu jakin batean, eta, hala, zelula minbizidunak hiltzen dira. Bestalde, organo batzuen argazkiak lortzeko ere erabiltzen da erradioaktibitatea. Tiroideak, adibidez, iodoa barneratu egiten du. Gaixoari iodo erradioaktiboa emanez, tiroidean pilatzen da, eta, han egonik, erradioaktibitatea handik igortzen da, eta tiroidearen “argazkia” lortzen da. Medikuntzan erabiltzen den materiala esterilizatzeko ere erradioaktibitatea erabiltzen da.

Hidrologian, lurpeko uren bideak ikertzeko erabil daitezke isotopo erradioaktiboak. Lekuko edo salatari legez jokatzen dute. Ubidearen puntu batean erradioisotopoa txertatzen da, eta, gero, erradioaktibitate-neurgailuen bidez, non eta zenbat dagoen neurtzen da.

Geologian, Lur planeta noiz sortu zen jakiteko, gorputz erradioaktiboen ezaugarrietan oinarritzen dira. Bizitza luzeko gorputz erradioaktiboak oreka erradioaktiboan egoten dira naturan. Elkarren portzentajeak konparatuz, Lurraren beraren adina kalkula daiteke.

Arkeologian, zenbait gorpu noizkoak diren jakiteko, 14C-an (karbono-14) oinarritutako metodo bat garatu da. Horren batez besteko bizitza 5.568 urtekoa da, eta erradioisotopo hori bizidunetan portzentaje konstante eta ezagun batean agertzen da. Hil eta gero, berriz, karbonoa berriztatzen ez denez, erradioisotopo hori galduz doa. Horrela, hildakoaren gorputzean dagoen 14C-aren portzentajea neurturik, noiz hil zen jakin daiteke.

Artean, faltsutzeak aurkitzeko eta hondatuta dauden objektu artistikoak zaharberritzeko erabiltzen da erradioaktibitatea. Elikagaien produkzioan ere sarritan erabiltzen da, nekazaritza-izurriteen aurka eta elikagaiak kontserbatzeko, adibidez.