- ραδιενέργεια
- Ιδιότητα ορισμένων στοιχείων να αποσυνθέτουν αυτόματα (φυσική ρ.) ή τεχνητά (τεχνητή ρ.) τους ατομικούς πυρήνες, με εκπομπή σωματιδιακών ακτινοβολιών (α και β) και ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (γ).
Οι πρώτες μελέτες επί της φυσικής ρ. ανάγονται στην παρατήρηση που έκαμε ο Aνρί Μπεκερέλ (1896) ότι τα ορυκτά του ουρανίου έχουν την ιδιότητα να επηρεάζουν φωτογραφικές πλάκες, περιτυλιγμένες επιμελώς σε μαύρο χαρτί. Αφού αποκλείστηκε, με διάφορα διαδοχικά πειράματα, η δυνατότητα πειραματικού λάθους, όπως επίσης και η δυνατότητα να έχουν προσβληθεί από άλλες, γνωστές έως τότε ακτινοβολίες, συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που προέρχονται από όχι γνωστές αιτίες, όπως είναι οι ακτινοβολίες του φθορισμού και του φωσφορισμού, έγινε παραδεκτό ότι υπάρχει ένας τύπος ακτινοβολίας (ακτίνες Μπεκερέλ) ικανής να διασχίζει λεπτά στρώματα αδιαφανών στο φως υλικών (χαρτί, ξύλο, αλουμίνιο).
Διαδοχικές παρατηρήσεις απόδειξαν ότι οι ιδιότητες της εκπομπής ακτινοβολιών δεν επηρεάζονται από κανένα γνωστό φυσικό (θερμοκρασία, πίεση, φωτισμός, ηλεκτρικές και μαγνητικές δράσεις, μηχανικές καταπονήσεις) ή χημικό αίτιο (πιθανές ενώσεις). Οι παρατηρήσεις αυτές επιβεβαιώθηκαν από τη Μαρία Κιουρί, η οποία διατύπωσε το πολύ τολμηρό για την εποχή της συμπέρασμα, ότι η ιδιότητα της εκπομπής ακτινοβολιών (η Κιουρί την ονόμασε ραδιενέργεια) έπρεπε να θεωρηθεί ως μια ιδιομορφία που δεν επηρεάζεται από το άτομο. Κατά την πορεία συστηματικών και επιμελών ερευνών, η Κιουρί παρατήρησε ότι μεταξύ των γνωστών την εποχή εκείνη στοιχείων, εκτός από το ουράνιο, ραδιενεργό είναι και το θόριο (η ίδια ανακάλυψη έγινε συγχρόνως και ανεξάρτητα από τον Γκ. Σμιτ). Αρκετά πιο σημαντική για την ανάπτυξη των μελετών επί της ρ. απέβη η παρατήρηση της Κιουρί, ότι ορισμένα ορυκτά του ουρανίου παρουσίαζαν ρ. ανώτερη από αυτήν που θα έπρεπε να παρουσιάζουν, σύμφωνα με την περιεκτικότητα τους σε ουράνιο· η Κιουρί τότε είχε τη μεγαλοφυή έμπνευση vα αποδώσει το γεγονός αυτό στην παρουσία άγνωστων στοιχείων, αρκετά πιο ραδιενεργών από το ουράνιο. Αυτό υπήρξε η αφετηρία των ερευνών, που οδήγησε το ζεύγος Κιουρί στην ανακάλυψη του πολώνιου και του ράδιου (1898), ενώ ο Α. Ντεμπιέρν (1899) ανακάλυψε το ακτίνιο. Διαδοχικές έρευνες που έκαναν πολυάριθμοι επιστήμονες (Ανρί Μπεκερέλ, Π. Βιγιάρ, Γκίζελ, Ε. Ράδερφορντ, Γ. Ράμσεϊ, Μ. Τράβερτς, Φ. Σόντι, Τ. Ρόιντς) απέδειξαν ότι τα ραδιενεργά σώματα εκπέμπουν τρεις τύπους ακτινοβολιών, που συμβολίζονται ως ακτινοβολίες α, β και γ. Επιπλέον καθορίστηκε ότι οι ακτινοβολίες α είναι πυρήνες ηλίου (δύο νετρόνια και δύο πρωτόνια), οι β ηλεκτρόνια και οι γ ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες. Στο ίδιο χρονικό διάστημα ανακαλύφθηκαν οι ραδιενεργοί αεριώδεις «αναθυμιάσεις»: το θορόνιο (Ράδερφορντ, 1900), το ραδόνιο (Ε. Ντορν) και το ακτίνιο (Ντεμπιέρν και Γκίζελ), με τα οποία ερμηνεύτηκε το φαινόμενο της «επαγόμενης ρ.» που είχαν παρατηρήσει οι Κιουρί (1899)· στην πραγματικότητα πρόκειται για επικαθήσεις ραδιενεργών ουσιών βραχείας ζωής. Με βάση αυτά και άλλα πειραματικά αποτελέσματα, ο Έρνεστ Ράδερφορντ και ο Φρέντερικ Σόντι κατόρθωσαν το 1903 να διατυπώσουν τη θεωρία των ραδιενεργών μεταστοιχειώσεων. Η θεωρία αυτή στηρίζεται στη βεβαιότητα ότι το ράδιο, το πολώνιο και το ακτίνιο είναι στοιχεία χημικώς ορισμένα και όχι συνδυασμός άλλων ατόμων με ήλιο. Σύμφωνα με τον Ράδερφορντ και τον Σόντι, τα ραδιενεργά άτομα μετασχηματίζονται, με σταθερή και χαρακτηριστική για κάθε σώμα ταχύτητα, σε άλλα άτομα, με εκπομπή ακτινοβολιών α και β, που είναι και οι δύο σωματιδιακής φύσης. Οι ραδιενεργές μεταστοιχειώσεις παράγουν χημικά είδη, το ατομικό βάρος των οποίων μειώνεται συνεχώς, ώσπου να καταλήξουν σ’ ένα σταθερό στοιχείο. Η μεταβολή της ρ. ενός προϊόντος συνδέεται έτσι με την αποσύνθεση ή τον σχηματισμό ατομικών ειδών περισσότερο ή λιγότερο ενεργών. Από το 1905 είχε παρατηρηθεί ο στατιστικός χαρακτήρας των ραδιενεργών φαινομένων· ενώ δεν είναι δυνατό να καθορίσουμε ποιοι πυρήνες θα μετασχηματιστούν σε μια δεδομένη στιγμή, είναι δυνατό να καθορίσουμε ποιο είναι το ποσοστό των πυρήνων που μετασχηματίζονται σ’ ένα δεδομένο χρονικό διάστημα. Με βάση τις μετρήσεις αυτές ορίστηκε ως δείκτης της δραστικότητας ενός ισοτόπου, ο χρόνος που αυτό χρειάζεται για να ελαττώσει κατά το μισό τη δραστηριότητά του, δηλαδή ο χρόνος που είναι αναγκαίος για να μετασχηματιστούν οι μισοί ραδιενεργοί πυρήνες του· το χρονικό αυτό διάστημα ονομάζεται «χρόνος ημιζωής» ή «περίοδος» και είναι σταθερό για κάθε είδος πυρήνα.
Ο επόμενος σταθμός στη μελέτη της ρ. είναι η εισαγωγή της έννοιας της ισοτοπίας με το έργο του Σόντι (1912). Ισότοπα θεωρούνται τα μη ομογενή στοιχεία, τα οποία θα πρέπει να αποτελούνται από άτομα ίσου ατομικού αριθμού, αλλά με διάφορο ατομικό βάρος. Φτάσαμε έτσι να διακρίνουμε καθαρά, με βάση το ατομικό πρότυπο του Ράδερφορντ (1911), τις ραδιενεργές ιδιότητες, που είναι χαρακτηριστικές του πυρήνα, από τις χημικές ιδιότητες. Η έννοια της ισοτοπίας απόκτησε ακολούθως πολυάριθμες επιβεβαιώσεις και αποδείχτηκε μια από τις πιο γόνιμες ερμηνείες των πυρηνικών φαινομένων.
Στην περίοδο αυτή των πειραματικών ερευνών και των θεωρητικών μελετών, το 1912 ο Σόντι (και ο Κ. Φάιανς, σχεδόν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα) διατύπωσε τον νόμο των ραδιενεργών μεταστοιχειώσεων· ο νόμος διαβεβαιώνει ότι ένα άτομο που εκπέμπει ένα σωματίδιο α μετατίθεται δύο θέσεις αριστερά στον πίνακα του περιοδικού συστήματος (δηλαδή υφίσταται μείωση δυο μονάδων του ατομικού του αριθμού), ενώ τα στοιχεία που παράγονται με ακτίνες β μετατίθενται μια θέση προς τα δεξιά (δηλαδή ο ατομικός αριθμός τους αυξάνει κατά μια μονάδα). Με βάση τον νόμο αυτό διευκρινίστηκαν οριστικά οι σχέσεις συγγενείας των ραδιενεργών στοιχείων, οι οποίες επέτρεψαν να τα κατατάξουμε σε τρεις οικογένειες, με πρωτεύοντα στοιχεία, το ουράνιο, το ακτίνιο και το θόριο.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι αποφασιστικές αυτές πρόοδοι επιτεύχθηκαν με βάση πειραματικά αποτελέσματα και στηρίχτηκαν στη θεωρία του Ράδερφορντ για το άτομο, χωρίς να καταφύγουν σε ιδιαίτερες υποθέσεις επί της δομής του ατομικού πυρήνα και επί του μηχανισμού της ρ. Στο πλαίσιο αυτό έμειναν ανεξήγητες πολυάριθμες πλευρές των φαινομένων ρ. και βασικά έμεινε άγνωστη η ερμηνεία της ενέργειας που εκπέμπεται κατά τα φαινόμενα ρ. (ήδη ο Πιερ Κιουρί και ο Α. Λαμπόρντ είχαν παρατηρήσει ότι κάθε γραμμάριο ραδίου παράγει σε μια ώρα ποσότητα θερμότητας 100 θερμίδων), η οποία φαινόταν ότι αμφισβητούσε την αρχή της διατήρησης της ενέργειας.
Ερμηνεία των ραδιενεργών φαινομένων. Μία πληρέστερη ερμηνεία των φαινομένων ρ. έγινε δυνατή μόνο μετά την ανακάλυψη του νετρονίου από τον Τζέιμς Τσάντγουικ (1932), η οποία επέτρεψε να συγκροτηθεί μια πιο ικανοποιητική εικόνα του ατομικού πυρήνα, να διατυπωθεί η θεωρία των ακτίνων β από τον Φέρμι (1934) με βάση την υπόθεση του Πάουλι περί της ύπαρξης του νετρίνου, και να ανακαλυφθεί η τεχνητή ρ. (Ιρέν και Φρεντερίκ Ζολιό-Κιουρί, 1934), η οποία επέτρεψε να μελετηθούν ακριβέστερα όχι μόνο οι ακτινοβολίες που εκπέμπονται από τα ραδιενεργά υλικά, αλλά και η συμπεριφορά των σωματιδίων της κοσμικής ακτινοβολίας, η οποία αποκάλυψε την ύπαρξη των ποζιτρόνιων (Άντερσον, 1932) και των μεσόνιων. Οι θεωρητικές μελέτες που βασίστηκαν στα αποτελέσματα αυτά και σε άλλα γεγονότα που προέκυψαν κατόπιν, όπως η ανακάλυψη της πυρηνικής σχάσης (1939) και η πειραματική επαλήθευση της ύπαρξης του νετρίνου (1957), επέτρεψαν την ερμηνεία των φαινομένων ρ. κατά επαρκή τρόπο. Για να κατανοήσουμε τον μηχανισμό των φαινομένων αυτών στους ατομικούς πυρήνες, πρέπει να έχουμε πάντα υπόψη μας ότι πρόκειται για μετατροπές τις οποίες υφίσταται ο πυρήνας όταν διέρχεται από μια κατάσταση αστάθειας, που προκλήθηκε από περίσσευμα μάζας ηλεκτρικού φορτίου ή ενέργειας στους πυρήνες, σε μια κατάσταση πιο ευσταθή. Στους πυρήνες έχει μεγάλη σημασία η αστάθεια, που οφείλεται στην υπερίσχυση των απωστικών ηλεκτροστατικών δράσεων μεταξύ των πρωτονίων. Το γεγονός ότι μεταξύ των πρωτονίων υπάρχει μία απωστική δράση θα μπορούσε να μας οδηγήσει στη σκέψη ότι ένας υποθετικός πυρήνας αποτελούμενος μόνο από νετρόνια, θα έπρεπε να παρουσιάζει ένα μέγιστο ευστάθειας: στην πραγματικότητα όμως τα πράγματα είναι διάφορα. Ακόμα και στο εσωτερικό του πυρήνα, τα σωματίδια που τον αποτελούν ακολουθούν την αρχή αποκλεισμού του Πάουλι και σε κάθε ενεργειακή στάθμη δεν είναι δυνατό να βρεθεί ένας ίσος αριθμός σωματιδίων μεγαλύτερος από ένα ορισμένο μέγεθος· από αυτό προκύπτει ότι σε ένα πυρήνα που αποτελείται μόνο από νετρόνια, αυτά θα έπρεπε να τοποθετηθούν σε στιβάδες συνεχώς και πιο εξωτερικές, ώσπου στο τέλος, για ένα πολύ μεγάλο αριθμό νετρονίων, ο πυρήνας θα είχε διαστάσεις τέτοιες, ώστε η δύναμη της έλξης που δρα επί των εξωτερικών νετρονίων δεν θα ήταν αρκετή να τα κρατήσει συνδεμένα με τον πυρήνα. Αντίθετα, επειδή τα πρωτόνια είναι σωματίδια διαφορετικά από τα νετρόνια, μπορούν να υπάρξουν σε στάθμες που έχουν ήδη νετρόνια· από αυτό προκύπτει ότι ένας πυρήνας αποτελούμενος π.χ. από δέκα πρωτόνια και δέκα νετρόνια έχει διαστάσεις μικρότερες από ένα πυρήνα αποτελούμενο από είκοσι νετρόνια. Το μέγιστο ευστάθειας υπάρχει, έτσι, σε πυρήνες στους οποίους η απωστική ηλεκτροστατική μορφή των πρωτονίων αντισταθμίζεται από τις ελκτικές πυρηνικές δυνάμεις ενός κατάλληλου αριθμού νετρονίων. Το συμπέρασμα αυτό, που επιβεβαιώθηκε από πειραματικά δεδομένα, εκφράζεται στην καμπύλη του Κ.Φ. φον Βάιτσεκερ, η οποία εκφράζει την άριστη τιμή του λόγου μεταξύ του αριθμού των πρωτονίων (Ζ) και του αριθμού των νετρονίων (Ν) για να υπάρξει ευστάθεια ενός πυρήνα δεδομένου ατομικού αριθμού Α· για κάθε ατομικό αριθμό, η καμπύλη παρουσιάζει ένα ελάχιστο ενέργειας, που αντιστοιχεί σε ένα μέγιστο ευστάθειας. Όταν αυξάνεται ο μαζικός αριθμός Α, το ελάχιστο μετακινείται κατά την έννοια μιας αύξησης του αριθμού των νετρονίων ως προς τα πρωτόνια.
Η καμπύλη του φον Βάιτσεκερ εξηγεί τα φαινόμενα ρ. που συνδέονται με τους πυρήνες. Η ακτινοβολία α, η οποία αποτελείται από εκπομπή πυρήνων ηλίου, είναι χαρακτηριστική των βαρέων πυρήνων και μπορεί να θεωρηθεί ως αποτέλεσμα της αστάθειας που προκαλείται από ένα περίσσευμα μάζας στον πυρήνα και της επικράτησης των ηλεκτροστατικών απωστικών δράσεων μεταξύ των πρωτονίων.
Αν, αντίθετα, για ένα δεδομένο περίσσευμα μάζας, ο πυρήνας παρουσιάζει ένα περίσσευμα νετρονίων, αυτός θα περάσει στις συνθήκες μέγιστης ευστάθειας, εκπέμποντας αρνητικά φορτία με μορφή ηλεκτρονίων (ραδιενέργεια β) με αποτέλεσμα τη μετατροπή νετρονίων σε πρωτόνια· αν, αντίθετα υπάρχει περίσσευμα πρωτονίων, πρέπει να έχουμε εκπομπές θετικών φορτίων με μορφή αντιηλεκτρονίων (ραδιενέργεια β). Ενώ η μετατροπή του νετρονίου σε πρωτόνιο μπορεί να γίνει αυτόματα ακόμα και για μεμονωμένα νετρόνια, επειδή το νετρόνιο έχει μεγαλύτερη μάζα από το πρωτόνιο, η αντίθετη μετατροπή είναι δυνατή μόνο στους πυρήνες, όπου η διαφορά μάζας μεταξύ πρωτονίου και νετρονίου δίνεται με μορφή ενέργειας από ένα φαινόμενο επανακατάταξης του πυρήνα. Στους ατομικούς πυρήνες εξάλλου η μετατροπή των πρωτονίων σε νετρόνια μπορεί να γίνει με σύλληψη ενός ηλεκτρονίου από στάθμες πλησιέστερες προς τον πυρήνα (συνήθως από τη στάθμη Κ, από όπου το φαινόμενο ονομάζεται «σύλληψη Κ»)· συνέπεια της σύλληψης είναι ότι στην εσώτερη στάθμη μένει μια θέση ελεύθερη, η οποία καταλαμβάνεται από ένα ηλεκτρόνιο πιο εξωτερικό· σ’ αυτήν τη μεταπήδηση αποδίνεται ενέργεια με μορφή ενός κβάντου ακτινοβολίας X.
Ως προς τους πυρήνες, μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η ρ. είναι μία έκφραση αστάθειας και οι ακτινοβολίες α, β- και β+ και γ γίνονται για να δώσουν στον πυρήνα μεγαλύτερη ευστάθεια, είτε αφαιρώντας από αυτόν ένα περίσσευμα μάζας (ακτινοβολία α), είτε από ένα περίσσευμα ηλεκτρικού φορτίου αρνητικού και θετικού (ακτινοβολίες β- και β+ είτε αφαιρώντας ένα περίσσευμα ενέργειας (ακτινοβολίες γ).
Ο θεμελιώδης μηχανισμός που επιτρέπει στους πυρήνες, με περίσσευμα ή έλλειμμα φορτίου, να φτάσουν τις συνθήκες ευστάθειας, συνίσταται στη διάσπαση β ενός μόνου σωματιδίου. Η μετάπτωση του δεύτερου νετρονίου δίνει τον σχηματισμό ενός πρωτονίου, ενός ηλεκτρονίου και ενός νετρίνου (ή καλύτερα ενός αντινετρίνου, σύμφωνα με τις πιο τελευταίες απόψεις). Η υπόθεση της ύπαρξης του νετρίνου διατυπώθηκε από τον Πάουλι, για να εξηγήσει το φαινόμενο της ραδιενέργειας β, χωρίς η ερμηνεία αυτή να έρχεται σε αντίφαση με την αρχή της διατήρησης της ενέργειας. Παρατηρήθηκε πράγματι ότι τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται με τη ρ. μπορούν να έχουν ενέργειες μεταβαλλόμενες συνεχώς και, συνεπώς, ευρισκόμενες σε αντίθεση με όλες τις αντιλήψεις της κβαντικής φυσικής, η οποία θεωρεί ότι όλα τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από ένα δεδομένο φαινόμενο μετάπτωσης πρέπει να έχουν την ίδια ενέργεια. Έπρεπε λοιπόν να εξηγηθεί η διαφορά της ενέργειας που παρουσιάζεται στα διάφορα ηλεκτρόνια. Αν παραδεχτούμε ότι μαζί με κάθε ηλεκτρόνιο εκπέμπεται και ένα σωματίδιο με μάζα ηρεμίας πρακτικά μηδενική και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο, που έχει όμως σπιν και μια ορισμένη ταχύτητα, συνεπώς μια ορισμένη ενέργεια, μπορούμε να ισοσταθμίσουμε τον ενεργητικό ισολογισμό κάθε φαινόμενου ακτινοβολίας β. Σύμφωνα με τη θεωρία του Φέρμι, η διαφορά ενέργειας στα διάφορα ηλεκτρόνια οφείλεται στα νετρίνα που εκπέμπονται στο φαινόμενο της διάσπασης του νετρονίου. Η μετάπτωση του νετρονίου σε πρωτόνιο είναι ένα παράδειγμα της απλούστερης δυνατής ραδιενεργής μεταστοιχείωσης, και αποτελεί κλασικό παράδειγμα ασθενούς αλληλεπίδρασης. Η κλάση αυτή των αλληλεπιδράσεων είναι υπεύθυνη για τις μεταπτώσεις ενός μεγάλου αριθμού άλλων σωματιδίων: μερικά, τα οποία (με ιδιαίτερη περίπτωση τη διάσπαση β) παράγουν μεσόνια μ, ηλεκτρόνια και νετρίνα (λεπτόνια), ενώ άλλα (μεταπτώσεις μη λεπτονικές) παράγουν σωματίδια όπως τα μεσόνια π και Κ. Τα τελευταία αυτά σωματίδια διασπώνται, με τη σειρά τους, με μεταπτώσεις του πρώτου τύπου. Η μέση ζωή των διασπάσεων που παράγονται από τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις κυμαίνεται από 10-6 έως 10-10 δευτερόλεπτα, χρόνο σχετικά μακρό, αν συγκριθεί με τη μέση χαρακτηριστική ζωή των διασπάσεων που προκαλούνται από τις ηλεκτρομαγνητικές και τις ισχυρές αλληλεπίδρασης.
Μέτρηση των επιπέδων ραδιενέργειας στο Κόσοβο (φωτ. ΑΠΕ).
Οι βραβευμένοι με Νόμπελ, Πιέρ και Μαρία Κιουρί (φωτ. ΑΠΕ).
Προστατευτικές ενδυμασίες για το προσωπικό που θα είναι υποχρεωμένο να δράσει σε περιβάλλον μολυσμένο από πυρηνικές εκρήξεις ή από χημικά ή βιολογικά όπλα.
Ο Γερμανός Βίλχελμ Κόνραντ Ρίνγκτεν, αριστερά, και ο γάλλος Ανρί Μπεκερέλ, δεξιά. Οι έρευνές τους οδήγησαν το ζεύγος Κιουρί στην ανακάλυψη του πολώνιου και του ράδιου (φωτ. ΑΠΕ).
Πυρηνικό εργοστάσιο στη Βουλγαρία (φωτ. ΑΠΕ).
* * *και παλ. τ. ραδιενέργεια, η, Νφυσ. χαρακτηριστική ιδιότητα ορισμένων ατόμων και, κατ' επέκταση, τών υλικών που τα περιέχουν, κατά την οποία οι πυρήνες τους διασπώνται αυθόρμητα, παρέχοντας νέους πυρήνες με ταυτόχρονη εκπομπή ορισμένων σωματιδιακών ή και ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών και απελευθέρωση ενέργειας.[ΕΤΥΜΟΛ. Μεταφορά στην Ελλ. ως προς το α' συνθετικό και απόδοση ως προς το β' συνθετικό, πρβλ. αγγλ. radioactivity (< λατ. radius «ακτίνα, αστραπή» + activity «ενέργεια»)].
Dictionary of Greek. 2013.
