Probabilmente hai sentito parlare di radiazioni sia nella finzione che nella vita reale. Per esempio, quando l'Enterprise si avvicina a una stella in "Star Trek, " un membro dell'equipaggio potrebbe avvertire di un aumento dei livelli di radiazioni. Nel libro di Tom Clancy "The Hunt for Red October, "Un sottomarino russo ha un incidente in un reattore nucleare con fuoriuscita di radiazioni che costringe l'equipaggio ad abbandonare la nave. A Three Mile Island e Chernobyl, le centrali nucleari hanno rilasciato sostanze radioattive nell'atmosfera durante gli incidenti nucleari. E all'indomani del terremoto e dello tsunami del marzo 2011 che hanno colpito il Giappone, una crisi nucleare ha sollevato timori sulle radiazioni e dubbi sulla sicurezza dell'energia nucleare.
Le radiazioni nucleari possono essere sia estremamente benefiche che estremamente pericolose. Dipende solo da come lo usi. macchine a raggi X, alcuni tipi di apparecchiature di sterilizzazione e centrali nucleari utilizzano tutte radiazioni nucleari, ma anche le armi nucleari. Materiali nucleari (cioè sostanze che emettono radiazioni nucleari) sono abbastanza comuni e hanno trovato la loro strada nei nostri normali vocabolari in molti modi diversi. Probabilmente hai sentito (e usato) molti dei seguenti termini:
Tutti questi termini sono collegati dal fatto che hanno tutti a che fare con elementi nucleari, naturale o artificiale. Ma cos'è esattamente la radiazione? Perché è così pericoloso? In questo articolo, esamineremo le radiazioni nucleari in modo che tu possa capire esattamente di cosa si tratta e come influenzano la tua vita su base giornaliera.
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In questa figura, le particelle gialle sono elettroni orbitali, le particelle blu sono neutroni e le particelle rosse sono protoni. Partiamo dall'inizio e capiamo da dove viene la parola "nucleare" in "radiazioni nucleari". Ecco qualcosa con cui dovresti già sentirti a tuo agio:Tutto è fatto di atomi . Gli atomi si legano insieme in molecole . Quindi una molecola d'acqua è composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno legati insieme in una singola unità. Perché impariamo su atomi e molecole alla scuola elementare, capiamo e ci sentiamo a nostro agio con loro. In natura, ogni atomo che trovi sarà uno dei 92 tipi di atomi, conosciuto anche come elementi . Quindi ogni sostanza sulla Terra -- metallo, plastica, capelli, capi di abbigliamento, fogliame, vetro - è costituito da combinazioni dei 92 atomi che si trovano in natura. La tavola periodica degli elementi che vedi durante la lezione di chimica è un elenco degli elementi che si trovano in natura più un numero di elementi creati dall'uomo.
Dentro ogni atomo ce ne sono tre particelle subatomiche :protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni si legano per formare il nucleo dell'atomo, mentre gli elettroni circondano e orbitano attorno al nucleo. Protoni ed elettroni hanno cariche opposte e quindi si attraggono (gli elettroni sono negativi e i protoni sono positivi, e le cariche opposte si attraggono), e nella maggior parte dei casi il numero di elettroni e protoni è lo stesso per un atomo (rendendo l'atomo neutro in carica). I neutroni sono neutri. Il loro scopo nel nucleo è quello di legare insieme i protoni. Poiché i protoni hanno tutti la stessa carica e si respingono naturalmente a vicenda, i neutroni fungono da "colla" per tenere strettamente insieme i protoni nel nucleo.
Il numero di protoni nel nucleo determina il comportamento di un atomo. Per esempio, se combini 13 protoni con 14 neutroni per creare un nucleo e poi fai ruotare 13 elettroni attorno a quel nucleo, quello che hai è un atomo di alluminio. Se raggruppi milioni di atomi di alluminio insieme ottieni una sostanza che è alluminio, puoi formare lattine di alluminio, foglio di alluminio e rivestimenti in alluminio fuori di esso. Tutto l'alluminio che trovi in natura si chiama alluminio-27. Il "27" è il numero di massa atomica -- la somma del numero di neutroni e protoni nel nucleo. Se prendi un atomo di alluminio e lo metti in una bottiglia e torni indietro tra diversi milioni di anni, sarà ancora un atomo di alluminio. L'alluminio-27 è quindi chiamato a stabile atomo. Fino a circa 100 anni fa, si pensava che tutti gli atomi fossero stabili in questo modo.
Molti atomi si presentano in forme diverse. Per esempio, il rame ha due forme stabili:rame-63 (che costituisce circa il 70% di tutto il rame naturale) e rame-65 (che costituisce circa il 30%). Le due forme sono chiamate isotopi . Gli atomi di entrambi gli isotopi del rame hanno 29 protoni, ma un atomo di rame-63 ha 34 neutroni mentre un atomo di rame-65 ha 36 neutroni. Entrambi gli isotopi agiscono e hanno lo stesso aspetto, ed entrambi sono stabili.
La parte che non è stata compresa fino a circa 100 anni fa è che alcuni elementi hanno isotopi che sono radioattivo . In alcuni elementi, tutti gli isotopi sono radioattivi. L'idrogeno è un buon esempio di un elemento con più isotopi, uno dei quali è radioattivo. Idrogeno normale, o idrogeno-1, ha un protone e nessun neutrone (perché c'è un solo protone nel nucleo, non sono necessari gli effetti vincolanti dei neutroni). C'è un altro isotopo, idrogeno-2 (noto anche come deuterio), che ha un protone e un neutrone. Il deuterio è molto raro in natura (costituisce circa lo 0,015 percento di tutto l'idrogeno), e sebbene si comporti come l'idrogeno-1 (ad esempio, puoi ricavarne acqua) si scopre che è abbastanza diverso dall'idrogeno-1 in quanto è tossico in alte concentrazioni. L'isotopo del deuterio dell'idrogeno è stabile. Un terzo isotopo, idrogeno-3 (noto anche come trizio), ha un protone e due neutroni. Si scopre che questo isotopo è instabile . Questo è, se hai un contenitore pieno di trizio e torni tra un milione di anni, scoprirai che tutto si è trasformato in elio-3 (due protoni, un neutrone), che è stabile. Il processo mediante il quale si trasforma in elio si chiama decadimento radioattivo .
Alcuni elementi sono naturalmente radioattivi in tutti i loro isotopi. L'uranio è il miglior esempio di un tale elemento ed è l'elemento radioattivo naturale più pesante. Ci sono altri otto elementi naturalmente radioattivi:polonio, astato, radon, francio, radio, attinio, torio e protattinio. Anche tutti gli altri elementi artificiali più pesanti dell'uranio sono radioattivi.
Il decadimento radioattivo è un processo naturale. Un atomo di un isotopo radioattivo decadrà spontaneamente in un altro elemento attraverso uno dei tre processi comuni:
Nel processo, vengono prodotti quattro diversi tipi di raggi radioattivi:
Americio-241, un elemento radioattivo più noto per il suo utilizzo nei rilevatori di fumo, è un buon esempio di un elemento che subisce decadimento alfa . Un atomo di americio-241 emetterà spontaneamente un particella alfa . Una particella alfa è composta da due protoni e due neutroni legati insieme, che è l'equivalente di un nucleo di elio-4. Nel processo di emissione della particella alfa, l'atomo di americio-241 diventa un atomo di nettunio-237. La particella alfa lascia la scena ad alta velocità - forse 10, 000 miglia al secondo (16, 000 km/sec).
Se stavi guardando un singolo atomo di americio-241, sarebbe impossibile prevedere quando emetterebbe una particella alfa. Però, se hai una vasta collezione di atomi di americio, allora il tasso di decadimento diventa abbastanza prevedibile. Per americio-241, è noto che metà degli atomi decadono in 458 anni. Perciò, 458 anni sono i metà vita di americio-241. Ogni elemento radioattivo ha una diversa emivita, che vanno da frazioni di secondo a milioni di anni, a seconda dell'isotopo specifico. Per esempio, americio-243 ha un'emivita di 7, 370 anni.
Il trizio (idrogeno-3) è un buon esempio di un elemento che subisce decadimento beta . Nel decadimento beta, un neutrone nel nucleo si trasforma spontaneamente in un protone, un elettrone, e una terza particella chiamata antineutrino. Il nucleo espelle l'elettrone e l'antineutrino, mentre il protone rimane nel nucleo. L'elettrone espulso è indicato come a particella beta . Il nucleo perde un neutrone e guadagna un protone. Perciò, un atomo di idrogeno-3 in fase di decadimento beta diventa un atomo di elio-3.
In fissione spontanea , un atomo in realtà si divide invece di espellere una particella alfa o beta. La parola "fissione" significa "scissione". Un atomo pesante come il fermio-256 subisce una fissione spontanea circa il 97 percento delle volte in cui decade, e nel processo, diventa due atomi. Per esempio, un atomo di fermio-256 può diventare un atomo di xenon-140 e un atomo di palladio-112, e nel processo espellerà quattro neutroni (noti come "neutroni tempestivi" perché vengono espulsi al momento della fissione). Questi neutroni possono essere assorbiti da altri atomi e causare reazioni nucleari, come decadimento o fissione, oppure possono scontrarsi con altri atomi, come palle da biliardo, e causare l'emissione di raggi gamma.
La radiazione di neutroni può essere utilizzata per rendere radioattivi gli atomi non radioattivi; questo ha applicazioni pratiche in medicina nucleare. La radiazione di neutroni è prodotta anche dai reattori nucleari nelle centrali elettriche e nelle navi a propulsione nucleare e negli acceleratori di particelle, dispositivi utilizzati per studiare la fisica subatomica.
In molti casi, un nucleo che ha subito un decadimento alfa, il decadimento beta o la fissione spontanea saranno altamente energetici e quindi instabili. Eliminerà la sua energia extra come un impulso elettromagnetico noto come a raggi gamma . I raggi gamma sono come i raggi X in quanto penetrano nella materia, ma sono più energetici dei raggi X. I raggi gamma sono fatti di energia, particelle non in movimento come le particelle alfa e beta.
Mentre a proposito di vari raggi, ci sono anche Raggi cosmici bombardare la Terra in ogni momento. I raggi cosmici provengono dal sole e anche da cose come le stelle che esplodono. La maggior parte dei raggi cosmici (forse l'85%) sono protoni che viaggiano vicino alla velocità della luce, mentre forse il 12% sono particelle alfa che viaggiano molto velocemente. È la velocità delle particelle, a proposito, che dà loro la capacità di penetrare nella materia. Quando colpiscono l'atmosfera, si scontrano con gli atomi nell'atmosfera in vari modi per formare raggi cosmici secondari che hanno meno energia. Questi raggi cosmici secondari poi si scontrano con altre cose sulla Terra, compresi gli umani. Veniamo continuamente colpiti da raggi cosmici secondari, ma non siamo feriti perché questi raggi secondari hanno un'energia inferiore ai raggi cosmici primari. I raggi cosmici primari sono un pericolo per gli astronauti nello spazio.
Sebbene siano "naturali" nel senso che gli atomi radioattivi decadono naturalmente e gli elementi radioattivi fanno parte della natura, tutte le emissioni radioattive sono pericolose per gli esseri viventi. particelle alfa, particelle beta, neutroni, i raggi gamma e i raggi cosmici sono tutti conosciuti come Radiazione ionizzante , il che significa che quando questi raggi interagiscono con un atomo possono staccare un elettrone orbitale. La perdita di un elettrone può causare problemi, compreso tutto, dalla morte cellulare alle mutazioni genetiche (che portano al cancro), in ogni essere vivente.
Poiché le particelle alfa sono grandi, non possono penetrare molto lontano nella materia. Non possono penetrare un foglio di carta, Per esempio, quindi quando sono fuori dal corpo non hanno effetto sulle persone. Se mangi o inspiri atomi che emettono particelle alfa, però, le particelle alfa possono causare un bel po' di danni all'interno del tuo corpo.
Le particelle beta penetrano un po' più in profondità, ma anche qui sono pericolosi solo se mangiati o inalati; le particelle beta possono essere fermate da un foglio di alluminio o plexiglas. Raggi gamma, come i raggi X, vengono fermati dal piombo.
neutroni, perché mancano di carica, penetrare molto profondamente, e sono meglio fermati da strati estremamente spessi di cemento o liquidi come acqua o olio combustibile. raggi gamma e neutroni, perché sono così penetranti, può avere gravi effetti sulle cellule dell'uomo e di altri animali. Potresti aver sentito ad un certo punto di un ordigno nucleare chiamato a bomba al neutrone . L'intera idea di questa bomba è ottimizzare la produzione di neutroni e raggi gamma in modo che la bomba abbia il suo massimo effetto sugli esseri viventi.
Come abbiamo visto, la radioattività è "naturale, " e tutti noi conteniamo cose come il carbonio 14 radioattivo. Ci sono anche una serie di elementi nucleari artificiali nell'ambiente che sono dannosi. Le radiazioni nucleari hanno potenti benefici, come l'energia nucleare per generare elettricità e la medicina nucleare per rilevare e curare le malattie, oltre a notevoli pericoli.
