Looduslik radioaktiivsus

Aatomituumade iseeneslik muundumine, looduslik radioaktiivsus, avastati umbes samaaegselt elektroniga. 1896. a märkas Prantsuse füüsik Henri Becquerel täiesti juhuslikult, et uraaninitraadi tükike mõjutab musta paberisse mähitud foto­tundlikku materjali. Ilmselt kiirgas uraanisool mingeid seni­tundmatuid kiiri, mis läbisid musta paberi. Kuna tol ajal ei olnud veel mingit täpsemat ettekujutust aatomi ehitusest, siis sai öelda, et kiirgus tuleb aatomitest. Alles pärast aatomituuma avastamist sai selgeks, et radioaktiivne kiirgus pärineb aatomituumast.

Juba mõne aasta jooksul selgus, et radioaktiivsete ainete kiirgus koosneb kolmest eri liiki komponendist, mida hakati nimetama alfa-, beeta- ja gammakiir­guseks. Nende käitumine magnetväljas näitas, et alfakiirgus on positiivse laenguga osakeste voog, beetakiirgus negatiivse laenguga osakeste voog ja gammakiirgus on elektriliselt neutraalne.

Radioaktiivse kiirguse lahutumine magnetväljas. Magnetväli avaldab mõju liikuvale laengule, kõrvalekaldumise suund oleneb laengu märgist.

Edasine uuring näitas, et alfakiirguse osakesed ehk alfaosakesed koosnevad kahest prootonist ja kahest neutronist ja on seega samad, mis heeliumi aatomi tuumad. Beetakiirguse osakesed on elektronid, gammakiirgus aga väga lühilaineline elektromagnetkiirgus, mis tänapäeva mõistes on suure energiaga footonite (neid nimetatakse ka γ-kvantideks) voog.

Nende kiirguste läbiminekuvõime ainest on väga erinev. Alfakiirguse peab kinni isegi paberileht, beetakiirgus läbib millimeetri­paksuse alumiinium­plaadi, gammakiirgus on aga veelgi suurema läbimis­võimega (vt joonis). Radioaktiivse kiirguse läbimis­võimest ja mõjust elus­organismidele tuleb juttu edaspidi.

Üsna varsti pärast Becquereli avastust leiti, et peale uraani­soolade on veel teisigi radioaktiivseid aineid. Avastati toorium, poloonium, raadium, aktiinium jt. Aatomituuma avastamise ajaks oli radioaktiivseid elemente juba kolmkümmend. Hiljem selgus, et paljud neist on juba tuntud elementide isotoobid.

Tänapäeval ei räägita enam α- ja β-kiirgusest, vaid α- ja β-lagunemisest, sest nende protsesside käigus muutub üks tuum teiseks.

Sümboolselt võime selle protsessi kirjutada kujul

$\[ {}_Z{}^A\text{X}\to {}_{Z-2}{}^{A-4}\text{Y}+\text{α} \]$

kus α = $\[ {}_2{}^4\text{H}\text{e} \]$ ja Y tähistab keemilist elementi, mille järjenumber on kahe võrra väiksem lähtetuuma järjenumbrist. Nagu näeme, väheneb α-lagunemisel laenguarv kahe võrra ja massiarv nelja võrra. Joonisel on toodud raadiumi-226 α-lagunemine, mille käigus tekib radoon-222: $\[ {}_{88}{}^{226}\text{Ra}\to {}_{86}{}^{222}\text{Rn}+\text{α.} \]$

Tekkivate alfaosakeste energia on väga suur, enamikul tuumadest on see vahemikus 4–9 MeV. Kuna kogu lagunemisel tekkiv energia läheb alfaosakese kineetiliseks energiaks, siis liiguvad nad vaatamata suurele massile päris suure kiirusega. Nii saaksime 4 MeV kineetilise energiaga alfaosakese kiiruseks, lugedes selle massi võrdseks nelja prootoni massiga, 1,4 · 10⁷ m/s. See on meie tavamaailma mõistes ülisuur kiirus ja see oli ka põhjuseks, miks Rutherford võrdles kullast lehekese pommitamisel alfaosakesi kahurikuulidega.

Selle protsessi lähem uurimine näitas, et lisaks elektronile lendab tuumast välja veel neutraalne, üliväikese massiga osake, mida hakati nimetama neutriinoks (kui päris täpne olla, siis tänapäeva mõistes on see elektroonne antineutriino). Neutriino on osake, mille vastastikmõju ainega on üliväike, nii näiteks võib neutriino läbida maakera, ilma et toimuks ühtegi vastastikmõju protsessi. Seetõttu on teda ka β-lagunemisel ülimalt raske registreerida. Kuna β-lagunemisel lendab tuumast välja elektron, siis elektrilaengu jäävuse seaduse kohaselt peab lagunemisel tekkinud tuuma laenguarv ühe võrra suurenema. Sümboolselt võime selle protsessi kirjutada kujul

$\[ {}_Z{}^A\text{X}\to {}_{Z+1}{}^A\text{Y}+e^{-}+\nu , \]$

kus ν tähistab lagunemisel tekkivat neutriinot (vt joonis).

See, et radioaktiivse lagunemise käigus tekib lühikese lainepikkusega elektromagnetkiirgus, on seletatav sellega, et nii nagu aatomis ei ole elektronid kogu aeg põhiolekus (madalaima võimaliku energiaga olekus), vaid võivad olla ka kõrgema energiaga ehk ergastatud olekus, on ka tuumas olemas ergastatud olekud. Tuumas olevatel prootonitel ja neutronitel on samuti kindla energiaga olekud ning ka tuum võib olla ergastatud olekus, kui mõni tema prooton või neutron (või mõlemad) on tuumas ergastatud olekus. Nii nagu aatomis on ergastatud olek lühiajaline ja aatom läheb väiksema energiaga olekusse, kiirates elektro­magnet­kiirgust (footoneid), on see ka tuumas.

Kuna aga energia­nivoode vahed tuumas on oluliselt suuremad, siis ulatub ka kiiratud footonite energia mega­elektron­voltideni, mistõttu γ-kiirguse lainepikkus on väga väike (alla 1 Å ehk alla 10^–10 m). γ-kiirgus tekib radioaktiivsel lagunemisel seetõttu, et pärast α- või β-lagunemist tekkiv tuum on praktiliselt alati ergastatud olekus ja läheb sealt footoneid kiirates põhiolekusse (või madalama energiaga olekusse). Nii võime γ-kiirguse tekkimise esitada sümboolselt kujul

$\[ {}_Z{}^A\text{Y*}\to {}_Z{}^A\text{Y}+\text{γ}, \]$

kus Y* kujutab elemendi Y tuuma ergastatud olekut ja γ kiirguse käigus tekkinud footonit. Nagu esitatust näha, ei muutu γ-kiirguse käigus tuuma laenguarv ja massiarv, mistõttu tuum jääb peale lagunemist sama elemendi tuumaks, küll aga muutub tuuma energia. Joonisel on toodud hapnik-16 γ-kiirgus:

$\[ {}_8{}^{16}\text{O*}\to {}_8{}^{16}\text{O}+\text{γ.} \]$

Radioaktiivse elemendi korral huvitab meid, kui kiiresti see element laguneb. Osutub, et lagunemine toimub ühtlaselt, s.t mingi aja jooksul lagunevate tuumade arv on võrdeline tuumade arvuga alghetkel. Lagunemist iseloomustatakse tavaliselt ajaga, mille jooksul pooled alghetkel olevatest tuumadest on jõudnud laguneda. Seda aega nimetatakse radioaktiivse tuuma poolestus­ajaks.

Pärast 7-kordse poolestusaja möödumist on alles umbes 1% esialgsetest tuumadest. Poolestusaja väärtused kõiguvad väga suurtes piirides. Nii näiteks on uraani isotoobi U-238 poolestusaeg 4,5 · 10⁹ aastat. Kuna see on väga pikk aeg, siis alates Maa tekkimisest, umbes 4,54 · 10⁹ aastat tagasi, on Maal tekkinud uraanikogus kahanenud ainult poole võrra. Kui me aga räägiksime vesiniku isotoobist H-3 ehk triitiumist, siis selle poolestusaeg on eelnevaga võrreldes tühine, ainult 12,3 aastat. Kuna see aeg on üsna väike, aga triitiumi roll tänapäeva tuumaenergeetikas (nii pommides kui ka juhitava termotuumareaktsiooni saamisel) on suur, peab triitiumi varusid pidevalt täiendama.