Radioactivități

Radioactivitatea și fizica nucleară sunt doi termeni care suscită ori teamă, ori confuzie, ori ambele. Și sună și a ceva super complex și…păi, da, ca orice domeniu de genul ăsta, fizica nucleară (care include radioactivitatea) e complexă și complicată. Daaaar asta nu mă oprește să îți spun câte ceva despre acest domeniu. Ăsta e vârful iceberg-ului, cireașa de pe tort. Săptămâna trecută ai citit în postarea Când apa dă de greu despre cât de important este neutronul într-un atom, chiar dacă aparent e o particulă mare și leneșă, iar săptămâna asta îți voi povesti despre acel cuvânt de speriat adulți: radioactivitatea. Mai exact despre cum a fost descoperită și ce treabă are ea cu interiorul atomului. Săptămâna viitoare vei vedea cum oamenii au început să umble ei înșiși în măruntaiele atomului, eliberând o cantitate nemaivăzută de energie. Distracție plăcută.

Energie din piatră seacă

Era anul 1896, iar pe 1 februarie, Giacomo Puccini tocmai lansase opera La bohème în Torino, Italia. În ziua de azi este privită ca fiind una din cele mai bune piese de operă create vreodată, dar pe vremea aia nu a fost primită cu prea multă căldură de critici. Cică era prea puțin sofisticată. Din păcate nu o să știm niciodată ce părere ar fi avut chimistul Henri Becquerel de această operă, pentru că el era ocupat nevoie mare în Franța cu cercetarea unui element chimic descoperit prin 1789, dar care încă era plin de surprize: Uraniul.

Pe 10 februarie 1896 acesta [Becquerel, nu uraniul] a făcut un anunț foarte interesant la Academia Franceză a Științelor: a luat o plăcuță fotografică (ce se folosea pe vremuri la fotografii, până să apară filmul fotografic) pe care a înfășurat-o într-o hârtie și a avut grijă ca această plăcuță să NU fie expusă la lumină sau căldură. Apoi a pus niște săruri de uraniu (pe care le studia la momentul respectiv) pe plăcuța acoperită și a lăsat-o o zi. Spre marea lui surprindere, a doua zi, când a scos plăcuța fotografică, a observat că rămăseseră niște urme pe ea, deși nu fusese expusă la lumină! A tras ulterior concluzia că sărurile de uraniu erau de vină: ele erau sursa de energie. Becquerel tocmai descoperise radioactivitatea.

În scurt timp, alți oameni de știință au început să studieze acest fenomen, printre care și Marie Curie și soțul ei, Pierre Curie. Aceștia au studiat toată viața aceste elemente radioactive și au dat numele fenomenului  și chiar au mai descoperit vreo două: poloniul (numit după patria doamnei Curie) și radiul. De asemenea, tot ei au dat numele fenomenului radioactivitate. 

Descoperirea radiului a dat startul unei întregi industrii, pentru că oamenii presupuneau că energia invizibilă a acestui element este automat bună pentru ei. Așa au apărut: pudra de față cu radiu (la francezi), prezervative cu radiu (la americani) și mai ales ciocolată cu radiu (la germani).

Fiind un element chimic nou descoperit (și radioactivitatea la fel), nimeni nu știa de efectele nefaste ale acestuia. Abia mai târziu medicii au descoperit că un element radioactiv poate cauza foarte ușor cancer. Marie Curie însăși a murit de anemie aplastică din cauza contactului prelungit (fără protecție) cu elementele radioactive. Azi, ea este privită ca unul din cei mai de seamă oameni de știință din istorie, datorită studiilor efectuate pe radioactivitate, schimbând total lumea secolelor XX și XXI.

Ulterior toți trei (Becquerel și soții Curie) au câștigat premiul Nobel în fizică în anul 1903. Asta era înainte ca Albert Einstein să demonstreze că atomul există (am vorbit despre asta în Atoms and You) sau ca Ernest Rutherford să arate care e structura acestuia (vezi postarea Top Model) sau cu mult timp înainte ca James Chadwick să descopere neutronii (vezi postarea de săptămâna trecută Când apa dă de greu). Așa că va trebui să mă scuzi că sar peste aceste povești și multe altele, dar mă gândesc că ar fi o idee bună să vedem cum funcționează radioactivitatea.

Războiul nuclear

După cum știi, un atom este format din trei particule:

1. Protoni 

Numărul lor dă elementul chimic, adică fiecare element chimic are strict un anumit număr de protoni. Nu poți avea hidrogen cu doi protoni în nucleu. Ăla nu mai e hidrogen, ăla e heliu. Un heliu cu trei protoni nu mai e heliu, ci litiu. Blabla. Protonii sunt mereu pozitivi din punct de vedere electric.

2. Neutroni 

Numărul lor variază într-un atom, dar fiecare atom normal al unui element chimic are un anumit număr de neutroni. Dacă sunt mai puțini sau mai mulți decât trebuie, atunci atomul devine instabil și nu-i convine. De exemplu, litiul normal are 3 protoni și 3 neutroni în nucleu, dar dacă se nimerește să aibă 3 protoni și 5 neutroni, acesta o să devină instabil și o să încerce să se liniștească. Acești atomi cu mai mulți sau mai puțini neutroni decât trebuie se numesc izotopi. Neutronul este neutru ca sarcină, deci nu afectează atomul din punct de vedere electric. De asemenea, un neutron are aceeași masă ca un proton (în termeni din popor, este la fel de greu).

3. Electroni 

Sunt foarte mici și ușori și orbitează nucleul (compus din protoni și neutroni). Numărul lor este în mod normal egal cu numărul de protoni din nucleu, iar ei au sarcina electrică negativă. Astfel, dacă numărul de protoni este egal cu numărul de electroni, sarcina electrică a atomului este neutră. Când se întâmplă să fie mai puțini electroni într-un atom al unui element chimic, avem un ion pozitiv, adică un atom cu sarcină electrică pozitivă, când e viceversa (mai mulți electroni), avem un ion negativ, adică un atom cu sarcină electrică negativă.

Dar la fel ca în lumea oamenilor, și la nivel atomic și subatomic, atunci când există două entități diferite, apar lupte și războaie. Iar această luptă se duce de când a început Universul. Este vorba despre două din cele patru forțe fundamentale: forța nucleară tare și forța electromagnetică.  În interiorul fiecărui atom din tine și din jurul tău se duce o luptă între aceste două forțe. Mereu. Pentru totdeauna.

O luptă eternă pe care nu o poți opri nici cu vorbe frumoase, nici cu bani, nici cu sex. Asta pentru că aceste două forțe, acești dușmani veșnici, au niște caractere foarte diferite:

1.Forța electromagnetică

O știi prea bine: ea creează electricitatea și magnetismul. Practic, ea este responsabilă pentru aproape toate fenomenele pe care le vezi zi de zi la scară “supra-nucleară”. În atom, însă, ea încearcă să dezbine nucleul. De ce? Pentru că protonii dintr-un nucleu sunt pozitivi de la mama lor (după cum am zis mai sus) și se resping automat. Pentru că forța electromagnetică nu crede în dragostea subatomică adevărată și încearcă să îi respingă.

Dacă ai îndreptat vreodată doi magneți unul către celălalt cu aceiași poli, știi exact la ce mă refer. Atunci cum de atomii noștri rezistă și sunt încă într-o bucată?! Asta pentru că în interiorul ei își mai face de cap o forță:

2.Forța nucleară tare

Pe asta nu o întâlnești în fiecare zi, de aceea nu ai auzit foarte multe despre ea și probabil ți se pare neimportantă, dar faptul că tu ești aici (și absolut orice altceva din jurul tău) arată cât de crucială e. Asta pentru că ea se chinuie să țină protonii și neutronii din nucleu împreună. Ea crede în dragostea subatomică adevărată și încearcă să îi țină împreună și îi iese, pentru că este efectiv cea mai puternică forță din Univers.

Problema e că ea funcționează doar dacă protonii și neutronii ajung destul de aproape de celălalt încât să se ia de mână, adică funcționează pe o distanță extrem de scurtă. E ca și cum ai înveli magneții de care ți-am zis mai sus în arici (velcro, în engleză): magneții se resping, dar dacă îi apropii destul de mult unul de celălalt, ariciul se prinde de celălalt arici și nu mai lasă magneții să se îndepărteze.

În general aceste forțe se echilibrează (d-aia ești într-o bucată), dar câteodată se întâmplă ca un atom să aibă mult prea mulți neutroni. Ce înseamnă asta? Un atom poate primi, teoretic, cinșpemii de neutroni în el, pentru că neutronul este neutru din punct de vedere electric, asta însemnând că și dacă are 100 de neutroni în el, un atom rămâne neutru (că nr. de protoni=nr. de electroni). Problema cu asta e că atomul devine mai masiv, mai mare, mai “greu” (în termeni colocviali). Are masă mai mare, pentru că fiecare neutron mai adaugă niște masă atomului, iar acesta devine greu, gras și instabil.

Forțele din interior se destabilizează, iar cu cât sunt mai mulți neutroni, atomul are cu atât mai multă energie. În cele din urmă, forța electromagnetică este cea care câștigă lupta și din atom sunt expulzate niște particule. Asta este radioactivitatea! Ura, am aflat! Fascinant, nu? Asta e radioactivitatea: niște particule scuipate de un atom, pentru că acesta devine mult prea instabil și încearcă să revină la normal, să se echilibreze.

Half-Life și radioactivitatea 

Radioactivitatea se petrece aleatoriu și spontan. E foarte important să știi asta. Adică dacă ai mai mulți atomi de uraniu, să zicem, nu o să știm niciodată când o să scuipe particule (să se dezintegreze radioactiv) un singur atom. Adică să ne dăm seama când se dezintegrează atomii individuali, pentru că totul se întâmplă rapid și la nimereală.

E ca atunci când pui mai multe boabe de porumb într-o oală pe foc, ca să faci popcorn. Nu o să știi niciodată când or să facă POP boabele de porumb individuale, dar poți estima cam când or să facă POP mai multe boabe de porumb. Jumătate din ele, de exemplu.

În fizică și chimie există conceptul de half-life (perioada de înjumătățire), care este perioada de timp necesară pentru ca 50% din atomii unei substanțe radioactive să se dezintegreze. În momentul în care un atom se dezintegrează, se transformă dintr-un element chimic în alt element chimic. 

De exemplu, izotopul de hidrogen numit tritiu, care are un proton și doi neutroni în nucleu, are o perioadă de înjumătățire de 12,32 de ani. Asta înseamnă că e nevoie de 12,32 de ani pentru ca jumătate din atomii de tritiu dintr-un amalgam de mai mulți atomi de tritiu să se dezintegreze și să se transforme în atomi de ³He (izotop al heliului cu doi protoni și un neutron). Atomii de Uraniu-238 (cu 92 de protoni și 136 de neutroni) din care sunt făcute Voyager Golden Records are o perioadă de înjumătățire de 4,468 miliarde de ani. Asta ne arată cât de mult rezistă acest element. Atomii stabili (care nu sunt izotopi, în general) nu au perioadă de înjumătățire.

Tipuri de radioactivitate

Acuma, ca să nu înțelegem greșit toate chestiile astea, e musai de menționat că deși în general sunt folosite interșanjabil de către mine și tine, radiația și radioactivitatea, sunt două fenomene diferite (și totuși legate unul de celălalt):

• radiația este energia ce călătorește ca unde sau particule, sub formă de fotoni. Ele pot fi o consecința a mai multor procese fizice, nu doar a radioactivității.
• radioactivitatea este procesul natural și spontan prin care atomii instabili ai unui element chimic emit energia în exces sub formă de particule sau unde.

În general, radiațiile se împart în două categorii mari și late: radiații ionizante și radiații neionizante.

Foarte pe scurt (pentru că am mai vorbit despre asta și în Light! și în Găteală pseudoștiințifică), radiațiile neionizante sunt radiațiile care fac parte din spectrul electromagnetic și trec de lumina vizibilă, adică se află în partea dreaptă a imaginii alăturate. Au lungimea de undă lungă și energia foarte mică. Ele includ razele infraroșii, microundele, undele radio. Radiațiile neionizante NU sunt periculoase pentru om. Dacă tot ți-e frică de ele, gândeșțe-te la asta: radiațiile neionizante au mai puțină energie decât lumina vizibilă. Practic, dacă astea ți-ar făcea rău, atunci și lumina vizibilă ți-ar face rău.

Radiațiile ionizante sunt periculoase pentru om, pentru că pot distruge ADN-ul celulelor din corpul uman (și ale oricărui organism viu), asta pentru că ele au energie foarte mare, mai mare decât o are lumina vizibilă. Numele acestor radiații provine de la faptul că au destulă energie încât să gonească electronii de pe “orbita” din jurul nucleului, astfel încât atomul devine un ion negativ sau pozitiv, iar asta schimbă totul. Radiațiile ionizante includ undele ultraviolete, razele X, radiația gamma și astealalte de care o să vorbim imediat:

1.Dezintegrarea alpha (α-decay)

Dezintegrarea alpha reprezintă momentul în care un atom instabil scuipă din interiorul său o particulă alpha. Particula alpha este compusă din doi protoni și doi neutroni, deci practic nucleul unui atom de Heliu-4, adică practic un atom normal de Heliu fără electroni. Dezintegrarea de tipul ăsta este destul energetică, iar particula alpha are masă mare. 

Cu toate acestea, având în vedere că vorbim de un nucleu heliu, care e destul de greu, particulele alfa se mișcă greu și nu au energie extraordinar de mare. Nucleul atomului de uraniu se poate dezintegra așa. Din moment ce pierde doi neutroni, devine mai ușor, mai stabil. În același timp, pierde și doi protoni, deci devine cu totul alt element: devine thoriu.

Firește, merge și invers: să bombardezi un atom stabil cu particule alpha, ca să faci ceva mai mare și mai instabil. Poate fi oprită de o foaie de hârtie. Îți poate face rău la modul nasol dacă înghiți o sursă de particule alpha.

2.Dezintegrarea beta (ß^– decay sau ß⁺ decay)

Dezintegrarea beta se petrece atunci când un neutron dintr-un atom instabil se transformă în proton, iar apoi emite fie un antineutrin și un electron (dacă e dezintegrare beta minus), fie un neutrin și un pozitron (dacă e dezintegrare beta plus). Nu te preocupa de neutrin și antineutrin, îi lăsăm deoparte pentru moment. Apropo, pozitronul este fix ca un electron, numai că are sarcina electrică pozitivă. Știu că deja vorbim de prea multe particule, dar tu fii atent doar la protoni, neutroni și electroni.

Poți vedea în imaginea alăturată cum un atom de Carbon-14 (deci un izotop al carbonului) are 6 protoni și 8 neutroni. În momentul în care are loc dezintegrarea beta, unul din acei neutroni se transformă în proton și sunt emiși un antineutrin și un electron. Acum Carbonul-14 s-a transformat în Azot-14, care are și numărul de electroni egal cu numărul de protoni. Poate fi oprită de o scândură subțire de lemn sau aluminiu.

3.Emisia de neutroni

Este acțiunea prin care un nucleu instabil cu prea mulți neutroni devine stabil, dând afară un neutron. Aia e. Atât. E cea mai simplă dezintegrare: pur și simplu atomul scuipă un neutron din nucleu, ca să se stabilizeze și aia e.

Cum se întâmplă cu nucleul ăsta de Beriliu-13, care are 4 protoni și 9 neutroni. Scuipă un neutron și așa rămâne cu 4 protoni și 8 neutroni. Se mai stabilizează un pic. Sau cum se întâmplă cu nucleul atomului de hidrogen-4 (1 proton și 3 neutroni): dă afară un neutron și se transformă în tritiu, care e cât de cât mai stabil.

Felicitări! Tocmai ai învățat niște chestii de bază despre fizica nucleară. Parcă nu mai sună atât de înfricoșător toți termenii ăștia (radiație, radioactivitate, nuclear), pentru că acum îi și înțelegi. În postarea asta a trebuit să fiu un pic mai tehnic, ca să ai deja niște noțiuni de bază să înțelegi ce o să povestim în postarea care urmează. Săptămâna viitoare îți voi spune trei povești despre cum oamenii, după ce au învățat ce se petrece în interiorul atomului, au început să umble în interiorul lui și să îl manipuleze după bunul plac. Per total, este vorba despre niște povești cu suișuri și probabil cel mai urât coborâș de care a avut parte omenirea în toată istoria ei ca specie. Ne citim săptămâna viitoare.