Desintegrazio erradioaktibo

Henri Becquerel, erradioaktibitatearen aurkitzailea.

Erradioaktibitatea Henri Becquerel zientzialari frantziarrak aurkitu zuen 1896an. Becquerel fosforeszentzia aztertzen ari zen: materialek energia argi gisa xurgatzen eta igortzen duten fenomenoa. Material fosforeszenteek argia igortzen dute argitan denbora jakin batez egon ondoren. Becquerel-en helburua fosforeszentziak X izpiekin izan zezakeen lotura aztertzea zen, X izpiak aurreko urtean (1895) aurkitu baitzituen Wilhelm Roentgen fisikari alemaniarrak eta, ordura arte, ez ziren izpi horien propietateak guztiz ezagutzen.

Becquerel-ek mineral fosforeszenteak paper beltzean bildutako argazki-xaflekin ukipenean jarri zituen. Mineralek ez zuten xaflan inolako aldaketarik eragin, uranioa erabili zuen arte: orduan, argazki-xafla belztu egin zen. Emaitza ikusita, argi zegoen uranioak nolabaiteko erradiazio ikusezina igortzen zuela, paper beltza zeharkatu eta argazki-xaflari eragiten ziona, xafla argitan egongo balitz bezala. Izpi horiei "Becquerel-en izpiak" deritze. Alabaina, izpien jatorria ezezaguna zen. Lehenik, fenomeno honek fosforeszentziarekin zerikusirik ez zuela ondorioztatu zuen Becquerel-ek, uranioa aurretik ez baitzen argiarekin kontaktuan egon. Gainera, uranioak igortzen zuena X izpiak ez zirela frogatu zuen esperimentu baten bidez. Esperimentu horretan, uranioaren igorpena eremu magnetiko baten eraginpean desbideratu egiten zela behatu zuen, eta ordurako jakina zen X izpiei kanpo-eremu magnetikoek ez dietela eragiten.[7]

Aurkikuntza honen ondotik, Becquerel-ek beste esperimentu batzuk egin zituen erradiazioa aztertzeko xedez. Uranioak kanpo-eraginen independentea den erradiazio sarkorra igortzen duela frogatu zuen. Horrez gain, erradiazioak gorputz elektrifikatuak deskargatu ditzakeela erakutsi zuen, eta, ondorioz, aireko molekulak ioniza ditzakeela, airea eroale elektriko bilakatuz.[8]

Marie eta Pierre Curie laborategian.

Pierre eta Marie Curie-k erradioaktibitatearen inguruan egindako ikerketak bereziki garrantzitsuak izan dira fisikan eta kimikan, eta baita medikuntzan ere (izan ere, "erradioaktibitate" hitza aurrenekoz Marie-k erabili zuen, zenbait atomok espontaneoki igorritako igorpen sarkor eta ionizatzaileak izendatzeko). Batetik, 1898an polonioa eta radioa lehenengo aldiz isolatzea lortu zuten; bestetik, uranioak igorritako izpien eragina aztertu zuten. Azken horrek aplikazio ugari ditu minbiziaren tratamenduan eta medikuntza nuklearrean.[9]

1899an, Ernest Rutherford-ek esperimentuen bidez erakutsi zuen substantzia erradioaktiboek mota anitzetako erradiazioa igortzen dutela, eta alfa eta beta izpiak bereizi zituen. Hurrengo urtean, 1900ean alegia, Paul Villard kimikari frantziarrak gamma izpiak aurkitu zituen.[8]

1902an, Ernest Rutherford eta Federick Soddy lehenengoz ohartu ziren desintegratzen diren elementu guztiek formula matematiko berdintsua betetzen dutela, eta desintegrazio erradioaktiboaren ondorioz elementu batetik besterako transmutazioa gertatzen dela. Transmutazioa arautzen duten zenbait lege enpiriko topatu zituzten, eta horiei jarraikiz, agerian geratu zen elementu kimiko guztiak oinarrizko partikula batzuez osaturik daudela.[10]

Desintegrazio erradioaktiboaren aurkikuntzak, beste hainbatekin batera, kolokan jarri zuen XX. mendera arte nagusi zen mekanika klasikoa, eta teoria berri baten beharra azaleratu zuen: mekanika kuantikoa. Gainera, erradioaktibitatearen ikerketek bidea ireki zieten gaur egungo fisikaren aplikazio ugariri.

Erradioaktibitatearen fenomenoa aurkitu eta gutxira igorpen erradioaktiboak hiru mota desberdinetan sailkatu ziren:

Atomo erradioaktiboz osatutako lagin baten desintegrazio-gertakari kopuruaren eboluzioa erraz adieraz daiteke matematikoki. Ondoz ondoko desintegrazioen kate baten formulazioa konplexua izan badaiteke ere, kasurik sinpleena eta kualitatiboki interesgarriena aztertuko da. Demagun lagin bateko ${\displaystyle {\ce {A}}}$ atomoa ${\displaystyle {\ce {B}}}$ atomoan desintegratzen dela ${\displaystyle {\ce {A -> B}}}$ prozesuaren bitartez. Aurrera jarraitzeko, ${\displaystyle \Delta t}$ denbora-tartean desintegra daitekeen nukleo baten inguruan honako suposizio hauek onartuko dira:[2]

1. Desintegratzeko probabilitatea nukleoaren historiaren independentea da; hots, berbera da edozein ${\displaystyle t}$ aldiunetan.
2. Desintegratzeko probabilitatea nukleoaren ingurunearen independentea da.
3. Desintegratzeko probabilitatea berbera da mota eta kitzikapen-energia jakin bateko nukleo guztien kasuan.

Badaude kasu batzuk non "2" suposizioa zuzena ez baita, baina 1-3 suposizioak zuzenak dira kasu gehienetan. Ondorioz, ${\displaystyle {\text{d}}t}$ denbora-tarte infinitesimalean, desintegrazio-gertakari kopurua laginean dagoen ${\displaystyle N}$ atomo kopuruaren proportzionala da:

${\displaystyle -{\frac {{\text{d}}N}{{\text{d}}t}}\propto N,}$

non zeinu negatiboak adierazten baitu desintegraziorik jasan ez duen atomo-kopuruak, denborak aurrera egin ahala, behera egiten duela. Isotopo erradioaktibo bakoitzak desintegrazio-abiadura propioa dauka; beraz, bakoitzak ${\displaystyle \lambda }$ desintegrazio-konstante propioa dauka. Hortaz:

${\displaystyle -{\frac {{\text{d}}N}{{\text{d}}t}}=\lambda N}$

Lortutako ekuazioa lehen ordenako ekuazio diferentzial arrunta da. Horrelako ekuazio diferentzialak ebazteko, non aurkitu nahi den funtzioaren deribatua(k) eta funtzioa bera agertzen baita (baitira), esponentzial motako soluzioak saiatzen dira. Gauzak horrela, honako hau da soluzio orokorra:

${\displaystyle N(t)=N_{0}e^{-\lambda t},}$

non ${\displaystyle N_{0}=N(t=0)}$ integrazio-konstantea baita. Beraz, isotopo erradioaktibo baten lagineko atomoen desintegrazioek lege esponentziala jarraitzen dute.

Sarritan, ${\displaystyle t_{1/2}}$ magnitudea erabiltzen da, hots, erdibizitza. Erdibizitzak, atomo erradioaktiboz osatutako lagin batean, atomoen erdiak desintegratzeko igaro behar den denbora adierazten du. Desintegrazio bakarreko prozesuetan honela kalkulatzen da erdibizitza:

${\displaystyle {\frac {N_{0}}{2}}=N_{0}e^{-\lambda t_{1/2}}}$

${\displaystyle t_{1/2}={\frac {\ln {2}}{\lambda }}=\tau \ln {2},}$

non ${\displaystyle \tau }$ batez besteko bizidenbora definitu baita. Desintegrazioen eboluzioa jakiteak aplikazio ugari ekarri ditu, karbono-14 bidezko datazioa esate baterako. Substantzia erradioaktiboen artean alde handia dago erdibizitzari dagokionez.

Desintegrazio erradioaktiboaren abiadura edo aktibitate erradioaktiboa Bq-etan neurtzen da SI sisteman. Denbora unitateko jazotzen den desintegrazio-kopurua adierazten du. Honela definitzen da:

${\displaystyle A(t)=-{\frac {{\text{d}}N(t)}{{\text{d}}t}}}$

Hortaz, desintegrazio erradioaktiboaren formula aplikatuz, hurrengoa lortzen da:

${\displaystyle A(t)=\lambda N_{0}e^{-\lambda t}=A_{0}e^{-\lambda t},}$

non ${\displaystyle A_{0}=A(t=0)}$ hasierako aktibitate erradioaktiboa baita.

Erradiazio ionizatzaileak energia nahikoa dauka zelula bizien atomoei eragiteko, eta, ondorioz, material genetikoa (DNA) kaltetzeko edo, muturreko kasuetan, zelula bera suntsitzeko. Horrez gain, gorputzeko elementu kimikoak ionizatu ditzake eta zelulan duten funtzioa betetzea eragotzi.[12] Oro har, zelulak gai dira kalte hau konpontzeko; kaltea iraunkorra denean edo behar bezala neutralizatzen ez denean, ordea, zelula hil edo tumoral bilakatu daiteke. Erradiazio-maila altua jasateak osasunean eragin akutua izan dezake, hala nola, erredurak azalean eta erradiazio sindrome akutua ("erradiazio-gaitza"). Erradiazio-maila baxua luzaroan jasateak ere baditu ondorioak, berehala nabaritu ez arren, epe luzean ager daitezkeenak: minbizia eta eritasun kardiobaskularrak, besteak beste.[13]

Erradiazio arriskutsua dagoela adierazten duen seinalea.

Erradiologia-babesa

Xiringak garraiatzeko berunezko edukiontzia, ohikoa medikuntza nuklearrean.

Erradiologia-babesa diziplina anitzeko arlo zientifiko-teknikoa da eta gizakia eta ingurumena erradiazio ionizatzaileak dakartzan kalteetatik babestea du helburu. Erradiologia-Babeserako Nazioarteko Komisioa (ICRP) nazioarteko erakunde independentea da eta 1928an eratu zen. Gomendioak eta aholkuak ematen ditu erradazioaren aurkako babesa behar den edozein esparrutarako. Gomendiook aintzat hartzen dituzte beste erakunde batzuek eta gobernuek erradiologian bete beharreko neurriak eta arauak ezartzerakoan.[14] Aipaturiko gomendioek ondorengo hiru oinarriak jarraitzen dituzte:

1. Justifikazioa: erradiazioa erabiltzen duen jardunak nolabait onuragarria izan behar du gizartearentzat (adibidez, ikerkuntzan edo medikuntzan) eta ondorio negatiboak kontsideratu egin behar dira.
2. Optimizazioa: erradiazioan esposizioak ahalik eta txikiena izan behar du, faktore ekonomiko zein sozialak kontuan hartuta.
3. Dosia mugatzea: pertsona batek jasandako erradiazio-dosiak ezin du izan indarrean dagoen legeriak adierazten duena baino handiagoa.[14]

Desintegrazio erradioaktiboak aplikazio ugari ditu egungo teknologian. Ondoren azalduta datoz adibiderik nabarmenenak: