Radioaktiivisuus

Radioaktiivinen hajoaminen on tapahtuma, jossa rakenteeltaan epävakaa atomiydin ilman ulkoista vaikutusta hajoaa ja menettää energiaa muuttuen kevyemmiksi atomiytimiksi. Prosessissa vapautuu ionisoivaa säteilyä, joka on hajoamisesta riippuen joko sähkömagneettista säteilyä, hiukkassäteilyä tai useimmiten molempia.

Osa atomiytimistä on epävakaita luonnostaan, mutta ytimen voi myös saada epävakaaksi pommittamalla sitä muilla hiukkasilla, esimerkiksi neutroneilla. Osuessaan atomiytimeen ylimääräinen neutroni muuttaa ytimen epävakaaksi, jolloin se hajoaa itsekseen. Tätä ilmiötä käytetään hyväksi esimerkiksi lääketieteessä, ydinaseissa ja ydinvoimalaitoksissa.

Historia 

Radioaktiivisuuden löysi vuonna 1896 ranskalainen tieteilijä Henri Becquerel työskennellessään fosforoivien aineiden parissa. Nämä materiaalit loistavat pimeässä, kun ne on altistettu ensin valolle. Becquerel ajatteli, että röntgensäteiden katodisädeputkissa tuottama säteily liittyisi jollakin tavalla tähän. Niinpä hän kääri valokuvauslevyn mustaan paperiin ja laittoi sille erilaisia fosforoivia mineraaleja. Mitään ei tapahtunut, kunnes hän kokeili uraanin suoloja. Näillä yhdisteillä levy tummui voimakkaasti.

Pian kävi kuitenkin ilmi, ettei tummumisella ollut mitään tekemistä fosforesenssin kanssa, koska levy tummui mineraalin ollessa pimeässä. Myös ei-fosforoivat uraanin suolat ja jopa metallinen uraani tummensi levyn. Oli selvästi olemassa jokin uusi säteilyn muoto, joka kykeni läpäisemään paperin ja aiheutti valokuvauslevyn tummumisen.

Ensin uusi säteily vaikutti olevan samankaltaista kuin röntgensäteily. Kuitenkin jatkotutkimus, jota Becquerel, Pierre ja Marie Curie, Ernest Rutherford ja muut tekivät, paljasti useita eri radioaktiivisuuden tyyppejä. Nämä tutkijat havaitsivat myös, että useilla eri alkuaineilla esiintyy luonnossa radioaktiivisia isotooppeja.

Säteilyturvallisuuteen ei aluksi kiinnitetty kovin suurta huomiota, sillä ionisoivan säteilyn biologisia vaikutuksia ei tunnettu. Aluksi tieto suurten säteilyannosten vaarallisuudesta saatiin röntgenlaitteiden käyttökokemuksista. Ensimmäisenä tunnistettiin säteilysairaus ja säteilypalovammat, joita syntyy erittäin suuren säteilyannoksen seurauksena. Varhaisin dokumentoitu säteilyn aiheuttama oire oli amerikkalaisen sähköinsinöörin Elihu Thomsonin vuonna 1896 suorittamasta kokeesta, jossa hän tarkoituksella altisti sormensa röntgensäteilylle ja julkaisi hyvin täsmällisen ja seikkaperäisen kuvauksen saamistaan palovammoista. Thomson onnekseen toipui terveeksi ja tuli samalla aloittaneeksi säteilysuojelun, nykyään yli satavuotiaan tieteen.

Kesti jonkin verran pidempään ennen kuin ionisoivan säteilyn vaikutukset geeneihin ja siten syöpäriskiin opittiin ymmärtämään. Vasta vuonna 1927 selvisi, että säteilyllä on geneettisiä vaikutuksia, kun amerikkalainen tutkija Hermann Joseph Muller julkaisi tutkimuksensa röntgensäteiden vaikutuksista kromosomeihin. Vuonna 1947 hänelle myönnettiin tästä uraauurtavasta tutkimuksesta Nobel-palkinto.

Kun 1920-luvulla tiedot säteilyn vaikutuksista lisääntyivät, perustettiin Kansainvälinen röntgen- ja radiumturvallisuuskomitea, joka on nykyisen ICRP:n edeltäjä. Se antoi vuonna 1931 ensimmäisen tieteelliselle tutkimukselle perustuneen kansainvälisen suosituksen säteilyannosrajoista, joita sovellettaisiin säteilytöissä. Siitä lähtien säteilyturvallisuudesta on huolehdittu tieteelliselle yhteistyölle perustuvalla menettelyllä ja nykyisin annosrajat ovat yleensä osa lainsäädäntöä.

Ennen kuin radioaktiivisuutta ja säteilyä koskeva turvallisuus saavutti nykyisen tasonsa, oli monenlaisia poppamiehiä ja kauppiaita, jotka markkinoivat radioaktiivisia aineita lääkkeinä, kosmetiikkana ja ylipäänsä hienoina uutuuksina. Esimerkkejä riittää: radioaktiiviset shampoot, ihovoiteet, kylvyt ja jopa peräruiskeet. Jo silloin monet tutkijat, muun muassa Marie Curie, vastustivat tällaista kaupustelua varoittaen, että säteilyllä voi olla haittavaikutuksia. 1930-luvulle tultaessa tuotteet olivatkin miltei kadonneet markkinoilta.

Toisen maailmansodan aikana tajuttiin, että atomiin sitoutunutta energiaa voitaisiin käyttää aseissa. Sekä akselivallat että liittoutuneet aloittivat projekteja, joiden tarkoituksena oli kehittää ydinaseita. Manhattan-projekti Yhdysvalloissa onnistui tässä lopulta. Sen tuottamat atomipommit pudotettiin Japaniin.

Maailmansodan päätyttyä ytimen energian hyödyntäminen oli kaksijakoista: toisaalta ydinaseiden tuhovoima ja määrä kasvoivat nopeasti, mutta toisaalta myös ydinvoiman, säteilyn ja radioaktiivisuuden rauhanomainen hyödyntäminen lisääntyi monissa käyttökohteissa kuten lääketieteessä, tutkimuksessa, energiantuotannossa, merenkulussa, maanviljelyssä ja avaruustutkimuksessa.

Yleinen huolestuneisuus kasvoi merkittävästi ydinonnettomuuksien johdosta, erityisesti Three Mile Islandin ja Tšernobylin tapausten johdosta. Säteilyyn ja radioaktiivisuuteen liittyy monia pelkoja. Tämä pelko ei ole kohdistunut mihinkään erityiseen, vaan kaikkeen, johon liittyy sana ”ydin”. Esimerkiksi englannin kielessä termistä nuclear magnetic resonance imaging (NMRI) siirryttiin pelon hälventämiseksi termiin magnetic resonance imaging (MRI), suomen kielessä magneettikuvaus.

Suureita ja mittayksiköitä 

Radioaktiivisen aineen ja myös siitä lähtevän säteilyn määrä vähenee sen hajoamisen vuoksi ajan kuluessa eksponentiaalisesti. Kullakin radioaktiivisella nuklidilla on tietyn suuruinen hajoamisvakio, joka osoittaa, kuinka suuri osa tämän nuklidin ytimistä hajoaa aikayksikössä lähettäen säteilyä.

Puoliintumisaika on aika, jonka kuluessa puolet radioaktiivisen aineen ytimistä on hajonnut toisiksi ytimiksi. Se vaihtelee eri isotoopeilla miljoonista vuosista nanosekunteihin. Nuklidin hajoamisvakion λ ja puoliintumisajan T1/2 välillä on yhteys

.

Vaikka hajoamisvakio ja sen mukaisesti puoliintumisaika onkin tietyntyyppisille ytimille tunnusomainen, yksittäisen radioaktiivisen ytimen hajoaminen on aidosti satunnainen tapahtuma eikä hajoamisajankohtaa ole mitenkään mahdollista ennustaa.

Radioaktiivisen aineen aktiivisuus on suure, joka osoittaa, minkä verran siinä tapahtuu ydinten hajoamisia aikayksikköä kohti. SI-järjestelmässä aktiivisuuden yksikkö on becquerel (tunnus Bq). Yksi becquerel vastaa yhtä hajoamista sekunnissa. Varsinkin aikaisemmin on käytetty myös yksikköä curie, joka vastaa yhden radiumgramman aktiivisuutta. Yksi curie (tunnus Ci) on 37 miljardia becquereliä.

Jos tietyn radioaktiivisen nuklidin ytimen massa atomimassayksikköinä on M, tietyssä näytteessä olevan tällaisen nuklidin kokonaismassan m ja sen aktiivisuuden A välille voidaan johtaa yhteys

,

missä A on aktiivisuus becquereleissa, λ on nuklidin hajoamisvakio ja NA Avogadron vakio.

Lähinnä säteilyn biologisia vaikutuksia käsiteltäessä käytetään suureita absorboitunut annos ja ekvivalenttiannos. Absorboitunut annos merkitsee aineeseen absorboitunutta säteilyenergiaa massayksikköä kohti. Sen SI-yksikkö on gray, J/kg. Ekvivalenttiannosta mittaa sievert, joka on gray kerrottuna säteilyn  haitallisuudella. Beeta- ja gammasäteilyllä kerroin on yksi, neutronisäteilyllä 10 ja alfasäteilyllä 20.

Radioaktiiviset reaktiot 

Aineen radioaktiivisuus voi ilmetä monilla eri tavoilla riippuen siitä, millä tavalla atomiytimet hajoavat.
Alfahajoaminen: Ydin emittoi alfa-hiukkasen (Helium-4-ytimen), jolloin sen massaluku vähenee neljällä ja järjestysluku kahdella. Tämän jälkeen ydin jää yleensä virittyneeseen tilaan.
Beeta-miinus -hajoaminen: Ytimessä yksi neutroni muuttuu protoniksi ja emittoi samalla beeta-hiukkasen eli nopean elektronin sekä myös vaikeasti havaittavan antineutriinon. Ytimen järjestysluku kasvaa yhdellä, mutta massaluku pysyy ennallaan. Ydin jää yleensä virittyneeseen tilaan.
Beeta-plus -hajoaminen: Ytimessä yksi protoni muuttuu neutroniksi ja emittoi samalla beeta-plus-hiukkasen eli nopean positronin sekä neutriinon. Tämä on harvinainen hajoamistapa, joka esiintyy vain keinotekoisilla ytimillä. Ytimen järjestysluku pienenee yhdellä ja massaluku pysyy ennallaan. Ydin jää yleensä virittyneeseen tilaan.
Gammahajoaminen: Ytimen virittynyt tila purkautuu ja se emittoi gammahiukkasen eli suurienergisen fotonin.
Spontaani fissio: Ydin hajoaa kahdeksi pienemmäksi ytimeksi, ja mahdollisesti nopeiksi neutroneiksi, beeta- ja alfahiukkasiksi ja emittoi gammasäteitä. Fissio on yleensä melko harvinainen, ellei ydin ole absorboinut ylimääräistä neutronia. Ytimen hajotessa siitä syntyy uusia alkuaineita. Nämä voivat edelleen hajota muiden mekanismien kautta uusiksi alkuaineiksi kunnes lopulta syntyy stabiili ydin.

Radioaktiivisuuden lajien esiintyminen vaihtelee isotoopista toiseen. Isotoopille luonteenomaiset hajoamisreitit esitetään usein hajoamiskaaviona, jossa esitetään ytimen energiatilat ja erilaisiin siirtymiin kuluvat puoliintumisajat. Tässä esimerkkinä kullan erään radioaktiivisen isotoopin, 198Au, hajoamiskaavio:

Kaavion vasemmassa ylälaidassa on hajoava isotooppi, eli tässä 198Au. T1/2 ilmaisee puoliintumisajan olevan 2,7 päivää. Kolme viistosti alas oikealle osoittavaa nuolta kertovat, mitä hajoamisreaktioita isotoopilla ilmenee. Tässä kaikki ovat beetahajoamista, kuten β-symbolit osoittavat. Kunkin hajoamisen suhteellinen osuus kaikista hajoamisista on merkitty prosenttilukuna.

Beetahajoamiset päätyvät kolmelle eri energiatasolle, joita kuvastavat kolme vaakasuoraa viivaa kuvan oikealla puolella. Näistä kaksi ylempää ovat metastabiileja eli ne purkautuvat hyvin nopeasti ja atomi emittoi gammasäteilykvantin, mikä ilmaistaan γ-symbolilla purkautumista kuvaavien pystysuorien nuolten vieressä. Kunkin metastabiilin tilan puoliintumisaika on merkitty vastaavan energiatason päälle (tässä 23 ja 2,5 pikosekuntia). Energiatasojen energia on merkitty niiden oikealle puolelle elektronivoltteina. Energia on laskettu suhteessa elohopean isotooppiin 198Hg, joksi kaikki 198Au-atomit lopulta hajoavat jotain kaavion hajoamispolkua pitkin.

Muutamia radioaktiivisia atomiytimiä

Radioaktiiviset hajoamisketjut 

Aine, joka syntyy radioaktiivisen aineen hajotessa, saattaa edelleen olla radioaktiivinen, samoin kuin sen hajoamistuote. Suurin osa luonnossa esiintyvistä radioaktiivisista aineista kuuluukin johonkin kolmesta hajoamis­sarjasta, joista käytetään tunnetuimpien jäsentensä mukaan nimityksiä toriumsarja, uraanisarja (tai radiumsarja) sekä aktiniumsarja. Kukin näistä päättyy stabiiliin lyijyisotooppiin. Toriumsarjan kaikkien jäsenten massaluvut ovat muotoa 4n, radiumsarjan 4n+2 ja aktiniumsarjan 4n+3. Kukin sarja alkaa hyvin pitkäikäisestä isotoopista, joita on säilynyt Maan syntymisestä saakka. Neljäs hajoamissarja, neptuniumsarja, jossa massaluvut ovat muotoa 4n+1, alkaa neptunium­isotoopista Np-237. Kun se kuitenkin on suhteellisen lyhytikäinen, ei sen jäseniä luonnossa enää esiinny, lukuun ottamatta niistä viimeistä, hyvin pitkä­ikäistä vismutti-isotooppia Bi-209.

Turvallisuus 

Radioaktiivisuuteen liittyvistä turvallisuusnäkökohdista kerrotaan artikkelissa säteilyturvallisuus ja ydintekniikan turvallisuudesta kerrotaan artikkelissa ydinturvallisuus.

Katso myös
 Radon
 Ydinvoima
 Säteily
 Sädehoito
 Alkemia

Lähteet

Kirjallisuutta
 Romer, Alfred: Rauhaton atomi. Luontoa tieteen valossa 6. Suom. Reino Tuokko. WSOY, 1961.

Aiheesta muualla 

 Säteily ja terveys – terveyskirjasto.
Webmineral: Radioactivity in Minerals 

Radioaktiivisuus
Seulonnan keskeiset artikkelit