Ραδιενέργεια

Πρακτικά, όλη (~99,9%) η μάζα ενός ατόμου βρίσκεται στον πυρήνα του δείχνοντας έτσι ότι ουσιαστικά τα ηλεκτρόνια δεν έχουν μάζα. Η μάζα ενός πρωτονίου ή ενός νετρονίου είναι ελαφρώς μόνο μεγαλύτερη από μία μονάδα ατομικής μάζας ενώ η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι μόλις το 1/2000 της ίδιας μονάδας. Η συμμετοχή του ηλεκτρονίου στη μάζα του ατόμου είναι σχεδόν μηδαμινή.

Εξαιτίας αυτού ως μαζικός αριθμός ενός ατόμου αποτελεί το άθροισμα του αριθμού των νετρονίων και των πρωτονίων του πυρήνα. Ως ατομικός αριθμός (ο αριθμός-ταυτότητα ενός ατόμου) χαρακτηρίζεται ο αριθμός των πρωτονίων.

Συχνά, άτομα του ίδιου στοιχείου εμφανίζονται με διάφορους αριθμούς νετρονίων στους πυρήνες τους. Τα άτομα αυτά ονομάζονται ισότοπα του στοιχείου, έχουν διαφορετικούς μαζικούς αριθμούς αλλά πάντα εμφανίζονται με τον ίδιο ατομικό αριθμό.

Ως παράδειγμα αναφέρεται ο άνθρακας, ο οποίος έχει δύο αρκετά γνωστά ισότοπα, ένα με μαζικό αριθμό 12 (¹²C) και ένα με μαζικό αριθμό 14 (¹⁴C). Όλα τα άτομα του άνθρακα έχουν έξι πρωτόνια (ατομικός αριθμός 6). Συνεπώς, ο ¹²C θα πρέπει να έχει έξι νετρόνια για να του δώσουν μαζικό αριθμό 12 ενώ ο ¹⁴C θα πρέπει να έχει οκτώ νετρόνια για να του δώσουν μαζικό αριθμό 14.

Αν και τα περισσότερα άτομα είναι σταθερά, πολλά στοιχεία έχουν ισότοπα τα οποία είναι ασταθή. Οι πυρήνες τους διασπώνται σε άλλα είδη πυρήνων, με ελευθέρωση ενέργειας, με μια διαδικασία που ονομάζεται ραδιενέργεια.

Τα ραδιενεργά ισότοπα συχνά αναφέρονται ως μητρικά ενώ τα ισότοπα που προκύπτουν από τη διάσπαση τους ως θυγατρικά.

Παραδείγματα ασταθών πυρήνων, σημαντικών στις γεωλογικές επιστήμες, είναι το ⁴⁰K, ⁸⁷Rb, ²³²Th, ²³⁸U και ²³⁵U.

Κατά τη διάσπαση των ασταθών πυρήνων εκπέμπονται πυρηνικά σωματίδια, όπως σωματίδια α και β, ενώ συνήθως εκπέμπεται και ακτινοβολία γ.
 

Σ' αυτό το είδος της διάσπασης ο ατομικός αριθμός του ατόμου ελαττώνεται κατά δύο εξαιτίας της απομάκρυνσης δύο πρωτονίων, ενώ ο μαζικός αριθμός ελαττώνεται κατά τέσσερα (Σχήμα 1).

Παράδειγμα μιας τέτοιας διάσπασης είναι: 
 

Επειδή το ηλεκτρόνιο θεωρείται ότι δεν έχει μάζα, η εκπομπή του δεν επηρεάζει το μαζικό αριθμό, ο ατομικός αριθμός όμως αυξάνεται κατά μία μονάδα, αφού ο αριθμός των νετρονίων αυξήθηκε κατά ένα (Σχήμα 2).

Παράδειγμα β-διάσπασης αποτελεί η μετατροπή: 
 

Με τη διαδικασία αυτή το φορτίο του πυρήνα ελαττώνεται κατά μία μονάδα χωρίς όμως ουσιαστική μεταβολή της μάζας του.

Παράδειγμα μιας τέτοιας διαδικασίας είναι η αντίδραση:
 

Ένα τέτοιο παράδειγμα δίνεται στο σχήμα 3, όπου κανείς μπορεί να δει ότι όταν το μητρικό ραδιενεργό ²³⁸U (ατομικός αριθμός 92, μαζικός αριθμός 238) διασπάται, εκπέμπει 8 σωματίδια α και 6 σωματίδια β πριν καταστεί το σταθερό θυγατρικό ²⁰⁶Pb (ατομικός αριθμός 82, μαζικός αριθμός 206).

Αυτό φυσικά γίνεται με τις διαδοχικές μετατροπές σε διάφορα στοιχεία. Εκπομπή 8 σωματιδίων α σημαίνει εκπομπή 8x2=16 πρωτονίων και 8x2=16 νετρονίων, δηλαδή μείωση του μαζικού αριθμού του μητρικού ισοτόπου κατά 32 και του ατομικού του αριθμού κατά 16.

Ομοίως, εκπομπή 6 σωματιδίων β σημαίνει εκπομπή 6 ηλεκτρονίων από τον πυρήνα του, που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ατομικού αριθμού κατά 6 χωρίς να μεταβάλλεται ο μαζικός αριθμός.

Έχουμε δηλαδή συνολικά μείωση του μαζικού αριθμού κατά 32 (238 => 206) και του ατομικού αριθμού κατά 10 (-16+6=10, 92 => 82).

Η ακτινοβολία μπορεί εύκολα να μετρηθεί, τόσο στο εργαστήριο όσο και στο ύπαιθρο με ένα μετρητή Geiger ή με συσκευή σπινθηρισμού (scintillation). Η παρουσία επίσης της ακτινοβολίας αυτής μπορεί να δειχθεί με την έκθεση σ' αυτήν ενός μη εμφανισθέντος φιλμ, το οποίο περιβάλλεται από αδιαφανές περιτύλιγμα. Η ακτινοβολία θα επηρεάσει το φιλμ και θα το εμφανίσει. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως αυτοραδιογραφία.

Η παραγωγή ενεργητικών σωματιδίων α και β και ακτινοβολίας γ, καθώς και οι μεταβολές στα ιοντικά μεγέθη, που συμβαίνουν κατά τη μετάβαση από τα μητρικά στα θυγατρικά στοιχεία, έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή της κρυσταλλικής δομής στην οποία συμβαίνουν οι διαδικασίες αυτές. Για το λόγο αυτό τα περισσότερα ουρανιούχα και θοριούχα ορυκτά υφίστανται μερική ή ολική καταστροφή των δομών τους, γνωστή ως μετάμειξη.
  

Υπολογίζοντας τα ποσοστά του ραδιενεργού μητρικού και του σταθερού θυγατρικού μπορούμε να προσδιορίσουμε την ηλικία του δείγματος.

Στο παράδειγμα του σχήματος, όταν οι ποσότητες του μητρικού και του θυγατρικού είναι ίσες (αναλογία 1:1), γνωρίζουμε ότι έχει παρέλθει μία ημιπερίοδος ζωής και ότι η ηλικία του δείγματος είναι 10 εκ. χρόνια. Οταν η αναλογία είναι 1:3 σημαίνει ότι έχουν παρέλθει δύο ημιπερίοδοι ζωής και η ηλικία του δείγματος είναι 20 εκ. χρόνια ενώ όταν η αναλογία είναι 1:31 η ηλικία του δείγματος είναι 50 εκ. χρόνια αφού η αναλογία αυτή δείχνει παρέλευση πέντε ημιπεριόδων ζωής.  

 
Από τα διάφορα ραδιενεργά ισότοπα τα οποία βρίσκονται στη φύση, πέντε έχουν αποδειχθεί σημαντικά για την αξιόπιστη ραδιοχρονολόγηση των πετρωμάτων. Τα ισότοπα αυτά με τα αντίστοιχα σταθερά θυγατρικά τους και τις ημιπεριόδους ζωής τους απεικονίζονται στον πίνακα 1.
  

Εκτός από αυτό, μερικά ραδιενεργά ισότοπα δεν διασπώνται κατευθείαν στο θυγατρικό τους προϊόν, όπως ήταν η περίπτωση του υποθετικού παραδείγματος που δώσαμε, γεγονός που κάνει την ανάλυση ακόμη πιο δύσκολη. Στην περίπτωση του ²³⁸U, σχηματίζονται δεκατρία ενδιάμεσα ασταθή προϊόντα, πριν από το σχηματισμό του τελικού σταθερού ισοτόπου ²⁰⁶Pb (Σχήμα 3).
  

Ο ραδιοάνθρακας σχηματίζεται συνεχώς στην ανώτερη ατμόσφαιρα ως αποτέλεσμα βομβαρδισμού κοσμικής ακτινοβολίας, κατά τον οποίο κοσμική ακτινοβολία (πυρηνικά σωματίδια υψηλής ενέργειας) διασπά τους πυρήνες αερίων και απελευθερώνει νετρόνια. Τα νετρόνια στη συνέχεια απορροφούνται από άζωτο (Ν, ατομικός αριθμός 7, μαζικός αριθμός 14) αναγκάζοντας τον πυρήνα του να εκπέμπει ένα πρωτόνιο. Έτσι, ο ατομικός αριθμός του αζώτου μειώνεται κατά ένα - γίνεται 6 - με συνέπεια τη δημιουργία ενός νέου στοιχείου του ¹⁴C (Σχήμα 5). Το ισότοπο αυτό του άνθρακα ενώνεται με οξυγόνο προς σχηματισμό διοξειδίου του άνθρακα, κυκλοφορεί στην ατμόσφαιρα και απορροφάται από τους ζώντες οργανισμούς. Ως αποτέλεσμα αυτού όλοι οι οργανισμοί περιέχουν ένα μικρό ποσοστό ραδιοάνθρακα.

Όσο ο οργανισμός είναι ζωντανός, ο διασπώμενος ραδιοάνθρακας αντικαθίσταται συνεχώς και έτσι η αναλογία του ¹⁴C προς το πιο κοινό ισότοπο του άνθρακα, τον ¹²C, παραμένει σταθερή. Όταν όμως ο οργανισμός πεθάνει, παύει να απορροφά διοξείδιο του άνθρακα και συνεπώς δεν παίρνει ραδιοάνθρακα για να αντικαταστήσει τον διασπώμενο. Αντίθετα, το ποσοστό του ραδιοάνθρακα εντός του νεκρού οργανισμού μειώνεται βαθμιαία καθώς αυτός διασπάται προς σχηματισμό ¹⁴Ν με εκπομπή β-σωματιδίων (Σχήμα 5).