Το 1898 οι Γάλλοι χημικοί Pierre και Marie Curie συνήγαγαν το συμπέρασμα ότι η ραδιενέργεια είναι ένα φαινόμενο που συνδέεται με τα άτομα, ανεξάρτητα από την φυσική ή την χημική κατάσταση τους. Επίσης συμπέραναν ότι επειδή το ουράνιο –που περιέχεται στο μετάλλευμα πισσουρανίτης είναι πιό έντονα ραδιενεργό από τα άλατα του ουράνιου που χρησιμοποιήθηκαν από τον Becquerel, πρέπει να βρίσκονται στο μετάλλευμα κι άλλα ραδιενεργά στοιχεία . Έφεραν εις πέρας λοιπόν μια σειρά χημικών επεξεργασιών του πισσουρανίτη που οδήγησε στην ανακάλυψη των δύο νέων ραδιενεργών στοιχείων, του πολωνίου και του ραδίου.
Η Marie Curie επίσης ανακάλυψε ότι το στοιχείο θόριο είναι ραδιενεργό, και το 1899 το ραδιενεργό στοιχείο ακτίνιο ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο χημικό Andri Louis Debierne. Στο ίδιο έτος η ανακάλυψη του ραδιενεργού αερίου ραδονίου έγινε από τους βρετανικούς φυσικούς Ernest Rutherford και Frederick Soddy, οι οποίοι το παρατήρησαν σε συνδυασμό με το θόριο, το ακτίνιο, και το ράδιο.
Η ραδιενέργεια αναγνωρίστηκε σύντομα ως η πλέον συγκεντρωμένη πηγή ενέργειας από όσες ήταν γνωστές μέχρι τότε. Οι Curie μέτρησαν την θερμότητα που συνδέεται με την αποσύνθεση του ραδίου και καθόρισαν ότι 1 gr του ραδίου εκπέμπει περίπου 420 j ενέργεια ανά ώρα. Αλλά αυτό το θερμικό φαινόμενο συνεχίζεται για ώρες και έτη συνεχώς, ενώ η πλήρης καύση ενός γραμμαρίου άνθρακα οδηγεί στην παραγωγή συνολικά μόνο 33.600 j ενέργεια. Η ραδιενέργεια προσέλκυσε την προσοχή των επιστημόνων σε όλο τον κόσμο μετά από αυτές τις αρχικές ανακαλύψεις. Στις επόμενες δεκαετίες πολλές πτυχές του φαινομένου ερευνήθηκαν λεπτομερώς.
Τύποι ακτινοβολιών
Ο Rutherford ανακάλυψε ότι τουλάχιστον δύο συστατικά είναι παρόντα στις ραδιενεργές ακτινοβολίες: τα άλφα σωματίδια, που διαπερνούν μόνο μερικά χιλιοστά του εκατοστού το αλουμίνιο, και τα βήτα σωματίδια, τα οποία είναι σχεδόν 100 φορές πιό διαπεραστικά. Τα επόμενα πειράματα στα οποία υποβλήθηκαν οι ραδιενεργές ακτινοβολίες, ήταν στα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία που αποκάλυψαν την παρουσία ενός τρίτου συστατικού, τις ακτίνες γάμμα, οι οποίες βρέθηκαν να είναι πιό διαπεραστικές από τα βήτα σωματίδια. Σε ένα ηλεκτρικό πεδίο η πορεία των βήτα σωματιδίων εκτρέπεται πολύ προς τον θετικό ηλεκτρικό πόλο, και αυτή των άλφα σωματιδίων σε μικρότερη έκταση όμως προς τον αρνητικό πόλο, ενώ οι ακτίνες γάμμα δεν εκτρέπονται καθόλου. Επομένως, τα βήτα σωματίδια είναι φορτισμένα αρνητικά, τα άλφα είναι θετικά και μάλιστα είναι βαρύτερα από τα βήτα σωματίδια λόγω της μικρής απόκλισης, και οι ακτίνες γάμμα είναι ουδέτερες.
Η ανακάλυψη ότι το ράδιο αποσυντέθηκε για να παραγάγει το ραδόνιο απέδειξε καθοριστικά ότι η ραδιενεργός αποσύνθεση συνοδεύεται από μια αλλαγή στη χημική φύση του αποσυντιθεμένου στοιχείου. Τα πειράματα στην εκτροπή των άλφα σωματιδίων από ένα ηλεκτρικό πεδίο έδειξαν ότι η σχέση του ηλεκτρικού φορτίου προς τη μάζα αυτών των σωματιδίων (q/m), είναι η μισή περίπου από τον λόγο q/m του ιόντος του υδρογόνου. Οι φυσικοί υπέθεσαν ότι τα σωματίδια άλφα θα μπορούσαν να έχουν διπλό φορτίο όπως τα ιόντα του ηλίου (άτομα ηλίου με αφαίρεση δύο ηλεκτρονίων). Το ιόν του ηλίου έχει περίπου τέσσερις φορές τη μάζα του ιόντος υδρογόνου, το οποίο σημαίνει ότι ο λόγος φορτίου προς μάζα (q/m) θα ήταν πράγματι ο μισός από αυτόν του ιόντος του υδρογόνου.
Αυτή η υπόθεση αποδείχθηκε από τον Rutherford όταν επέτρεψε σε μια ουσία που εξέπεμπε σωματίδια άλφα, να αποσυντεθεί κοντά σε ένα δοχείο με κενό αέρος, φτιαγμένο από λεπτό γυαλί. Τα άλφα σωματίδια ήταν σε θέση να διαπεράσουν το γυαλί και τότε παγιδεύτηκαν μέσα στο γυάλινο δοχείο, και μέσα σε μερικές ημέρες καταδείχθηκε η παρουσία του στοιχειώδους ηλίου μέσω ενός φασματομέτρου. Τα βήτα σωματίδια αποδείχθηκαν στη συνέχεια πως πρέπει να είναι ηλεκτρόνια, και οι ακτίνες γάμμα ότι αποτελούν μέρος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, με την ίδια φύση με τις ακτίνες X, αλλά πολύ μεγαλύτερης ενέργειας.
Η πυρηνική υπόθεση
Κατά τον χρόνο της ανακάλυψης της ραδιενέργειας οι φυσικοί πίστευαν ότι το άτομο ήταν η τελευταία, αδιαίρετη δομική μονάδα της ύλης. Κατόπιν τα άλφα και βήτα σωματίδια αναγνωρίστηκαν πως είναι διακριτές μονάδες της ύλης και η ραδιενέργεια πως είναι μια διαδικασία στην οποία τα άτομα μετασχηματίζονται από την εκπομπή του ενός ή του άλλου σωματιδίου σε νέα είδη ατόμων που κατέχουν νέες χημικές ιδιότητες. Μαζί με αυτό αναγνωρίσθηκε ότι τα ίδια τα άτομα πρέπει να έχουν δομή και ότι δεν είναι τα τελευταία, θεμελιώδη τμήματα της φύσης.
Το 1911 ο Rutherford απέδειξε την ύπαρξη ενός πυρήνα μέσα στο άτομο από τα πειράματα στα οποία τα άλφα σωματίδια διασκορπίστηκαν από λεπτά φύλλα αλουμινίου. Η πυρηνική υπόθεση άρχισε από τότε να αναπτύσσεται με μια αναθεωρημένη θεωρία της ατομικής δομής, από την άποψη της οποίας ολόκληρο το φαινόμενο της ραδιενέργειας μπορούσε να εξηγηθεί.
Εν συντομία, το άτομο έχει βρεθεί να αποτελείται από έναν πυκνό κεντρικό πυρήνα που περιβάλλεται από ένα νέφος ηλεκτρονίων. Ο πυρήνας, στη συνέχεια, αποτελείται από τα πρωτόνια τα οποία είναι ίσα σε αριθμό με τα ηλεκτρόνια (σε ένα ηλεκτρικά ουδέτερο άτομο), και των νετρονίων. Τα νετρόνια είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και περίπου της ίδιας μάζας με τα πρωτόνια. Ένα άλφα σωματίδιο, ή το διπλά φορτισμένο ιόν του ηλίου, αποτελείται από δύο νετρόνια και δύο πρωτόνια, και ως εκ τούτου μπορεί να εκπεμφθεί μόνο από τον πυρήνα ενός ατόμου.
Η απώλεια ενός άλφα σωματιδίου από έναν πυρήνα οδηγεί στο σχηματισμό ενός νέου πυρήνα, ελαφρύτερου από τον αρχικό κατά τέσσερις μονάδες ατομικής μάζας u (οι μάζες του κάθε νετρονίου και πρωτονίου είναι περίπου μια ατομική μονάδα μάζας u). Ένα άτομο του ισοτόπου ουράνιου με μαζικό αριθμό 238, μετά την εκπομπή ενός άλφα σωματιδίου, γίνεται ένα άτομο ενός άλλου στοιχείου με μαζικό αριθμό 234. (Ο μαζικός αριθμός ενός πυρήνα είναι ο συνολικός αριθμός νετρονίων και πρωτονίων και είναι σχεδόν, αλλά όχι ακριβώς, ίσος με τη πραγματική μάζα του που εκφράζεται με μονάδες ατομικής μάζας u.)
Κάθε ένα από τα δύο πρωτόνια που αποτελούν μέρος του άλφα σωματιδίου κατέχει μια μονάδα θετικού ηλεκτρικού φορτίου. Ο αριθμός των θετικών φορτίων στον πυρήνα, που ισορροπείται από τον ίδιο αριθμό αρνητικών ηλεκτρονίων στις στιβάδες έξω από τον πυρήνα, καθορίζει τη χημική φύση του ατόμου. Επειδή το φορτίο στον πυρήνα του Ουρανίου- 238 μειώνεται κατά δύο μονάδες ως αποτέλεσμα της εκπομπής άλφα σωματιδίων, ο ατομικός αριθμός του νέου ατόμου που δημιουργείται είναι κατά 2 μικρότερος του αρχικού, ο οποίος ήταν 92. Το νέο άτομο λοιπόν έχει έναν ατομικό αριθμό 90 και ως εκ τούτου είναι ένα ισότοπο του στοιχείου θορίου.
Το Θόριο- 234 εκπέμπει βήτα σωματίδια, τα οποία είναι ηλεκτρόνια. Η βήτα εκπομπή ολοκληρώνεται από το μετασχηματισμό ενός νετρονίου σε ένα πρωτόνιο, κατά συνέπεια με μια αύξηση στο πυρηνικό φορτίο (ή στον ατομικό αριθμό) κατά μια ατομική μονάδα u. Η μάζα του ηλεκτρονίου είναι αμελητέα, έτσι το ισότοπο που προκύπτει από την αποσύνθεση του θορίου- 234 έχει μαζικό αριθμό 234 αλλά ατομικό αριθμός 91 και είναι, επομένως, ένα πρωτακτίνιο.
Ακτινοβολία γάμμα
Η εκπομπή γάμμα εμφανίζεται συνήθως σε συνδυασμό με την άλφα και την βήτα εκπομπή. Οι ακτίνες γάμμα δεν φέρουν κανένα φορτίο ή μάζα και κατά συνέπεια η εκπομπή των ακτίνων γάμμα από έναν πυρήνα δεν οδηγεί σε καμιά αλλαγή στις χημικές ιδιότητες του πυρήνα αλλά μόνο στην απώλεια ενός ορισμένου ποσού ακτινοβόλου ενέργειας. Η εκπομπή των ακτίνων γάμμα οφείλεται σε μια αποδιέγερση του πυρήνα που βρισκόταν σε μια ασταθή κατάσταση, λόγω των εκπομπών άλφα ή βήτα από τον πυρήνα. Το αρχικό άλφα ή βήτα σωματίδιο και η επακόλουθη εκπομπή ακτίνων γάμμα εκπέμπονται σχεδόν ταυτόχρονα.
Μερικές μόνο περιπτώσεις είναι γνωστές για την εκπομπή άλφα και βήτα ακτινοβολίας χωρίς να συμμετέχει σε αυτές η εκπομπή ακτίνων γάμμα, επίσης είναι γνωστή εκπομπή αποκλειστικά γάμμα ακτινοβολίας από ορισμένα ισότοπα. Η καθαρή εκπομπή γάμμα εμφανίζεται όταν υπάρχει ένα ισότοπο με δύο διαφορετικές μορφές, που αποκαλούνται πυρηνικά ισομερή έχοντας τους ίδιους ατομικούς αριθμούς και τους μαζικούς αριθμούς αλλά διαφέρουν στην ενέργεια. Η εκπομπή των ακτίνων γάμμα συνοδεύει τη μετάβαση του υψηλού-ενεργειακού ισομερούς στην χαμηλή-ενεργειακή μορφή. Ένα παράδειγμα του ισομερισμού είναι το ισότοπο πρωτακτίνιο-234, που υπάρχει σε δύο ευδιάκριτες ενεργειακές καταστάσεις, με την εκπομπή των ακτίνων γάμμα που επισημαίνουν τη μετάβαση από την μια στην άλλη κατάσταση.
Οι ακτίνες άλφα, βήτα, και οι ακτινοβολίες γάμμα εκπέμπονται από τους μητρικούς πυρήνες τους με τεράστιες ταχύτητες. Τα άλφα σωματίδια επιβραδύνονται και σταματούν καθώς περνούν μέσω της ύλης, πρώτιστα μέσω της αλληλεπίδρασης τους με τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε εκείνη την ύλη. Επιπλέον, τα περισσότερα από τα άλφα σωματίδια εκπεμπόμενα από την ίδια ουσία εκτινάσσονται με σχεδόν ίδια ταχύτητα. Κατά συνέπεια σχεδόν όλα τα άλφα σωματίδια από το πολώνιο- 210 ταξιδεύουν 3,8 cm μέσω του αέρα πριν να σταματήσουν εντελώς , και εκείνα από το πολώνιο- 212 ταξιδεύουν 8,5 cm υπό τους ίδιους όρους. Η μέτρηση της απόστασης που διανύεται από τα άλφα σωματίδια χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τα ισότοπα.
Τα βήτα σωματίδια εκτινάσσονται με πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες από τα άλφα σωματίδια, και έτσι θα διαπεράσουν αρκετή περισσότερη ύλη, αν και ο μηχανισμός με τον οποίο αυτά σταματούν είναι ουσιαστικά παρόμοιος. Αντίθετα από τα άλφα σωματίδια, όμως, τα βήτα σωματίδια εκπέμπονται με πολλές διαφορετικές ταχύτητες, και οι βήτα εκπομπές πρέπει να διακριθούν μεταξύ τους από τις χαρακτηριστικές μέγιστες και μέσες ταχύτητες των βήτα σωματιδίων τους. Η κατανομή στις ενέργειες βήτα-σωματιδίων (ταχυτήτων) απαίτησε την υπόθεση της ύπαρξης, ένος σωματιδίου χωρίς μάζα αποκαλούμενο νετρίνο. Η εκπομπή νετρίνο συνοδεύει όλες τις διασπάσεις βήτα.
Οι ακτίνες γάμμα έχουν ακτίνα δράσης αρκετές φορές μεγαλύτερη από αυτήν των βήτα σωματιδίων και μπορούν σε μερικές περιπτώσεις να περάσουν μέσω αρκετών cm φύλλων μολύβδου. Τα άλφα και βήτα σωματίδια, κατά τη διέλευσή τους μέσα από την ύλη, προκαλούν τον σχηματισμό πολλών ιόντων. Αυτός ο ιονισμός είναι ιδιαίτερα εύκολο να παρατηρηθεί όταν η ύλη είναι αεριώδης. Οι ακτίνες γάμμα δεν έχουν φορτίο, και ως εκ τούτου δεν μπορούν να προκαλέσουν τέτοιο ιονισμό τόσο εύκολα. Οι βήτα ακτίνες παράγουν το 1/100 έως το 1/200 του ιονισμού που παράγεται από τις άλφα ακτίνες ανά εκατοστόμετρο της διαδρομής τους στον αέρα. Οι ακτίνες γάμμα παράγουν περίπου το 1/100 του ιονισμού των βήτα ακτίνων.
Ο μετρητής Geiger-Mueller αλλά και άλλοι θάλαμοι ιονισμού, που είναι βασισμένοι σε αυτές τις αρχές, χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει τις ποσότητες μεμονωμένων άλφα, βήτα, και ακτίνων γάμμα, και ως εκ τούτου τα απόλυτα ποσοστά αποσύνθεσης των ραδιενεργών ουσιών. Μια μονάδα της ραδιενέργειας, το curie, είναι βασισμένη στο ποσοστό αποσύνθεσης του Ra- 226, το οποίο είναι 37 δισεκατομμύρια αποσυνθέσεις ανά δευτερόλεπτο και ανά γραμμάριο του ραδίου.
Υπάρχουν και άλλοι τρόποι ραδιενεργού αποσύνθεσης εκτός από τις τρείς προαναφερθείσες. Μερικά ισότοπα είναι ικανά να εκπέμπουν ποζιτρόνια τα οποία είναι ίδια με τα ηλεκτρόνια αλλά με αντίθετο φορτίο. Η διαδικασία εκπομπής ποζιτρονίου είναι συνήθως ταξινομημένη ως βήτα-διάσπαση και καλείται βήτα-συν εκπομπή για να την διακρίνει κάποιος από την πιό κοινή εκπομπή των αρνητικών ηλεκτρονίων. Η εκπομπή ποζιτρονίων ολοκληρώνεται πιθανά μέσω της μετατροπής, στον πυρήνα, ενός πρωτονίου σε ένα νετρόνιο, με συνέπεια μια μείωση του ατομικού αριθμού κατά μια μονάδα.
Ένας άλλος τρόπος αποσύνθεσης, γνωστός ως σύλληψη Κ-ηλεκτρονίου, αποτελείται από την σύλληψη ενός ηλεκτρονίου από τον πυρήνα, ακολουθούμενη από το μετασχηματισμό ενός πρωτονίου σε ένα νετρόνιο. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι επίσης μια μείωση του ατομικού αριθμού κατά μια μονάδα. Η διαδικασία είναι αισθητή μόνο επειδή η αφαίρεση του ηλεκτρονίου από την τροχιά του οδηγεί στην εκπομπή μιας ακτίνας-Χ.
Διάφορα ισότοπα, ειδικότερα το ουράνιο-235 και διάφορα ισότοπα των τεχνητών υπερουράνιων στοιχείων είναι σε θέση με μια διαδικασία αυθόρμητης διάσπασης, στην οποία ο πυρήνας διασπάται σε δύο τμήματα. Στα μέσα της δεκαετίας του ’80 ένας μοναδικός τρόπος διάσπασης παρατηρήθηκε, στον οποίο τα ισότοπα του ραδίου με μάζες 222, 223, και 224 εκπέμπουν πυρήνες άνθρακα-14 παρά να αποσυντεθούν όπως συνήθως γίνεται με την εκπομπή της άλφα ακτινοβολίας.
Χρόνος ημιζωής
Η αποσύνθεση μερικών ουσιών, όπως το ουράνιο-238 και το θόριο-232, εμφανίζεται να συνεχίζεται κατά τρόπο αόριστο χωρίς ανιχνεύσιμη μείωση του ποσοστού αποσύνθεσης ανά μονάδα μάζας του ισοτόπου (ορισμένο ποσοστό αποσύνθεσης). Άλλες ραδιενεργές ουσίες παρουσιάζουν χαρακτηριστική μείωση στο συγκεκριμένο ποσοστό αποσύνθεσης με το χρόνο. Μεταξύ αυτών είναι το ισότοπο θόριο-234 (αρχικά αποκαλούμενο σαν ουράνιο-X), το οποίο, μετά από την απομόνωση από το ουράνιο, διασπάται με τη μισή αρχική ραδιενεργό έντασή μέσα σε 25 ημέρες. Κάθε μεμονωμένη ραδιενεργός ουσία έχει μια χαρακτηριστική περίοδο διάσπασης ή όπως λέγεται χρόνος ημιζωής (ο χρόνος μέσα στον οποίο η αρχική ποσότητα μειώθηκε στο ήμισυ). Επειδή οι ημιζωές τους είναι τόσο μακροχρόνιες που η αποσύνθεση δεν είναι αξιόλογη εντός της περιόδου παρατήρησης, η μείωση του συγκεκριμένου ποσοστού αποσύνθεσης μερικών ισοτόπων δεν είναι αισθητή με τις παρούσες μεθόδους. Το Θόριο-232, παραδείγματος χάριν, έχει χρόνο ημιζωής 14 δισεκατομμύρια έτη.
Ραδιενεργός σειρά αποσύνθεσης Ουρανίου-Ραδίου.
Όταν το ουράνιο- 238 διασπάται λόγω της εκπομπής άλφα σωματιδίων, διαμορφώνονται σε θόριο- 234
.
Το θόριο- 234 είναι ένας πυρήνας που εκπέμπει βήτα σωματίδια και διασπάται για να διαμορφώσει πρωτακτίνιο-234.
Εν συνέχεια το πρωτακτίνιο- 234 που εκπέμπει κι αυτός σωματίδια βήτα σχηματίζει ένα νέο ισότοπο του ουράνιου, το ουράνιο- 234. Το ουράνιο- 234 διασπάται λόγω εκπομπής α-σωματιδίων σε μορφή θορίου- 230, και τέλος το θόριο-230 αποσυντίθεται στη συνέχεια λόγω άλφα εκπομπής για να παραγάγει το ισότοπο ράδιο- 226.
Αυτή η ραδιενεργός σειρά αποσύνθεσης, που ονομάζεται ραδιενεργός σειρά ουρανίου-ραδίου, συνεχίζεται ομοίως μέσω ακόμη πέντε άλφα εκπομπών και ακόμη τεσσάρων βήτα εκπομπών έως ότου φθάνει στο τελικό προϊόν, που είναι ένα μη-ραδιενεργό (σταθερό) ισότοπο του μολύβδου (το στοιχείο 82) με μαζικό αριθμό 206.
Κάθε στοιχείο στον περιοδικό πίνακα μεταξύ του ουράνιου και του μολύβδου αντιπροσωπεύεται σε αυτήν την σειρά, και κάθε ισότοπο είναι διακριτό από το χαρακτηριστικό χρόνο ημιζωής του.
Όλα τα μέλη της σειράς έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό: οι μαζικοί αριθμοί τους μπορούν να διαιρεθούν ακριβώς με το τέσσερα εάν ο αριθμός 2 αφαιρεθεί από αυτούς.
Δηλαδή οι μαζικοί αριθμοί τους μπορούν να εκφραστούν με τον απλό τύπο 4n + 2, στα οποία το n είναι ένας ακέραιος αριθμός.
Άλλη φυσική ραδιενεργή σειρά είναι η σειρά του θορίου, που αποκαλείταιο σειρά 4n επειδή οι μαζικοί αριθμοί όλων των μελών του είναι ακριβώς διαιρετοί με το τέσσερα, και η σειρά του ακτινίου, ή 4n+3 σειρά.
Ο μητρικός πυρήνας της σειράς του θορίου είναι το ισότοπο θόριο-232, και το τελικό προϊόν του είναι το σταθερό ισότοπο μόλυβδου-208.
Η σειρά ακτινίου αρχίζει με ουράνιο- 235 (που ονομάζεται actinouranium από τους πρώτους ερευνητές και τελειώνει με τον μόλυβδο-207.
Μια τέταρτη σειρά, η 4n+1 σειρά, όλα τα μέλη της οποίας είναι τεχνητά ραδιενεργά, έχει ανακαλυφθεί τα τελευταία χρόνια και έχει χαρακτηριστεί λεπτομερώς. Το αρχικό μέλος του είναι ένα τεχνητό ισότοπο το κιούριο-241 (curium). Περιέχει το ισότοπο του στοιχείου ποσειδώνιου με μεγάλο χρόνο ζωής και το τελικό προϊόν του είναι βισμούθιο- 209.
Ραδιοχρονολόγηση-Ηλικία της Γης
Μια ενδιαφέρουσα εφαρμογή της γνώσης των ραδιενεργών στοιχείων υποβάλλεται για τον καθορισμό της ηλικίας της Γης. Μια μέθοδος του καθορισμού των ηλικιών των βράχων είναι βασισμένη στο γεγονός ότι σε πολλά μεταλλεύματα ουράνιου και θορίου, που έχουν αποσυντεθεί από το σχηματισμό τους, τα άλφα σωματίδια έχουν παγιδευτεί (ως άτομα ηλίου) στο εσωτερικό του βράχου. Με ακρίβεια καθορίζουν τα σχετικά ποσά του ηλίου, ουράνιου, και θορίου στο βράχο, κι έτσι μπορεί να υπολογιστεί το χρονικό διάστημα κατά τη διάρκεια του οποίου έχουν συνεχιστεί οι διαδικασίες αποσύνθεσης δηλαδή η ηλικία του βράχου.
Μια άλλη μέθοδος είναι βασισμένη στον προσδιορισμό της αναλογίας ουρανίου-238 προς το μόλυβδο-206 ή θορίου-232 προς το μόλυβδο-208 στους βράχους (δηλαδή οι αναλογίες των συγκεντρώσεων των αρχικών και τελικών μελών της ραδιενεργού σειράς αποσύνθεσης). Αυτές και άλλες μέθοδοι δίνουν τις τιμές για την ηλικία της γης περίπου 4.6 δισεκατομμύρια έτη. Παρόμοιες τιμές λαμβάνονται και για τους μετεωρίτες που έχουν πέσει στην επιφάνεια της γης, καθώς επίσης και για τα δείγματα της Σελήνης που ήλθαν πίσω από το διαστημικό σκάφος Απόλλωνα-11 τον Ιούλιο του 1969, δείχνοντας έτσι ότι ολόκληρο το ηλιακό σύστημα είναι πιθανώς της ίδιας σχεδόν ηλικίας όπως η Γη.
Οι μέθοδοι αυτοί ξεκίνησαν το 1905 με τον Rutherford και Boltwood που χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά την αρχή της ραδιενεργής διάσπασης για τη χρονολόγηση ορυκτών και πετρωμάτων. Το 1907 ο Boltwood χρονολόγησε ένα δείγμα ουρανίτη με τη μέθοδο ουρανίου/μολύβδου. Η ραδιοχρονολόγηση είχε επιτευχθεί πριν ακόμα είναι γνωστά με ακρίβεια τα ισότοπα και οι ρυθμοί διάσπασής τους. Ο Boltwood δημοσίευσε για πρώτη φορά απόλυτες ηλικίες πετρωμάτων της τάξης εκατομμυρίων χρόνων. Τα επόμενα σαράντα χρόνια η έρευνα οδήγησε στην ανάπτυξη και βελτίωση τεχνικών και μεθόδων για τη μέτρηση της ηλικίας γήινων υλικών. Η ακριβής χρονολόγηση τελειοποιήθηκε το 1950. Η ανακάλυψη του φασματογράφου μάζας το 1919 οδήγησε στον εντοπισμό και τη μελέτη περισσότερων ισοτόπων.
Όπως είδαμε πιο πάνω τα ασταθή ισότοπα μέσα από διαδοχικές ραδιενεργές διασπάσεις τείνουν να γίνουν σταθερά. Οι ραδιενεργοί μητρικοί πυρήνες μετατρέπονται -σταδιακά- σε θυγατρικούς σταθερούς πυρήνες σε καθορισμένο χρόνο, που είναι διαφορετικός για κάθε ισότοπο. Κάθε ραδιενεργό ισότοπο έχει το δικό του χρόνο ημιζωής. Ο λόγος της απομένουσας ποσότητας από το αρχικό ισότοπο προς το σύνολο των προϊόντων της διάσπασης (μητρικοί πυρήνες/θυγατρικοί πυρήνες) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ηλικίας των πετρωμάτων που περιέχουν ραδιενεργά ορυκτά.
Τα περισσότερα ραδιενεργά ισότοπα έχουν γρήγορους ρυθμούς διάσπασης, δηλαδή μικρούς χρόνους ημιζωής και χάνουν τη ραδιενέργειά τους μέσα μερικές ημέρες ή έτη (το ιώδιο-131 έχει χρόνο ημιζωής 8,02 μέρες). Μερικά ραδιενεργά ισότοπα, όμως, αποσυντίθενται αργά και είναι αυτά που χρησιμοποιούνται ως γεωλογικά ρολόγια, υπολογίζουν δηλαδή την απόλυτη ηλικία των πετρωμάτων, των ορυκτών αλλά και γεγονότων που συνέβησαν πριν εκατομμύρια χρόνια. Το πιθανό σφάλμα στους χρόνους ημιζωής είναι πολύ μικρό, της τάξης του +-2%.
Η χρονολόγηση των πετρωμάτων από αυτά τα ραδιενεργά χρονόμετρα είναι θεωρητικά απλή, αλλά οι εργαστηριακές διαδικασίες είναι πιο σύνθετες. Οι ποσότητες μητρικών και θυγατρικών πυρήνων σε κάθε δείγμα καθορίζονται με διάφορα είδη αναλυτικών μεθόδων. Η κύρια δυσκολία έγκειται στο να μετρηθούν με ακρίβεια τα πολύ μικρά ποσοστά ισοτόπων. Οταν είναι εφικτό, χρησιμοποιούνται στο ίδιο δείγμα δύο ή περισσότερες μέθοδοι ανάλυσης για να επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματα.
Είναι γνωστό πως ένα μικρό ποσό άνθρακος-14 είναι παρόν στην ατμόσφαιρα της γης και όλοι οι οργανισμοί διαβίωσης αφομοιώνουν τα ίχνη αυτού του ισοτόπου κατά τη διάρκεια της διάρκειας ζωής τους. Μετά από το θάνατο αυτή η αφομοίωση παύει και ο ραδιενεργός άνθρακας, που συνεχώς αποσυντίθεται, δεν διατηρείται πλέον σε μια σταθερή συγκέντρωση. Οι εκτιμήσεις των ηλικιών των αντικειμένων ιστορικού και αρχαιολογικού ενδιαφέροντος, όπως τα κόκκαλα και οι μούμιες, έχουν πραγματοποιηθεί με μετρήσεις του άνθρακα-14.
Τεχνητή ραδιενέργεια
Όλα τα φυσικά εμφανιζόμενα ισότοπα πάνω από το βισμούθιο στον περιοδικό πίνακα είναι ραδιενεργά, και υπάρχουν επιπλέον φυσικά ραδιενεργά ισότοπα του βισμουθίου, του θαλλίου, του βαναδίου, του ινδίου, του νεοδυμίου, του γαδολίνιου, του αίφνιου, του λευκόχρυσου, του μολύβδου, του ρήνιου, του λουτήτιου, του ρουβιδίου, του καλίου, του υδρογόνου, του άνθρακα, του λανθανίου, και του σαμαρίου. Το 1919 ο Rutherford επέφερε την πρώτη προκληθείσα πυρηνική αντίδραση με τεχνητό τρόπο, όταν βομβάρδισε το συνηθισμένο αέριο αζώτου (άζωτο-14) με τα άλφα σωματίδια και διαπίστωσε ότι οι πυρήνες αζώτου συνέλαβαν τα άλφα σωματίδια και εξέπεμψαν τα πρωτόνια πολύ γρήγορα, διαμορφώνοντας ένα σταθερό ισότοπο του οξυγόνου, το οξυγόνο-17.
Το 1933 ήταν που καταδείχθηκε ότι τέτοιες πυρηνικές αντιδράσεις θα μπορούσαν μερικές φορές να οδηγήσουν στο σχηματισμό των νέων ραδιενεργών πυρήνων. Οι Γάλλοι χημικοί Irene και Frederic Joliot-Curie προετοίμασαν την πρώτη τεχνητή ραδιενεργό ουσία στο ίδιο έτος, όταν βομβάρδισαν το αργίλιο με άλφα σωματίδια. Οι πυρήνες αργιλίου συνέλαβαν τα άλφα σωματίδια και εξέπεμψαν έπειτα νετρόνια, με τον επακόλουθο σχηματισμό ενός ισοτόπου του φωσφόρου, το οποίο αποσυντέθηκε λόγω εκπομπής ποζιτρονίων, και που παρουσιάζει ένα μικρό χρόνο ημιζωής.
Οι Joliot-Curie παρήγαγαν επίσης ένα ισότοπο του αζώτου από το βόριο και ένα του αργιλίου από το μαγνήσιο. Από τότε πολλές πυρηνικές αντιδράσεις έχουν ανακαλυφθεί, και οι πυρήνες των στοιχείων σ’ όλο τον περιοδικό πίνακα έχουν βομβαρδιστεί με διαφορετικά σωματίδια, συμπεριλαμβανομένου των άλφα σωματιδίων, πρωτονίων, νετρονίων, και δευτερονίων (πυρήνες του δευτέριου, το ισότοπο υδρογόνου με μαζικό αριθμό=2). Ως αποτέλεσμα αυτής της εντατικής έρευνας, περισσότερες από 400 τεχνητές ραδιενέργειες είναι τώρα γνωστές. Αυτή η έρευνα έχει βοηθηθεί αποφασιστικά από την ανάπτυξη των επιταχυντών που επιταχύνουν τα σωματίδια που βομβαρδίζουν τους πυρήνες, με τεράστιες ταχύτητες, και κατά συνέπεια αυξάνοντας σε πολλές περιπτώσεις την πιθανότητα της σύλληψής τους από τους πυρήνες-στόχους.
Η έντονη έρευνα για τις πυρηνικές αντιδράσεις και η αναζήτηση νέων τεχνητών ραδιενεργειών, ειδικά μεταξύ των βαρύτερων στοιχείων, ήταν υπεύθυνες για την ανακάλυψη της πυρηνικής διάσπασης και επομένως της ανάπτυξης της ατομικής βόμβας. Οι έρευνες έχουν οδηγήσει επίσης στην ανακάλυψη διάφορων νέων στοιχείων που δεν υπάρχουν στη φύση. Η ανάπτυξη των πυρηνικών αντιδραστήρων έχει καταστήσει πιθανή την παραγωγή σε μια μεγάλη κλίμακα των ραδιενεργών ισοτόπων σχεδόν όλων των στοιχείων του περιοδικού πίνακα, και η διαθεσιμότητα αυτών των ισοτόπων αποτελεί μια ανυπολόγιστη ενίσχυση στην χημική, στην βιολογική και τέλος στην ιατρική έρευνα. Από αυτά με τη μεγάλη σημασία μεταξύ των τεχνητά παραχθέντων ραδιενεργών ισοτόπων είναι ο άνθρακας-14, ο οποίος έχει χρόνο ημιζωής 5730 ± 40 έτη. Η διαθεσιμότητα αυτής της ουσίας έχει καταστήσει πιθανή την έρευνα πολυάριθμων πτυχών των διαδικασιών της ζωής, όπως είναι η φωτοσύνθεση με ένα πιο θεμελιώδη τρόπο από αυτόν που έως τώρα θεωρείτο πιθανόν.
Σε ανάλυση νετρονίου, ένα δείγμα μιας ουσίας γίνεται ραδιενεργό μέσα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα. Διάφορες ακαθαρσίες που δεν μπορούν να ανιχνευθούν με άλλα μέσα μπορούν έπειτα να βρεθούν με την ανίχνευση των ιδιαίτερων τύπων ραδιενεργειών που συνδέονται με τα ραδιοϊσότοπα αυτών των ακαθαρσιών. Άλλες εφαρμογές των ραδιενεργών ισοτόπων είναι στη ιατρική θεραπεία, τη βιομηχανική ακτινογραφία, και συγκεκριμένες συσκευές όπως οι φωσφορίζουσες πηγές φωτός, οι στατικοί εξουδετερωτές, οι μετρητές πάχους, και οι πυρηνικές μπαταρίες.
Ο κίνδυνος για την υγεία από την ραδιενέργεια
Η έκθεση σε ιοντίζουσα ακτινοβολία μπορεί να έχει είτε άμεσα, είτε πιο μακροπρόθεσμα βλαπτικά αποτελέσματα για την υγεία.
Οι άνθρωποι μπορούν να εισπνεύσουν τα ραδιενεργά σωματίδια, να τα καταπιούν ή αυτά να κάτσουν στο δέρμα τους. Η δόση και η διάρκεια της έκθεσης παίζουν καθοριστικό ρόλο για τις μετέπειτα συνέπειες, καθώς επίσης το είδος των ραδιενεργών σωματιδίων, καθώς μερικά είναι πιο επικίνδυνα ή πιο ανθεκτικά από άλλα.
Η έκθεση σε πολύ μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας μπορεί να ακολουθηθεί από άμεση καταστροφή κυττάρων, οργάνων και συστημάτων και να οδηγήσει στο θάνατο του ανθρώπου. Τέτοιες δόσεις που οδηγούν σε άμεσα αποτελέσματα, παρατηρήθηκαν μόνο σε μεγάλα ραδιολογικά ή πυρηνικά ατυχήματα και είναι μια πιθανή απειλή και για την περίπτωση της Ιαπωνίας, αν η κατάσταση στους αντιδραστήρες της Φουκουσίμα επιδεινωθεί περαιτέρω.
Για σχετικά χαμηλές δόσεις, μικρότερες από αυτές που οδηγούν σε άμεσα αποτελέσματα, υπάρχει στατιστικά η πιθανότητα μελλοντικής εμφάνισης καρκίνου, που είναι τόσο πιθανότερη όσο μεγαλύτερη είναι η δόση της ακτινοβολίας. Σημαντικές είναι οι βλάβες που μπορεί να προκληθούν στο γενετικό του υλικό του κυττάρου (στο DNA), διότι αυτές συνδέονται τόσο με τη μεταβίβαση κληρονομικών ανωμαλιών στους απογόνους, όσο και με τη διαδικασία της καρκινογένεσης.
Οι ακτινοβολίες περιλαμβάνονται στους περίπου 4.000 γνωστούς καρκινογόνους παράγοντες, σύμφωνα με την Ελληνική Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας (ΕΕΑΕ). Πιο ευαίσθητοι στη ραδιενέργεια είναι ο θυρεοειδής (καρκίνος του συγκεκριμένου αδένα) και ο μυελός των οστών (λευχαιμία).
Ο κίνδυνος για τα μακροπρόθεσμα αποτελέσματα της ακτινοβολίας εξαρτάται από τη λεγόμενη ενεργό δόση, η οποία, με τη σειρά της, εξαρτάται από την απορροφούμενη στο ανθρώπινο σώμα ενέργεια, το είδος της ακτινοβολίας και το είδος του ακτινοβολούμενου ιστού. Μονάδα μέτρησης της ενεργού δόσης είναι το Sievert (Sv-Σιβέρτ) και τα υποπολλαπλάσιά του mSv (μιλισιβέρτ) και μSv (μικροσιβέρτ).
Η μέση ενεργός δόση ενός ατόμου που οφείλεται στις τεχνητές και στις φυσικές πηγές ραδιενέργειας του γήινου περιβάλλοντος, είναι 0,31 mSv και 2,4 mSv για κάθε χρόνο αντίστοιχα, ενώ η ενεργός δόση που αντιστοιχεί σε μια τυπική ακτινογραφία θώρακος, είναι περίπου 0,02 mSv, σύμφωνα με την ΕΕΑΕ. Το όριο ασφαλούς έκθεσης ενός ατόμου σε ακτινοβολία είναι 1 mSv ετησίως, ενώ για τους επαγγελματικά εκτιθέμενους αυξάνει στα 20 mSv. Η ένταση της ραδιενέργειας είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης από την πηγή της ακτινοβολίας (π.χ. από ένα πυρηνικό αντιδραστήρα με διαρροή).
Σύμφωνα με ειδικούς, ο κίνδυνος για καρκίνο αυξάνεται όταν η έκθεση στην ακτινοβολία ξεπεράσει τα 100 mSv το χρόνο και γίνεται θανατηφόρα αν φτάσει στα 5.000 mSv (5 Sv) σε διάστημα μερικών ωρών. Η έκθεση σε 1 Sv ακτινοβολίας εκτιμάται ότι αυξάνει τον κίνδυνο θανατηφόρου καρκίνου κατά περίπου 5%. Οι μέχρι τώρα μετρήσεις στην Ιαπωνία γύρω από τους κατεστραμμένους αντιδραστήρες είναι γύρω στα 400 mSv, δηλαδή δείχνουν τετραπλάσια επίπεδα σε σχέση με αυτά που αυξάνουν τον κίνδυνο για καρκίνο.
Οι μέχρι τώρα επιστημονικές μελέτες έχουν εστιάσει κυρίως στον κίνδυνο καρκίνου λόγω μεγάλων δόσεων ακτινοβολίας και υπάρχει μικρότερη επιστημονική συμφωνία σχετικά με τις συνέπειες της έκθεσης σε μικρές δόσεις. Οι μεγάλες δόσεις προκαλούν ναυτία, εμετό, αδυναμία, διάρροια, πονοκεφάλους, πυρετό, πτώση μαλλιών, δερματικά εγκαύματα, δυσλειτουργία οργάνων, πρόωρη γήρανση και πιθανώς πρόωρο θάνατο. Τα καρκινογόνα ραδιοϊσότοπα καίσιο-137 και ιώδιο-131 είναι οι κυριότερες απειλές μέχρι στιγμής από τη διαρροή ραδιενέργειας στην Ιαπωνία.
Το καίσιο-137, που είναι πιο επικίνδυνο, μπορεί να μολύνει την τροφή και το νερό, συσσωρευόμενο στους μαλακούς ιστούς του οργανισμού, όπως στους μυς. Έχει ημι-ζωή περίπου 30 ετών και αποβάλλεται σταδιακά μέσω των ούρων. Το ιώδιο-131, που αναπνέεται ή καταπίνεται, έχει πιο σύντομη ημι-ζωή οκτώ ετών. Συγκεντρώνεται στον θυρεοειδή και μπορεί να προκαλέσει καρκίνο σε λίγα χρόνια, ενώ σε χαμηλές δόσεις μειώνει την παραγωγή των ορμονών του αδένα.
Στην υγεία μας βασικό ρόλο παίζουν οι λεγόμενες ιονίζουσες ακτινοβολίες. Πρόκειται για τις ακτινοβολίες που διαθέτουν αρκετή ενέργεια ώστε να εξοστρακίζουν ηλεκτρόνια από τα άτομα και τα μόρια. Αυτό που μένει είναι θετικά φορτισμένο και ονομάζεται ιόν. Τα ραδιενεργά υλικά εκπέμπουν ιονίζουσες ακτινοβολίες όταν διασπώνται οι πυρήνες τους και αυτές είναι τριών ειδών: Άλφα, Βήτα και Γάμμα.
1 Bq: Ενα γεγονός εκπομπής ακτινοβολίας ανά δευτερόλεπτο.
Πιο εύχρηστες είναι οι υποδιαιρέσεις του: millicurie, microcurie, nanocurie, picocurie. Οπου το καθένα είναι ίσο με το ένα χιλιοστό του προηγουμένου του.
Όταν μια ιονίζουσα ακτινοβολία πέφτει στο ανθρώπινο σώμα, δίνει την ενέργειά της στους ιστούς και στα όργανα. Το ποσόν που απορροφάται από αυτά ανά μονάδα βάρους του ιστού ή του οργάνου εκφράζεται σε μονάδες που ονομάζονται gray (Gy). Δόση ενός gray είναι ισοδύναμη με ενέργεια ακτινοβολίας 1 Joule που απορροφάται ανά κιλό ιστού ή οργάνου του σώματος.
Προσοχή: ίσες δόσεις από ακτινοβολίες διαφόρων τύπων δεν είναι το ίδιο επιβλαβείς. Η ακτινοβολία άλφα είναι πιο βλαβερή από ό,τι οι ακτίνες Γάμμα. Για τον λόγο αυτόν υπάρχει μια μονάδα που δίνει την «ισοδύναμη δόση». Για κάθε δηλαδή ακτινοβολία υπάρχει και ένας συντελεστής και με αυτόν πολλαπλασιάζεις τη δόση που έχεις σε μονάδες Gy. Αυτή η μονάδα «ισοδύναμης δόσης» ονομάζεται Sievert.
Ο γόρδιος δεσμός 
