Radioaktiivsus ja kiirgus

Joonis 2.9.1. Radioaktiivne kiirgus jaotub magnetväljas kolmeks. α- ja β-osakesed kalduvad Lorenzi jõu mõjul eri suundadesse, sest neil on erinevad laengud. γ-kiirgus on laenguta ja seda magnetväli ei mõjuta. β-osakesed kalduvad kõrvale erineval määral ja nende energiaspekter on pidev, mis tekitas 20. sajandi algul probleemi energia jäävusega ja kergitas esile neutriinohüpoteesi.

Prantsuse teadlane Henri Becquerel uuris 1896. aastal fosforestsentsi – mõnede ainete võimet pärast tugevat valgustamist ühevärviliselt helendada. Esialgu paistis, et uraanisoolad kiirgavad päikesekiirte mõjul lisaks valgusele ka röntgenikiiri, mis läbivad katses kasutatud tihedat musta paberit, aga metalli mitte. Peagi selgus, et valgustamine polegi vajalik, uraanisoolad kiirgavad täiesti iseenesest. Radioaktiivsuse uurimisele aitas tublisti kaasa uute, palju võimsamalt kiirgavate elementide avastamine. Marie ja Pierre Curie, eraldasid maakidest polooniumi ja raadiumi. Raadiumi kaudu kinnistus kogu nähtuse nimena radioaktiivsus.

Radioaktiivsus oli alguses teadlastele suur mõistatus, selle lahendamine on seotud Ernest Rutherfordi töödega. Juba aastatel 1898 kuni 1901 selgitas ta välja, et Becquereli kiired koosnevad mitmest erineva läbimisvõimega komponendist, mis said nimeks alfa- ja beetakiired. Elektri- ja magnetväljaga oli võimalik need kiirgused üksteisest eraldada ja siis sai kolmas komponent, millel laengut pole, nimeks gammakiirgus (joonis 2.9.1.). Samal ajal sai selgeks ka see, et gammakiired on sarnased röntgenikiirtega, st tegu on lühilainelise elektromagnetkiirgusega, suure energiaga kvantidega.

Radioaktiivne lagunemine

Alfalagunemise korral eraldub tuumast α-osake, heeliumi tuum

Tuumad ise muutuvad seeläbi teise elemendi tuumadeks, justkui nihkudes perioodtabelis kahe koha võrra ettepoole. Tekkinud tuuma massiarv on lähtetuuma omast nelja võrra väiksem. Uraan-238 on alfaradioaktiivne, lagunemisel eraldub -osake ja järele jääb tooriumi tuum, mis on samuti radioaktiivne ja laguneb edasi:

Tuumafüüsika ajaloos on -osakestel tähtis koht. Aatomituum avastati kulla aatomeid vaakumis -osakestega pommitades ja nende hajumist mõõtes (ptk Aatomituum). Rutherfordi hajumist kasutati hiljem palju tuumauuringutes. Esimesed avastused tuumareaktsioonide alal tehti samuti aineid -osakestega mõjutades.

Tuntud rakendustest on kõige laiema levikuga ionisatsioonikambriga suitsuandurid. Alfaradioaktiivne ainetükike ioniseerib pisikeses kambris gaasimolekule ja teeb võimalikuks sealt läbi lasta nõrka elektrivoolu. Kui kambrisse tungivad suitsuosakesed, muutub voolutugevus ja alarmsignaal rakendub.

Aatomimaailma mõõtudes on -osakesed üsna suured, suure massiga ja laetud, mispärast ei jõua nad radioaktiivsest preparaadist kuigi kaugele. Õhus levib alfakiirgus mõne sentimeetri, ei läbi õhukest metallikihti ega tungi läbi isegi paksemast paberist. Seepärast ei ohusta alfakiirgus organisme välispidiselt.

Joonis 2.9.4. Neutroni muutumist prootoniks on raske ette kujutada. Ameerika füüsikateoreetik Richard Feynmani leiutatud diagramm näitab, kuidas d-kvargi muutumist u-kvargiks vahendab nõrga jõu kandja W-boson. Tekivad elektron ja antielektronneutriino. Antiosakesel on Feynmani järgi nool tagurpidi.

Kõige levinum tuumaenergia elektrienergiaks muundamine käib tuumajaamades soojusenergia ja vee keetmise kaudu (ptk Tuumaenergeetika). Radioaktiivsel lagunemisel vabanevat energiat saab elektrienergiaks muuta veel mitmel moel. Üks enamkasutatud lahendusi on termoelektriline radioisotooppatarei. Vooluallikaks on neis seadmetes termopaarid. Pinge saavutatakse temperatuurierinevusega, mis paneb laengukandjad liikuma kuumalt poolelt külmale. Kõrge temperatuur saadakse erinevatest, eelistatult -radioaktiivsetest ainetest. Kõige enam on kasutatud plutoonium-238 (joonis 2.9.3.), aga ka strontsiumi, polooniumi, küüriumi ja ameriitsiumi isotoobid on kasutust leidnud. Termoelekrilised radioisotooppatareid teenivad kohtades, kus patareid peavad kaua vastu pidama ja hooldamine või vahetamine on keeruline, kallis või võimatu. Seepärast kasutatakse neid satelliitidel, automaatsetes polaaralade vaatlusjaamades või tuletornides. Mõnda aega paigutati neid isegi südamestimulaatoritesse.

Beetalagunemisel eraldub tuumast suure kiirusega -osake. Henry Becquerel tegi juba 1900. aastal kindlaks -osakese massi ja laengu suhte, mis näitas, et tegemist on elektroniga (). Kuna tuumas ei ole elektrone, mis saaksid sealt väljuda, siis peavad elektronid tekkima. Ebastabiilsed tuumad lähevad iseenesest vähema energiaga seisundisse, misjuures muutub üks neutron prootoniks. Täpsemalt, üks d-kvark muutub u-kvargiks:

ehk

Lisaks sellele tekib igal lagunemisel üks antielektronneutriino. Selles protsessis massiarv ei muutu, küll aga muutub ühe võrra suuremaks laenguarv ja -lagunemisel tekkinud tuum on perioodtabelis lähtetuumast järgmine.

Tuumast eralduvate -osakese energiad on erinevad. Kiirus võib ulatuda üle 270 000 km/s, st beetakiirguse energia on väga suur. Õhus jõuab β-osake mõne meetri kaugusele, tungib rakkudesse või läbib õhukese alumiiniumlehe, aga ei läbi raskeid metalle ega kiviseinu. Kui -osakese kiirus on aineosakestega kohtumise tõttu vähenenud, siis on ta täiesti tavaline elektron. Kahjuks jõuab ta kiirust kaotades ioniseerida molekule ja lõhkuda keemilisi sidemeid, millest tuleb beetakiirguse ohtlikkus elusolendeile.

Neutriinod on huvitavad osakesed

Beetalagunemisel tekivad koos kiirete elektronidega ka neutriinod, mille jälile jõutigi -osakeste energia mõõtmisel. Beetalagunemise esialgsetes teooriates tekkisid probleemid energia jäävuse ja spinniga, kalduti isegi arvama, et energia jäävuse seadus ei pruugi osakeste maailmas kehtida. 1930. aastal kirjutas Austria füüsikateoreetik Wolfgang Pauli kolleegidele kirja, kus esitas beetalagunemise uue teooria ja kutsus üles planeerima eksperimente selle tõestuseks. Teooria eeldas, et elektroniga koos tekib veel üks väga kerge laenguta osake, mille ta nimetas neutroniks. 1932. aastal avastas James Chadwick eksperimentaalselt neutraalse tuumaosakese, mille nimetas ka neutroniks. Kahe samanimelise osakese eksitava vea parandas Enrico Fermi, kui ta, võttes Pauli kerge osakese oma beetalagunemise teooriasse, nimetas selle neutriinoks. Itaalia keeles on neutron neutrone (suur neutraalne asi) ja neutrino on pisike neutron, neutronike. Veidi utreerides võib öelda, et neutriinoteooria päästis energia jäävuse seaduse.

Pauli tellis oma kirjas „headelt radioaktiivsetelt daamidelt ja härradelt” neutriinode avastamise eksperimendi, mis tegelikult sai teoks alles paarkümmned aastat hiljem. 1956. aastal tõestasid Clyde L. Cowan ja Frederick Reines katseliselt neutriinode olemasolu. Katsed tegi ja teeb keeruliseks see, et neutriinod on laenguta, ja peaaegu massita. Elektromagnetjõudu nad ei tunne ja aineosakestega on vastastikmõjus ainult väikese mõjuraadiusega nõrga tuumajõu kaudu. See tähendab, et neutriinod lähevad peaaegu puutumatult läbi igasugusest ainest. On välja arvutatud, et Päikesel toimuva tuumasünteesi tõttu läbib Maal iga päikesekiirguse poole suunatud ruutsentimeetrit umbes 70 miljardit neutriinot sekundis. Aatomituumadega kohtuvad neist väga üksikud. Cowan ja Reines katsetasid tuumareaktorite juures, kust saadi ruutsentimeetrile umbes 50 triljonit antielektronneutriinot sekundis. 200-liitristes veemahutites, mis olid kosmilise kiirguse mõju vähendamiseks sügaval maa all, kohtusid neutriinod vee koostises olevate prootonitega. Tekivad neutron ja positron (antielektron): 

Positron kohtub kohe mõne elektroniga ja annihileerub, andes kaks -kvanti. Saamaks kindlalt äratuntavat signaali, oli vees lahustatud kaadmiumkloriidi. Kaadmiumi tuumad neelavad neutroni, tekib ergastatud tuum, mis kiirgab viie mikrosekundi pärast ühe -kvandi:

Just neist kvantidest pärinevate väikeste valgussähvatuste järgi (kaks korraga ja üks hilinemisega) tunti neutriinod ära. Kuude kaupa andmeid kogudes tehti kindlaks, et keskmiselt neeldub seadmes kolm neutriinot tunnis. Täiendavaks kontrolliks peatati reaktsioon tuumareaktoris, neutriinode neeldumine vähenes, nagu oli ennustatud. 1995. aasta Nobeli füüsikapreemia üks osa anti Frederick Reinesile neutriino katselise avastamise eest, Clyde L. Cowan suri juba 1974. aastal.

Kui selgus, et neutriino kohtumist tuumaosakesega on võimalik registreerida, hakati sobivaid seadmeid ehitama ja arendama terves maailmas. Neutriinoteleskoopideks ja neutriinoobservatooriumiteks nimetatud seadmed on oma mõõtudelt ja tehnoloogialt üsna muljetavaldavad.

Joonis 2.9.5. Kui selgus, et neutriino kohtumist tuumaosakesega on võimalik registreerida, hakati sobivaid seadmeid ehitama ja arendama terves maailmas. Neutriinoteleskoopideks ja neutriinoobservatooriumiteks nimetatud seadmed on oma mõõtudelt ja tehnoloogialt üsna muljetavaldavad. IceCube on Antarktika jääkilbile rajatud observatoorium, mille laborihoone näeb polaaröös kena välja, aga moodustab kogu seadmest ainult tühise osa. Kuue aastaga jäässe sulatatud aparatuur ulatub ligi 2,5 kilomeetri sügavusele ja jälgib neutriinode neeldumist rohkem kui kuupkilomeetrises mahus.

Neutriinod on ka edaspidi püsinud teaduslike probleemide esirinnas. 1960-ndatel avastati mitmes katses, et Päikeselt maale saabuvaid elektronneutriinosid on umbes kolmandik sellest, mida ennustasid Päikese toimimist kirjeldavad matemaatilised mudelid. Kahtlustati vigu mudelis ja isegi tundmatuid muutusi Päikese termotuumareaktsioonis. Tõenäolisem paistis siiski mingi neutriinodega seotud põhjus. Neutriinosid on kolme sorti: elektronneutriinod, müüneutriinod ja tauneutriinod. 2001. aastaks tõestati veenvalt, et neutriinod ostsilleeruvad ühest tüübist teise. Umbes 35% Päikeselt saabuvaist neutriinodest on elektronneutriinod. Algul määrati ainult neid. Ülejäänud on müü- või tauneutriinod. Koguarv klapib üsna hästi Päikese teoreetilise mudeliga. Veel järeldub neutriinode ostsillatsioonist, et nad pole seisumassita, alluvad tõrjutusprintsiibile ja ei liigu valguse kiirusega. Sedasama väitis Wolfgang Pauli juba 1930. aastal, kui ta uut osakest esimest korda nimetas. 2013. aastaks on neutriinode massid siiski määramata. On teada piir, millest mass on väiksem ja et see pole null.

2011. aasta septembris avaldas Itaalia Gran Sasso laboratooriumi ja CERNi koostööprojekt OPERA teate, et nende andmed viitavad neutriinode liikumisele valgusest kiiremini. Tegu oli pigem üleskutsega leida viga, sest ka OPERA teadlased ise ei uskunud tegelikku „kosmilise kiiruspiirangu ületamist”. Uudis levis kiiresti, jõudis ajalehtede esikülgedele ja pakkus huvi kõige laiemale publikule. Tekkis ja taaselustus mitmeid teooriaid, mõned neist üsna fantastilised. 2012. aasta juulis tehti teatavaks, et viga on leitud, st neutriinod ei ületa absoluutkiirust. Kui olla päris täpne, siis algsed andmed paistsid näitavat, et neutriinod jõuavad umbes 730-kilomeetrisel teel läbi mägede kohale 60,7 ±6,9(A) ±7,4(B) nanosekundit varem, kui valgus oleks sama tee läbinud vaakumis. Parandatud andmetel jõuavad neutriinod varem 6,5 ±7,4(A) (+8,3)(-8,0)(B) nanosekundit. Mõõtemääramatus on üle kahe korra mõõtmistulemusest suurem, aga küllap võib neutriinodel üllatusi varuks olla.

Gammakiired

Radioaktiivsuse uurimise algusaastatel eraldati kiirgusliigid ( ja ) eelkõige läbimisvõime järgi. Aastatel 1899 kuni 1903 tehti radioaktiivsuse uurimisel suuri edusamme ja selgus, et on olemas veel üks põhimõtteliselt erinev, väga suure läbimisvõimega kiirgusliik. Rutherford, kes oli nimetanud eelmised ja näidanud, et sel uuel kiirgusel pole laengut, nimetas selle -kiirguseks. Kui kümne aasta pärast selgus, et -kiired peegelduvad kristallidelt, määrati lainepikkus ja sai selgeks, et tegu on röntgenikiirgusega sarnase, aga suurema sageduse ja suurema kvandi energiaga elektromagnetlainega.

Piir röntgenikiirguse ja -kiirguse vahel on kokkuleppeline ja lähtub enamasti kvandi energiast, mis peaks olema vähemalt 100 keV (sagedus 1019 Hz, lainepikkus 10 pikomeetrit, suurusjärgulise täpsusega). See kokkulepe ei ole väga kindel. Tihti nimetatakse -kvantideks või -footoniteks ka väiksema sagedusega kiirgust, kui see pärineb radioaktiivsusest. Kui kiirgus pärineb aatomi elektronkattest, mitte tuumast, nimetatakse seda röntgenikiirguseks, kuigi kvandi energia võib olla kokkuleppelisest piirist suurem. Maapealseks -kiirguse allikaks on põhiliselt radioaktiivsus. Mõnel juhul tekivad gammasähvatused ägedates äikesetormides, selle protsessi mehhanism ei ole täpsemalt teada. Kosmiline ruum saadab meile samuti mitmesuguse päritolu ja energiaga -kiirgust.

Suur kvandi energia ja hea ainest läbitungimise võime annavad mitmeid võimalusi γ-kiirguse praktiliseks rakendamiseks. On välja töötatud palju meetodeid materjalide ja esemete „läbivalgustamiseks” -kiirtega. Ameerika Ühendriikides on alates 2002. aastast üha enam rakendatud kaubakonteinerite automaatset kontrolli -kiirgusseadmete abil. -kiirgus on laialt levinud meditsiiniseadmete ja -materjalide steriliseerimiseks autoklaavimise asemel.

Vaatamata sellele, et kiirgus on inimeste tervisele mitmes mõttes ohtlik, kasutatakse -kiiri kasvajarakkude hävitamiseks. Tuntuim meditsiiniseadmete gammaallikas on Co-60. Beetalagunemisel annab selle tuum ühe -kvandi. Tekkinud Ni-60 tuum on ergastatud ja kiirgab põhiolekusse üleminekul ühe veelgi suurema energiaga -kvandi:

Radioaktiivse lagunemise seadus. Nihkereegel ja radioaktiivse lagunemise seeriad

Radioaktiivne lagunemine on tõenäosuslik protsess (ptk Elektronide difraktsioon ja ptk Määramtusseos). Ei saa kuidagi määrata, millal laguneb konkreetne tuum või millise aatomi tuum järgmisena laguneb. Küll aga on kõigile radioaktiivsetele isotoopidele määratud poolestusaeg (). Selle aja jooksul lagunevad pooled olemasolevatest tuumadest. Algsest radioaktiivsete aatomite hulgast jääb aja möödudes alles aatomit:

Joonis 2.9.6. Kui radioaktiivse isotoobi poolestusaeg on 24 päeva, siis näiteks ühest grammist on 24 päeva pärast pool lagunenud. Nelja poolestusaja pärast on alles vaid 62,5 milligrammi.

on algne radioaktiivsete aatomite arv,  on poolestusaeg, on kulunud aeg ja aja pärast allesjäänud osakeste arv.

Näiteks uraani looduslike isotoopide poolestusajad on:

  • uraan-234, 2,45·105 aastat;
  • uraan-235, 7,04·108 aastat;
  • uraan-238, 4,46·109 aastat.

Uraani poolestusaeg on väga pikk. Mitmetel radioaktiivse lagunemise produktidel on see üsna lühike. Näiteks jood-131, mis tekib tuumaplahvatustel ja –reaktorites ja mille poolestusaeg on 8 päeva. Tšernobõli katastroofi järel oli radioaktiivne jood saastunud aladel viibijaile eriti ohtlik esimestel nädalatel, hiljem selle kontsentratsioon langes kiiresti. Eriti kiiresti lagunevad perioodtabeli viimases reas asuvate uute elementide tuumad. Livermooriumi, mis on tabelis 116 kohal, kõigi isotoopide poolestusaegu mõõdetakse millisekundites. Kõige stabiilsemal neist, Lv-294 on poolestusaeg 53 ms.

α- ja β-lagunemisel tekkivad uued tuumad, mille asetust perioodtabelis võrreldes lähtetuumaga kirjeldab nihkereegel:

  • α-lagunemisel muutub laenguarv kahe võrra väiksemaks ja massiarv nelja võrra väiksemaks. Tuum nihkub perioodtabelis kahe koha võrra ettepoole.
  • β-lagunemisel suureneb tuuma laenguarv ühe võrra, massiarv ei muutu ja tuum nihkub perioodtabelis ühe koha võrra tahapoole.
Joonis 2.9.7. Radioaktiivse lagunemise seeriad viivad järgnevate α- ja β-lagunemiste tulemusena stabiilsete plii ja talliumi isotoopide tekkimiseni.

Tihti on tekkinud uued isotoobid samuti radioaktiivsed ja lagunevad edasi. Nii moodustub lagunemiste seeria, mis viib lõpuks välja mõne stabiilse isotoobi tekkimiseni (joonis 2.9.7.). Paljud lagunemisseeriad annavad võimalusi kivimite vanuse määramiseks. Üks vanemaid ja paremini läbitöötatud meetodeid põhineb kahes lagunemisseerias tekkinud plii-isotoopide koguse määramisel. Uraani-raadiumi seerias muutub uraan-238 stabiilseks isotoobiks plii-206. Uraani-aktiiniumi seerias muutub uraan-235 stabiilseks isotoobiks plii-207. Mõnedes mineraalides, näiteks tsirkoonis (ZrSiO4), esineb teatud määral uraani isotoope, aga tekkimise ajal ei saanud seal kindlasti olla pliid. Tähendab, et kogu analüüsil leitud plii on tekkinud kahe nimetatud lagunemisseeria kaudu. Teades radioaktiivse lagunemise seadust ja tundes kõik vaheetappe (poolestusaegu), on võimalik kivimi tekkimise aeg välja arvutada. Dateerimine uraani ja plii kaudu kõlbab kivimitele, mille vanus on üks miljon kuni 4,5 miljardit aastat. Selle tänapäevaseks täpsuseks loetakse 0,1-1%. Meetodit on arendatud alates Rutherfordi esimestest töödest sel alal 1905. aastal ja praegu on see põhiline viis kivimite vanuse määramiseks. Muu hulgas on nii määratud ka Maa vanus.

Radiosüsiniku meetod arheoloogiliste leidude vanuse määramiseks

Looduslik süsinik koosneb kahest stabiilsest isotoobist (ptk Isotoobid), (98,9%) ja (1,1%). Õhu süsihappegaasis on lisaks stabiilsetele süsiniku isotoopidele väga väike kogus (umbes triljondik) radioaktiivset süsiniku isotoopi , mida nimetatakse ka C-14, süsinik-14 ja radiosüsinik. Põhiline radiosüsiniku allikas on kosmiline kiirgus. Ülisuure energiaga prootonid ja muud aatomituumad tungivad kosmosest atmosfääri ja kohtudes õhu molekulidega, tekitavad laviinina uusi osakesi. Muu hulgas tekib neutroneid, mis võivad lämmastiku  muuta radioaktiivseks süsiniku isotoobiks (C-14). Tekkinud süsinik reageerib kiiresti õhuhapnikuga. Moodustunud süsihappegaas levib ühtlaselt atmosfääris ja lahustub veekogudes:

Radioaktiivne süsinik laguneb pidevalt, muutudes taas stabiilseks lämmastiku isotoobiks  ja eraldades -osakesi:

Samas selle kontsentratsioon atmosfääri ülakihtides püsib muutumatuna, sest kosmilised osakesed tekitavad radiosüsinikku juurde. Kõigi süsinikuringes osalevate organismide rakkude süsinik koosneb neist samadest isotoopidest, millest õhu süsihappegaas, sest sellest algab kogu toiduahel. Nii saab ka C-14 rakkude koostisse. Surnud orgaaniline aine keskkonnaga enam süsinikku ei vaheta. Radioaktiivne süsinikuisotoop laguneb tasapisi ja selle sisaldus väheneb järjest. Teades radioaktiivse lagunemise seadust, on võimalik allesjäänud C-14 hulga järgi arvutada, kui ammu on uuritav orgaaniline aine lõpetanud süsiniku omastamise. Mida vähem on proovi jäänud radioaktiivset süsinikku, seda vähem kiirgub sellest -osakesi ja seda vanema orgaanilise ainega on tegu.

Radiosüsiniku meetodi töötas 1949. aastaks välja Willard Libby juhitud töörühm Chicago ülikoolis. Uus meetod põhjustas murrangu arheoloogias. Muudest allikatest määratud leidude vanused klappisid päris hästi radiosüsiniku abil määratutega (joonis 2.9.8.) ja meetod levis kiiresti. Orgaanilist päritolu leidude vanus määratakse radiosüsiniku aastates enne tänapäeva. Tänapäevaks loetakse kokkuleppeliselt aastat 1950, sest just siis rikkusid õhus tehtud tuumakatsetused C-14 tasakaalu. Nii määratud aastaid ei saa päriselt kalendriaastatena võtta. Põhjuseid on mitu. Süsihappegaas ei jaotu atmosfääris ega lahustu ookeanides päris ühtlaselt. Vulkaanipursked ja inimtegevus segavad aeg-ajalt õhku kivimitest või väga vanast orgaanikast pärinevat süsihappegaasi, mis radiosüsinikku ei sisalda. Atmosfääri koostise ja Maa magnetvälja muutused nihutavad paigast C-14/C-12 tasakaalu, st kunagi võis organismidesse ladestuda hoopis teistsugune kogus radiosüsinikku. Arvutatud radiosüsiniku aastaid korrigeeritakse nii palju kui võimalik kalibreerimisega ja arvutatakse seekaudu kalendriaastatesse. Selleks kasutatakse muudest allikatest teadaoleva vanusega proove. Lähemas ajaloos sobivad kirjalikud allikad, vanematel aegadel tulevad appi puidu aastarõngad ja koobastes esinevad lubjakivimoodustised. Radiosüsiniku meetod ei vii meid kaugemale ajalukku kui umbes 50 000 aastat. Selle ajaga on C-14 juba nii palju vähenenud, et määramine osutub praktiliselt võimatuks.

Kunstlik radioaktiivsus ja elementide sünteesimine.

Radioaktiivsus avastati ja seda uuriti aastaid looduslikel radioaktiivsetel isotoopidel. Kunstliku radioaktiivsuse avastamise ja uute radioaktiivsete isotoopide sünteesimise eest pälvisid 1935. aastal Nobeli keemiapreemia Frederic ja Irene Joliot-Curie. Nad pommitasid polooniumist pärinevate α-osakestega mitmeid kergemaid elemente ja said uusi radioaktiivseid aineid. Näiteks alumiinium muutus fosfori isotoobiks massiarvuga 30, mida looduses ei esine. Seda kiiresti lagunevat uut ainet kutsuti radiofosforiks. Paljusid tänapäeval tuntud ja kasutatavaid isotoope looduses ei esine ja neid toodetakse. Meditsiinis tarvitatav Co-60 on samuti kunstlik isotoop, mis tekib Co-59 neutronaktivatsiooni teel.

Uute isotoopidega asi ei piirdu, praeguseks on sünteesitud pikk rida uusi elemente. Perioodtabeli viimane looduslik element on uraan, laenguarv 92. Kõik järgmised ruudud, mida nimetatakse transuraanideks, on täidetud kunstlike elementidega. 1936. aastal täideti lõpuks perioodtabeli 43. ruut sünteetilise tehneetsiumiga. Puuduvat elementi oli sinna otsitud alates tabeli loomisest. Tehneetsium on kergeim element, millel ei ole ühtegi stabiilset isotoopi. Tc-90 hulk maakides on nii väike, et seda ei ole peaaegu võimalik ja muidugi mitte kasulik loodusest toota. Transuraanide sünteesimine oli 20. sajandi keskel mõnda aega teaduslaborite ja suurriikide teadusliku võidujooksu teema. Viimased sünteesitud elemendid on äärmiselt ebastabiilsed, poolestusaegu arvestatakse millisekundites. Teoreetilised mudelid viitavad sellele, et mõned veelgi suuremad tuumad (järjenumbritega üle 120) võiksid olla veidi püsivamad ja moodustada tabelis nn stabiilse saare. Nende poolestusajad arvatakse tulevat üle minuti, mõne teooria järgi isegi aastaid.

Kiirguse mõju inimestele

Radioaktiivse kiirguse ja röntgenikiirguse otsene ohtlikkus elusorganismidele oli teada peaaegu avastamisest saadik. Geneetiline oht ja kantserogeensus said üldiselt teatavaks 1930-ndate aastate jooksul. Kaasaegse teaduse sajand on lisanud radiatsiooniohtude kohta rohkelt andmeid. Tuumakatsetused, kaks sõjalist tuumaplahvatust, õnnetusjuhtumid tuumajaamades ja ohtlike jäätmete hoidlates, kiirgusseadmetega töötamine - radioaktiivsus on saanud igapäevaseks ja samas muutnud meid ettevaatlikuks. Kiirgust on õpitud mõõtma ja kiirgusallikaid tundma.

Inimesed elavad tegelikult pidevas kiirgusvoos. Elektromagnetlainetest ohustavad meid eelkõige röntgenikiired ja -kiired. Siiski tuntakse tänapäeval ka UV-kiirgusega seotud ohte ja uuritakse hoolega, kas mobiilsides kasutatav raadiolaine ei või olla ohtlik pikaajalise toime korral ja näiteks lastele. Teame ka ohtlikke osakestevooge: - ja -osakesed ning neutronid.

Ohtlikke kiirgusliike, mis võivad otseselt surmata rakke, tekitada neis kahjustusi või muuta DNA-d, nimetatakse ioniseerivateks kiirgusteks. Ioniseeriva kiirguse dooside mõõtmiseks kasutatakse spetsiaalseid SI kiirgusühikuid:

Materjalides või kudedes neeldunud kiirgusdoosi ühik on grei (Gy). Doos on üks grei, kui ühes kilogrammis neeldub üks džaul kiirgusenergiat:

Joonis 2.9.9. Maailma Terviseorganisatsioon on uurinud, kust pärinevad keskmiselt inimeste ioniseeriva kiirguse doosid. Väga suur osa tuleb radoonist. Radoon on radioaktiivne väärisgaas, mis pärineb uraani radioaktiivsest lagunemisest. Kui radoon koguneb eluruumi, siis hingavad inimesed seda pidevalt sisse. Nii pääseb kiirgus mõjuma seestpoolt, mis on eriti ohtlik. Eestiski on radooniohtlikke piirkondi.

Grei on ühik, mis ei võta arvesse kiirgusliikide erinevat mõju ja seda, milliseid organeid kiirgus mõjutab. Ameerika ühendriikides kasutatakse neeldunud doosi ühikut rad. 1 rad= 0,01 Gy.

Kiirguse mõju organismile kirjeldab paremini ekvivalentdoos, mille ühik on siivert (Sv). Ka siivert väljendab ühes kilogrammis neeldunud energiat džaulides, aga seda korrigeeritakse faktoriga Wr, mis arvestab kiirguse liikide eripära ja muid üksikasju. Ameerikas kasutatakse selle analoogi rem. 1 rem=0,01 Sv.

Mitmetest allikatest pärineb looduslik ja tänapäeval ka osaliselt kunstlik kiirgusfoon (joonis 2.9.9.). Elusolendid on tavalise kiirgusfooniga kohanenud, ohtlikuks saab see siis, kui mingi allikas annab ebatavaliselt suuri kiirgusdoose. Inimeste keskmine ekvivalentdoos looduslikest allikatest on 2,2 mSv aastas. Sellele lisandub umbes 20% kunstlikest allikatest, peamiselt meditsiiniuuringutest. Rahvusvahelised normid määravad, kui suur doos tohib kutsetööst või kohalikest tingimustest lisanduda keskmisele kiirgusfoonile. Näiteks täiskasvanud inimese kogu keha maksimaalne lubatud ekvivalentdoos töökohal ei toi ületada 100 mSv viie järjestikuse aasta jooksul või 50 mSv aastas. Surmavaks ühekordseks kiirgusdoosiks loetakse 3-5 Sv, kiiritushaiguse tekib 1-3 Sv.

Madame Curie (1867-1934)

Madame Curie, nagu teda tundis teaduskogukond, Marie Skłodowska-Curie, nagu ta ise oma nime kirjutas, oli Poola teadlane, kes töötas põhiliselt Prantsusmaal.

Maria Salomea Skłodowska oli pärit Varssavist, mis kuulus sellel ajal Vene impeeriumi alade hulka. Õpetajate pere, kus Maria oli noorim laps, elas poliitilistel ja majanduslikel põhjustel üsna keerulistes tingimustes. Maria lõpetas siiski gümnaasiumi kuldmedaliga, töötas koduõpetajana, õppis ise raamatute ja kirjavahetuse abil, osales põrandaaluse rahvusliku ülikooli õppetöös ja katsetas keemialaboratooriumis. Poolas oli sel ajal naistele kõrgharidus peaaegu kättesaamatu ja teaduskraadini jõudmine täiesti välistatud. 1891. aastal sõitis Maria (Prantsusmaal Marie) vanema õe eeskujul ja toetusel Pariisi, kus ta kitsaste olude kiuste õppides ja õpetades jõudis kiiresti kahe teadusliku kraadini. Samal ajal kohtus ta Pierre Curie’ga. Neid lähendas ühine teadushuvi ja maailmavaateline kooskõla. Marie oli siiski kindel, et ta pöördub kodumaale tagasi. 1894. aastal sõitis ta Varssavisse, et kohtuda perega ja leida seal tööd. Pierre oli samuti valmis Poolasse sõitma, oli valmis isegi loobuma oma õppetööst Pariisis. Kahjuks ei olnud Poolas midagi muutunud, Krakowi ülikool keeldus naisteadlast tööle võtmast ja Marie pöördus Pierre’i kutsel Pariisi tagasi. 1895. aastal registreeriti nende ilmalik abielu ja neist sai üks maailmakuulsamaid teadusperekondi. Tuntud teadlaseks kasvas ka nende 1897. aastal sündinud tütar Irène.

Pierre ja Marie Curie ühised teadushuvid keskendusid kiirgusele. Sajandivahetuse eel avastatud röntgenikiired ja radioaktiivsus pakkusid huvi paljudele teadlastele ja avastusi tuli ridamisi. Tugeva rahvusvahelise konkurentsi tingimustes avaldasid Curie’d mitukümmend teaduslikku artiklit nii koos kui ka eraldi. Paljud avastused tehti erinevates ülikoolides ja instituutides praktiliselt samal ajal ja kiire avaldamine hakkas muutuma üha tähtsamaks. Curie’d õppisid omavalmistatud seadmetega radiatsiooni mõõtma ja saanud aru, et uraanimaakides sisaldub teisigi radioaktiivseid elemente, eraldasid kahe uue elemendi ühendid. Elemendid nimetati polooniumiks ja raadiumiks. Hiljem õnnestus saada ka puhast metallilist raadiumi. 1903. aasta Nobeli preemia jagati erakordse panuse eest radiatsiooninähtuse uurimisse Pierre Curie, Marie Curie ja Henri Becquereli vahel. Marie on esimene naine, kes Nobeli preemia sai. Tegelikult lisati Marie nimi nominatsioonile Pierre’i otsese nõudmise peale hiljem.

Kuigi rahvusvaheline tunnustus oli suur, ei olnud töö Pariisis kuigi lihtne. Curie’del puudus korralik laboratoorium ja kuigi Pariisi ülikool oli lubanud sisustada sobivad ruumid, ei toimunud mitme aasta jooksul midagi. Stockholmi Nobeli preemiat vastu võtma jõudsid nad alles 1905. aastal. Põhjuseks toodi töökohustused, aga tegelikult sai üha selgemaks, et mõlema teadlase, eriti Pierre’i tervis on väga halb. Preemiaraha võimaldas neil esimest korda laborisse abilist palgata. Vahepeal sündis teine tütar, Ève. Marie jagas end teadustöö ja kodumurede vahel. Muu hulgas õpetas ta lastele poola keelt, saatis ja viis neid oma kodumaale igal võimalusel. Pidevaks probleemiks kujunesid Prantsuse ühiskonnas valitsevad meeleolud, see et Marie Curie oli välismaalane ja naine. Kui Curie’d Londonis Kuninglikku ühingut külastasid, esines ainult Pierre, naise ettekanne oleks olnud liiga järsk traditsioonide murdmine.

1906. aastal hukkus Pierre liiklusõnnetuses. Marie võttis vastu Pierre’i jaoks loodud füüsika õppetooli ja sai Pariisi ülikooli esimeseks naisprofessoriks. Lõpuks õnnestus tal luua korralik laboratoorium. Enamgi, Pariisi ülikooli ja Pasteuri instituudi koostöös sündis kuulus Raadiumi instituut, nüüdseks Curie instituut. Ometi ei valitud Marie Curie’d Prantsuse Teaduste Akadeemia liikmeks. Esimese naisena sai Prantsusmaal akadeemikuks üks tema doktorantidest alles 1962. aastal.

1911. aastal sai Marie Curie teise Nobeli preemia, seekord keemias, radioaktiivsete elementide avastamise ja nende ühendite ning omaduste uurimise eest. Isiklikus elus kujunes see aasta kohutavaks. Ajalehtede tormiliste süüdistuste hulka kuulusid juudi päritolule viitav neiupõlvenimi, Pierre’i teadussaavutuste enda nimele kirjutamine, romantilised suhted abielus kolleegiga, Prantsuse teadusmaine rikkumine jm. Paisuva ühiskondliku hüsteeria toel jõuti lausa isiklike rünnakuteni. Pärast Nobeli preemia vastuvõtmisel peetud kõnet ütles Marie tervis täiesti üles. Ta langes depressiooni ja viibis mõnda aega salastatud asukohaga haiglas. Veidi kosunud, veetis ta terve aasta Inglismaal hoolitseva sõbra juures, kes hoolega ajakirjanikke tõrjus. Laborisse ei pääsenud ta terve 1912. aasta jooksul. Samal ajal pakuti töökohta Varssavis, aga ta otsustas siiski pühenduda oma instituudile Pariisis. Kahjuks ei kestnud see pühendumine kaua, puhkes Esimene maailmasõda ja instituudi töö katkes pea täielikult 1919. aastani.

Sõja algul saatis Curie tütred Inglismaale ja asus ise õppima anatoomiat, radioloogiat ja automehaanikat. Eesmärk oli luua mobiilsed sõjaoludesse sobivad radioloogiaseadmed. Ta aitas sõjaväearstidel ehitada umbes 20 mobiilset röntgenaparaati ja paigaldada välihaiglatesse 200 radioloogiaseadet. Sõja ajal ei tegelenud ta teadustööga, aga kirjutas oma kogemustest sõjaolukorra radioloogiat käsitleva raamatu.

Pärast sõja lõppu töötas ta oma instituudis. Kuigi kuulsus ja kutsed paljudest ülikoolidest üldiselt häirisid ja pahandasid teda, reisis ta päris palju. Ameerikas sai koos tütardega reisiv Madame Curie väga populaarseks. Teisel Ameerika sõidul õnnestus tal hankida raadiumi Poolas asutatava instituudi jaoks. Varssavi Raadiumi instituut avati 1932. aastal. Seda asus juhtima Marie õde Bronisława, seesama, kelle juurde Pariisi ta sõitis 1891. aastal.

Marie Curie suri 66. eluaastal kiirgusest põhjustatud haigustesse. Selleks ajaks teati ioniseerivate kiirguste mõjust organismidele juba päris palju, kahju tervisele oli sündinud pikkade aastate jooksul, kui põnev uurimisteema kaalus üles alles aimatavad ohud. Tänapäeva arusaamade järgi töötati röntgenseadmete ja radioaktiivsete ainetega väga hooletult. Tema laboripäevikud ja isiklikud esemed on praegugi sel määral radioaktiivsed, et neid hoitakse arhiivis pliikattega karpides ja võetakse välja kaitseriietust kandes.

Mis sai raadiumitüdrukute kohtuasjast?

Raadiumühendeist helenduv värv oli 20. sajandi algul populaarne, nagu ka paljud muud raadiumi nimega kaubad. Esialgu ei aimanud ohtu keegi. Üks Rutherfordi kaastöötajatest avastas, et kui ta on pikemat aega radioaktiivsete ainetega töötanud, suudab ta pealehingamisega elektroskoobi maha laadida. See lõbustas ja rõõmustas laboris kõiki, sest tõestas radioaktiivsete gaaside olemasolu. Pierre ja Marie Curie kandsid uuritavaid preparaate taskus, hoidsid lauasahtlis ja öökapil. Raadiumi- ja röntgenikaupade populaarsuse haripunktis oli kiirguse toimest juba üht-teist teada. Oli juhuslikke avastusi, aga ka katsetulemusi ja päris selget statistikat.

Raadiumivärvidega töötanud naistest pöördus tervisekahjude hüvitamise nõudega kohtusse ainult viis. Paljud olid selleks ajaks surnud või lootusetult haiged. Siiski oli ka neid, kes töötasid ohtliku värviga lühemat aega ja nende tervis pidas kuidagi vastu, aga suure ettevõtte vastu kohut käia kardeti või peeti lootusetuks. Ajakirjanduse tähelepanu saatel kulgenud protsess näitas, et US Radium Corporation ei kavatsenud tõesti kergelt alla anda.

1928. aastal kaevati lahti 25. eluaastal surnud Amelia Maggia haud. Neli aastat oli ta raadiumvärviga kelladele helendavaid numbreid maalinud. Viimasel aastal jäi ta väga kõhnaks, väsis kiiresti ja liigesed valutasid. Ta kurtis arstidele, et liikudes tunneb end nagu väsinud vanainimene. Hambaarst avastas, et mitte ainul hambad ei lange välja, vaid ka lõualuu on muutunud pudedaks ja suu limaskest veritseb, väga palju surnud luukudet tuli eemaldada. 1923. aastal naine suri.
Hauast võetud luud puhastati ja töödeldi. Luudest lõigatud tükke ja pehmete kudede tuhka uuriti fotograafilisel meetodil, väga sarnaselt sellele, kuidas Henri Becquerel üle kolmekümne aasta varem radioaktiivsuse avastas. Röntgenipiltide tegemiseks kasutatav film pakiti musta paberisse. Proovid (ja võrdlusproovid laipadest, mis kuidagi ei saanud raadiumiga kokku puutuda) asetati paberile ja hoiti pimedas kümme päeva. Ilmutatud filmidelt oli näha, et mitu aastat tagasi lahkunud neiu luud on ikka veel tugevalt radioaktiivsed. See tõestas, et US Radium Corporationi juristide argumendid, nagu oleks raadiumimürgituse juhtum aegunud, mürgitamist enam ei toimu ja naised ei töötagi juba mitu aastat sel mürgisel tööl, ei pea vett. Raadium jääb organismi püsima ja kahjustab ohvrit seestpoolt pikki aastaid, isegi sadu aastaid. Raadiumi-226 poolestusaeg on 1600 aastat. Kohtuvaidluse ajal suri veel kolmteist raadiumvärviga töötanud naist ja ka kõigi elusolevate tervis halvenes järjest.

Raadiumitüdrukute kohtuasi lõppes kokkuleppega. Ettevõte soostus maksma kõigile tervisekahjude eest kompensatsiooni, määras iga-aastase toetuse ja lubas maksta kõik tervise- ja õiguskulud. Seda oli vähem kui raadiumivärvi ohvrid lootsid. Kuigi sellega ei olnud vaidlused ja kohtuasjad veel läbi, tuleb tunnistada, et teadusuuringud kiirguse biotoime alal said hoogu ja töötervishoid ning tööõigus muutusid tasapisi terves maailmas.

Kokkuvõtteks

Radioaktiivsus

Radioaktiivsus on mõnede aatomituumade iseenesliku lagunemise protsess. Lagunemisel eralduvad α-oskesed (heeliumi aatomituumas) ja β-osakesed (kiired elektronid) ja algne tuum muutub teise elemendi tuumaks. Radioaktiivne lagunemine on tõenäosusliku iseloomuga, ühe tuuma lagunemist ei ole võimalk ennustada.

Poolestusaeg

Radioaktiivse lagunemise kiirust iseloomustab poolestusaeg. Ühe poolestusajaga laguneb pool algsetest tuumadest. Järgmise poolestusajaga laguneb pool allesjäänutest, mitte allesjäänud pool.

Radiosüsiniku meetod materjalide vanuse määramiseks

Uurides looduslikes materjalides radioaktiivse lagunemise produktide sisaldust, saab teha järeldusi nende vanuse kohta. Näiteks uraani lagunemisel tekkivate plii isotoopide järgi võib arvutada kivimite moodustumise aega. Orgaaniliste materjalide (puidu, luude jm) vanust saab määrata radiosüsiniku (C-14) järgi.

Kiirguse mõju inimesele

Inimesed elavad pidevas kiirgusvoos, mis tuleb maakoorest, kosmosest ja tehismaterjalidest. Üks osa kiirgusest kannab ioniseeriva kiirguse nime. Ioniseeriva kiirguse toime tuleneb sellest, et kiirguskvandi või osakese energia on piisav aatomite ioniseerimiseks ja keemiliste sidemete lõhkumiseks. See võib tähendada rakkude hävimist või muutusi geneetilises koodis. Ülemäärase kiirgusohu vältimiseks tuleb järgida ohutusreegleid, mõõta kiirgusdoose ja järgida kiirgusnorme.

Küsimused

Kuidas töötab dosimeeter?
Kuidas mõõdetakse radioaktiivse kiirguse fooni?
Kuidas on võimalik jälgida üksiku osakese liikumist?
Kes võitis uute elementide sünteesi võidujooksu?
KüsimusedLisamaterjalid