Olemme radioaktiivisuuden löytämisen velkaa huonolle säälle. Ranskalainen fyysikko Henri Becquerel yritti tutkia fluoresenssia, ilmiötä, jossa tietyt materiaalit hehkuvat, kun ne altistuvat auringonvalolle, mutta pilviset päivät haittasivat hänen kokeitaan, ja niinpä hän kietoi fluoresoivia uraanisuolojaan kankaaseen ja jätti ne vetolaatikkoon yhdessä valokuvauslevyn ja kupariristin kanssa. Tämä yksinkertainen sattuma paljasti vuonna 1896 radioaktiivisuuden, ilmiön, joka avasi ikkunan subatomiseen maailmaan ja käynnisti ydinvallankumouksen.
Radioaktiivisuuden ymmärtäminen
Kun hän lopulta haki suolat, Becquerel huomasi, että valokuvauslevylle oli ilmestynyt ristin kuva – vaikka suolat eivät olleet altistuneet valolle.
”Olen nyt vakuuttunut siitä, että uraanisuolat tuottavat näkymätöntä säteilyä silloinkin, kun niitä on pidetty pimeässä”
”Olen nyt vakuuttunut siitä, että uraanisuolat tuottavat näkymätöntä säteilyä silloinkin, kun niitä on pidetty pimeässä”
, Becquerel kirjoitti jatkokokeiden jälkeen.
Becquerelin tohtoriopiskelija Marie Curie tutki asiaa miehensä Pierren kanssa, ja he ymmärsivät, ettei ilmiöllä ollut mitään tekemistä fluoresenssin kanssa, vaan he havaitsivat, että tietyt materiaalit säteilevät luonnostaan jatkuvaa energiavirtaa. He keksivät termin ”radioaktiivisuus” ja löysivät myös kaksi uutta radioaktiivista ainetta: poloniumin ja radiumin. Tästä syvällisestä ja jännittävästä työstä Becquerel ja Curiet saivat Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1903.
Fyysikot Ernest Rutherford ja Frederick Soddy syvenivät vielä syvemmälle ja havaitsivat, että pienet ainemäärät sisältävät valtavia energiavarastoja. He tajusivat myös, että radioaktiivisessa hajoamisprosessissa yksi alkuaine voi muuttua toiseksi – uraaniatomi voi muuttua (muutaman välivaiheen kautta) lyijyatomiksi.
Ympäri maailmaa ihmiset olettivat, että nämä ihmeellisen energiset aineet voitaisiin ottaa hyötykäyttöön. Vielä 1920-luvulle asti monet laksatiivien ja hammastahnan valmistajat lisäsivät tuotteisiinsa ylpeänä radioaktiivista toriumia, ja radioaktiiviset aineet kiellettiin kuluttajatuotteissa Yhdysvalloissa vasta vuonna 1938.
Miten radioaktiivisuus toimii?
Tänään meillä on paljon kattavampi käsitys siitä, mitä radioaktiivisuus on, miten se voi olla vaarallista ja miten voimme käyttää sitä.
Tässä on perusluettelo: Kuvittele atomi, joka koostuu elektronipilvestä keskeisen ytimen ympärillä, jossa neutroneiksi ja protoneiksi kutsutut hiukkaset ovat ahtautuneet yhteen. Jotkin protonien ja neutronien järjestelyt ovat vakaampia kuin toiset; jos neutroneita on liikaa verrattuna protoneihin, ytimestä tulee epävakaa ja se hajoaa. Tämä hajoaminen vapauttaa ydinsäteilyä alfahiukkasten, beetahiukkasten ja gammasäteilyn muodossa.
Alfahiukkanen kuljettaa mukanaan kaksi protonia ja kaksi neutronia, ja koska alkuaine määräytyy sen protonien lukumäärän mukaan, emoatomista tulee alfahiukkasen emittoituessa kokonaan uusi alkuaine. Beetahajoamisessa neutroni muuttuu yhdeksi protoniksi ja yhdeksi elektroniksi, ja elektroni lentää pois jättäen jälkeensä ylimääräisen protonin ja muodostaen jälleen uuden alkuaineen atomin. Kumman tahansa edellä mainitun hiukkasen ohella hajoavat ytimet voivat tuottaa myös gammasäteilyä: suurienergistä sähkömagneettista säteilyä.
Mitkä ovat terveysvaikutukset?
Kuten Becquerel ja Curiet havaitsivat, radioaktiivisuus on luonnossa esiintyvä ilmiö. Monet maapallon mineraalit säteilevät hitaasti ja tasaisesti, hengittämämme ilma sisältää radioaktiivisia kaasuja, ja jopa elintarvikkeet ja kehomme sisältävät pienen prosenttiosuuden radioaktiivisia atomeja, kuten kalium-40:tä ja hiili-14:tä. Maapallo saa säteilyä myös Auringosta ja korkeaenergisinä kosmisina säteinä. Nämä lähteet aiheuttavat luonnollisen mutta väistämättömän taustasäteilyn tason. Monet keinotekoiset lähteet lisäävät tätä, kuten lääketieteelliset toimenpiteet, kuten röntgensäteet, savunilmaisimet, rakennusmateriaalit ja palavat polttoaineet.
Meille ei yleensä aiheudu haittaa matalista taustasäteilylähteistä, sillä haittojen laajuus riippuu altistumisen pituudesta ja tasosta. Säteily voi vahingoittaa elimistön sisäistä kemiaa, rikkoa kudoksemme kemiallisia sidoksia, tappaa soluja ja vahingoittaa DNA:ta, mikä voi johtaa syöpään. Hyvin suurina annoksina säteily voi aiheuttaa sairauden ja kuoleman muutamassa tunnissa.
Ydinvoiman valjastaminen
Radioaktiivisuuden vaikutukset ovat tuntuneet vielä suuremmassa mittakaavassa ydinvoimaloiden sulamisissa kautta historian. Radioaktiivista fissioprosessia on valjastettu useiden vuosikymmenien ajan sähköntuotantoon: atomin ydin halkeaa, jolloin syntyy vähintään kaksi ”tytärydintä” ja energiaa vapautuu lämpönä. Lämpöä käytetään veden kiehuttamiseen ja höyryn tuottamiseen, mikä pyörittää turbiinia ja tuottaa sähköä. Valitettavasti tämä ei ole puhdas prosessi – se tuottaa radioaktiivista jätettä, jota on vaikea hävittää turvallisesti, ja ääritapauksissa reaktiot voivat riistäytyä käsistä, kuten maanjäristyksen aiheuttama katastrofi Fukushima Daiichin ydinvoimalassa vuonna 2011.
Toinen radioaktiivinen prosessi voisi tarjota turvallisen tavan tuottaa puhdasta energiaa: fuusio. Toisin kuin fissiossa, fuusiossa kaksi atomiydintä liitetään yhteen. Tämäkin prosessi vapauttaa energiaa – se on täsmälleen sama prosessi, joka tapahtuu Auringossa ja muissa tähdissä – mutta fuusio vaatii äärimmäisen korkeita lämpötiloja ja paineita, jotka ovat kalliita ja joita on vaikea luoda uudelleen maapallolla.
Pitkä tie edessä
Becquerel kuoli 12 vuotta ensimmäisen löytönsä jälkeen 54-vuotiaana palovammoihin ja arpiin, jotka johtuivat todennäköisesti radioaktiivisten aineiden käsittelystä, ja Marie Curie kuoli useita vuosikymmeniä myöhemmin leukemiaan. Todennäköisesti säteily tappoi hitaasti myös Pierre Curien, vaikka sitä on vaikea tietää, sillä hän jäi kuolettavasti vaunujen alle vuonna 1906.
Tänä päivänä parempi ymmärryksemme radioaktiivisuudesta antaa meille mahdollisuuden käyttää sitä paljon turvallisemmin. Radioaktiivisten aineiden kanssa tapahtuvat onnettomuudet ovat vähentyneet ja aiheuttavat vähemmän kuolemantapauksia tiukkojen turvatoimien ja perusteellisten hätätilannetoimien ansiosta. Fukushiman viimeisimmässä ydinkatastrofissa ei kuollut yhtään ihmistä säteilylle altistumisen seurauksena – mutta vielä on pitkä matka siihen, että voimme turvallisesti valjastaa radioaktiivisuuden valtavan raa’an voiman.