«Ռադիոակտիվություն» հասկացությունը բավականին հաճախ է հանդիպում լուրերում։ Օրինակ՝ հավանաբար դրա մասին կարդացել ես միջուկային էներգիայի, Ֆուկուշիմայի միջուկային աղետի կամ միջուկային զենքերի արտադրության մասին քննարկումներում։ Սիրված ֆիլմերում այն նույնպես հանդիպում է․ շատ գերհերոսների ծագման պատճառը ճառագայթային ազդեցությունն է, կամ, օրինակ, Սարդ մարդու պարագայում՝ ռադիոակտիվ սարդի խայթոցը։ Բայց ի՞նչ է նշանակում լինել ռադիոակտիվ։

Ռադիոակտիվությունն իրականում ատոմի հատկություն է։ Ռադիոակտիվ ատոմներն անկայուն միջուկ ունեն և, ի վերջո, ենթաատոմային մասնիկներ են արձակում՝ անջատելով էներգիա, և այդ ճառագայթման շնորհիվ ավելի կայուն են դառնում։ Հաճախ տարրերը հանդիպում են և՛ ռադիոակտիվ, և՛ ոչ ռադիոակտիվ վիճակներում, որոնք իրարից տարբերվում են իրենցում առկա նեյտրոնների թվով։ Տարրերի այս տարատեսակները կոչվում են իզոտոպներ․ բնության մեջ հանդիպում են ռադիոակտիվ իզոտոպների փոքր քանակություններ։ Օրինակ՝ մթնոլորտում ածխածինը քիչ քանակությամբ գոյություն ունի որպես ռադիոակտիվ ածխածին-14, և բրածոներում ածխածին-14-ի քանակը թույլ է տալիս հնէաբաններին որոշել դրանց տարիքը։

Այս հոդվածում ավելի մանրամասն կդիտարկենք տարբեր ատոմներում պարունակվող ենթաատոմային մասնիկները, և թե ինչն է ռադիոակտիվ դարձնում իզոտոպը։

Յուրաքանչյուր տարրի ատոմներ պարունակում են բնութագրական թվով պրոտոններ։ Փաստացի, պրոտոնների թիվը որոշում է, թե որ ատոմն ենք տեսնում (օրինակ՝ 6 պրոտոն պարունակող բոլոր ատոմները ածխածնի ատոմներ են)․ ատոմում պրոտոնների թիվը կոչվում է ատոմային թիվ։ Ի հակադրություն սրա՝ տվյալ տարրի նեյտրոնների թիվը կարող է փոփոխվել։ Միևնույն քիմիական տարրի ատոմների տարատեսակները, որոնք տարբերվում են միայն նեյտրոնների թվով, կոչվում են իզոտոպներ։ Նեյտրոնների թիվը և պրոտոնների թիվը միասին որոշում են տարրի զանգվածային թիվը․ Զանգվածային թիվ = Պրոտոններ + Նեյտրոններ։ Եթե ուզում ես հաշվել, թե ատոմում քանի նեյտրոն կա, կարող ես պարզապես զանգվածային թվից հանել պրոտոնների թիվը կամ ատոմային թիվը։

Ատոմի զանգվածային թվի հետ սերտ կապված հատկություն է վերջինիս ատոմային զանգվածը։ Մեկ ատոմի ատոմային զանգվածը հենց ատոմի ընդհանուր զանգվածն է և սովորաբար արտահայտվում է զանգվածի ատոմային միավորով կամ ԶԱՄ-ով։ Ըստ սահմանման՝ 6 նեյտրոն պարունակող ածխածնի ատոմի՝ ածխածին-12-ի զանգվածը 12 ԶԱՄ է։ Մյուս ատոմները, սովորաբար, ամբողջական թվով արտահայտված ատոմային զանգվածներ չունեն․ պատճառն այս հոդվածի շրջանակից փոքր-ինչ դուրս է։ Ընդհանուր առմամբ, չնայած ատոմի ատոմային զանգվածը բավականին մոտ է իր զանգվածային թվին, այնուամենայնիվ, տասնորդական թվերի որոշ շեղումներ կլինեն։

Քանի որ տարրի իզոտոպներն ատոմային տարբեր զանգվածներ ունեն, գիտնականները տարրի համար առանձնացնում են հարաբերական ատոմային զանգված (հաճախ նաև՝ ատոմական կշիռ) հասկացությունը։ Տարրի հարաբերական ատոմային զանգվածը նմուշում եղած բոլոր տարբեր իզոտոպների ատոմային զանգվածների միջինն է, և յուրաքանչյուր իզոտոպի ներդրումն այս միջինի մեջ որոշիչ է՝ հաշվի առնելով, թե նմուշի որ մասն է կազմում տվյալ իզոտոպը։ Պարբերական համակարգի տարրերի հարաբերական ատոմային զանգվածները հաշվված են յուրաքանչուր տարրի՝ բնության մեջ հանդիպող իզոտոպների համար՝ ըստ Երկրի վրա դրանց տարածվածության, ինչպես, օրինակ՝ ստորև ներկայացված է ջրածնի համար։ Տիեզերական մարմինները, ինչպիսիք են աստղակերպերը կամ երկնաքարերը, իզոտոպային շատ տարբեր տարածվածություն կարող են ունենալ։

Ինչպես վերևում նշվեց, տարրի տարատեսակները, որոնք ունեն միևնույն թվով պրոտոններ, բայց տարբեր թվով նեյտրոններ, կոչվում են իզոտոպներ։ Շատ տարրեր, օրինակ՝ ածխածինը, կալիումը և ուրանը, բնության մեջ հանդիպող բազմաթիվ իզոտոպներ ունեն։ Ածխածին-12-ի չեզոք ատոմն ունի 6 պրոտոն, 6 նեյտրոն և 6 էլեկտրոն, հետևաբար վերջինիս ատոմային զանգվածը 12 է (վեց պրոտոն գումարած վեց էլեկտրոն)։ Ածխածին-14-ի չեզոք ատոմն ունի 6 պրոտոն, 8 նեյտրոն և 6 էլեկտրոն․ վերջինիս ատոմային զանգվածը 14 է (վեց պրոտոն գումարած ութ նեյտրոն)։ Ածխածնի այս երկու տարատեսակներն իզոտոպներ են։

Որոշ իզոտոպներ կայուն են, մինչդեռ մյուսները կարող են ենթաատոմային մասնիկներ արձակել՝ ավելի կայուն, ավելի ցածր էներգիական փոխդասավորության հասնելու համար։ Նման իզոտոպները կոչվում են ռադիոիզոտոպներ, իսկ այն գործընթացը, որն ուղեկցվում է էներգիայի ու մասնիկների արձակումով, կոչվում է տրոհում։ Ռադիոակտիվ տրոհման պատճառով կարող է միջուկում պրոտոնների թիվը փոխվել․ երբ դա տեղի է ունենում, ատոմի ինքնությունը փոխվում է (օրինակ՝ ածխածին-14-ը տրոհվում է ազոտ-14-ի)։

Ռադիոակտիվ տրոհումը պատահական, բայց էքսպոնենցիալ գործընթաց է, և իզոտոպի կիսատրոհման պարբերությունը այն ժամանակահատվածն է, որի ընթացքում նյութի կեսը տրոհվում է ուրիշ՝ ավելի կայուն արգասիքի։ Սկզբնական իզոտոպի հարաբերակցությունն իր տրոհման արգասիքին և կայուն իզոտոպների փոխվում է կանխատեսելի ձևով․ այս կանխատեսելիությունը թույլ է տալիս իզոտոպի հարաբերական տարածվածությունն օգտագործել որպես ժամացույց, որը չափում է ժամանակը՝ սկսած այն պահից, երբ իզոտոպը ներառվել է բրածոյի մեջ, մինչև ներկա ժամանակը։

Օրինակ՝ ածխածինը մթնոլորտում հիմնականում հանդիպում է գազերի տեսքով, ինչպիսին է ածխածնի երկօքսիդը, և այն գոյություն ունի իզոտոպային երեք ձևով՝ ածխածին-12 ու ածխածին-13, որոնք կայուն են, և ածխածին-14, որը ռադիոակտիվ է։ Ածխածնի այս ձևերը մթնոլորտում հանդիպում են հարաբերականորեն հաստատուն մասնաբաժիններով․ հիմնական մասը՝ ածխածին-12-ը՝ մոտ 99%, ածխածին-13-ը՝ մոտ 1%, և ածխածին-14-ը՝ չափազանց քիչ քանակությամբ${}^1$‍: Քանի որ բույսերը շաքարներ սինթեզելու համար կլանում են օդում եղած ածխաթթու գազը, բույսերի հյուսվածքներում ածխածին-14-ի հարաբերական քանակությունը հավասար է մթնոլորտում եղած ածխածին-14-ի կոնցենտրացիային։ Քանի որ կենդանիները բույսեր են ուտում կամ ուտում են այլ կենդանիների, որոնք սնվում են բույսերով, ապա նրանց օրգանիզմում ածխածին-14-ի կոնցենտրացիան նույնպես կհամապատասխանի մթնոլորտում եղած ածխածին-14-ի կոնցենտրացիային։ Երբ օրգանիզմը մահանում է, դադարում է ածխածին-14 վերցնել, որի արդյունքում այդ օրգանիզմի մնացորդներում, ինչպես, օրինակ՝ բրածո ոսկրերում, ածխածին-14-ի և ածխածին-12-ի հարաբերակցությունը նվազում է, քանի որ ածխածին-14-ը աստիճանաբար տրոհվում է ազոտ-14-ի${}^2$‍։

Մոտավորապես 5730 տարվա կիսատրոհման պարբերությունից հետո ի սկզբանե առկա ածխածին-14-ի կեսը վերածված կլինի ազոտ-14-ի։ Այս հատկությունը կարելի է օգտագործել՝ պարզելու նախկինում կենդանի նյութերի՝ հին ոսկրերի կամ փայտի տարիքը։ Համեմատելով որևէ նյութի մեջ եղած ածխածին-14-ի և ածխածին-12-ի կոնցենտրացիաների հարաբերակցությունը մթնոլորտում նույն հարաբերակցության հետ, որը հավասար է այդ առարկայի համար սկզբնական կոնցենտրացիային, կորոշենք դեռ չտրոհված իզոտոպի մասնաբաժինը։ Այս մասնաբաժնի հիման վրա կարելի է ճշգրիտ հաշվարկել նյութի տարիքը, եթե վերջինս մոտ 50000 տարեկանից հին չէ։ Մյուս տարրերն ունեն կիսատրոհման այլ պարբերություններով իզոտոպներ, հետևաբար դրանք կարող են տարիք որոշել տարբեր ժամանակացույցներով։ Օրինակ՝ կալիում-40-ի կիսատրոհման պարբերությունը 1,25 միլիարդ տարի է, իսկ ուրան-235-ինը՝ մոտ 700 միլիոն տարի, որն օգտագործվել է Լուսնի ապարների տարիքը որոշելու համար։