El recorregut per la Física de Partícules

Ara ja saps algunes coses sobre els constituents fonamentals de la naturalesa i les quatre forces fonamentals que actuen en aquesta. Aquests coneixements poden traslladar-se al problema plantejat al principi sobre la radiació natural i artificial que ens envolta.

Tots els tipus de radiació tenen en comú que tenen una font a partir de la qual s'expandeixen en forma d'ona. Hi ha radiació electromagnètica, com per exemple la llum, o els raigs x i la radiació gamma, però també hi ha radiació de partícules, per exemple la radiació radioactiva alfa i beta, o també les partícules de la radiació còsmica. Quines són les fonts dels diferents tipus de radiació i com s'originen, s'explicarà ara a continuació.

La radiació radioactiva té unes propietats que han se ser explicades abans de tot.
L' abast de la radiació ens indica fins on pot propagar-se en l'aire, com a màxim, abans que reaccioni amb les molècules d'aquest i sigui així destruïda.
La capacitat de penetració dóna una idea de la distància que la radiació en qüestió pot penetrar en la matèria abans de perdre tota la seva energia. Aquesta propietat pot ser, per exemple, de gran importància per l'efecte biològic de la radiació. En funció de la capacitat de penetració, la radiació pot causar danys superficials o profunds en les cèl·lules vives.
La radiació radioactiva s'origina de maneres bastant diferents. Per això s'explicaran els diferents tipus en particular:

Radiació alfa

Per produir radiació alfa fa falta la desintegració alfa.
Hi ha varies substàncies, varis tipus d'àtoms, que tenen radioactivitat natural. Això significa que un nucli atòmic d'aquesta substància, per exemple el radi, es transforma de cop, sense cap influència externa, en el nucli atòmic d'un altre element, en el cas del radi, en radó. Es té doncs el que s'anomena un nucli mare i un nucli fill. En aquesta transformació el nucli mare perd dos neutrons i dos protons. Aquestes quatre partícules, que formen juntes un nucli d'heli, són ejectades com a radiació alfa. Com que el nombre de protons del nucli atòmic determina de quin element es tracta, el nucli mare de l'element inicial es transforma per desintegració alfa en el nucli fill, que pertany a un altre element.
La radiació alfa consta doncs de dos protons i dos neutrons, per la qual cosa és bastant pesada i i té un abast molt curt. En l'aire es pot propagar només 4-6 cm, i pot ser aturada per una fulla de paper, cosa que mostra una baixa capacitat de penetració.
Com que aquestes partícules tenen moltíssima energia, quan incideixen sobre una persona, no poden penetrar molt profundament, però per això mateix sí poden fer molt mal a les cèl·lules de la superfície.

Radiació beta

En el cas de la radiació beta també hi ha una transformació de nuclis atòmics, de manera natural i sense excitació externa.
Això passa a través de l'anomenada desintegració beta, en la que també hi ha nucli mare i nucli fill. La transformació té lloc a l'interior del nucli mare: un neutró d'aquest es converteix en un protó i un electró. Per conservació de l'energia, també apareix sempre un neutrí. L'electró i el neutrí abandonen el nucli, mentre que el protó s'hi queda. Així doncs, augmenta el nombre de protons del nucli, de manera que es té un nucli atòmic nou.
La desintegració beta també es pot explicar a partir de la física de partícules: un neutró es transforma en un protó i un W^- per desintegració feble, i el W^- es torna a descompondre en un electró i un anti-neutrí electrònic.

(u,d,d) ---> (u,u,d) + W^-

W^- ---> e- +

Per saber més detalls de la desintegració beta, pots consultar un altre cop la pàgina Interacció feble.
L'electró emès constitueix la radiació beta. Té un abast de varis metres i una gran capacitat de penetració. Pot travessar sense problemes una fulla de paper, a diferència de la radiació alfa; per aturar-la cal, com a mínim, una capa d'alumini de 3mm de gruix. Aquesta capacitat de penetració relativament gran té com a conseqüència que la radiació beta pugui penetrar bastant profundament en els teixits, alliberant energia al llarg de tot el seu recorregut, energia que és absorbida pels teixits. Aquesta energia pot provocar canvis biològics, i causar danys importants.

Radiació gamma

La radiació gamma també és una radiació natural. En aquest cas, però, els nuclis atòmics no varien, sinó que només emeten energia. Aquesta energia abandona el nucli en forma de fotons, que constitueixen la radiació gamma.
La radiació gamma té un abast pràcticament infinit, només que al llarg del seu recorregut per l'aire va perdent cada cop més energia. Té una capacitat de penetració molt gran i no es pot apantallar ni tant sols amb plaques d'alumini o plom. La radiació gamma pot penetrar molt profundament els teixits vius i causar danys molt greus.

• Al llarg del seu recorregut a través de la matèria perd energia cinètica. Pel que fa a això, la radiació alfa la perd especialment ràpid, i la radiació gamma especialment a poc a poc. Aquesta energia cinètica és cedida a la matèria de l'entorn. En els teixits humans pot provocar transformacions importants, la qual cosa fa que la radiació radioactiva en grans quantitats sigui tan danyina per les persones.
  
  
• Com més gran és la distància a la font de radiació radioactiva, més dèbil és la radiació. La intensitat de la radiació disminueix com la distància al quadrat.
  
  
• El tipus de radiació radioactiva depèn del preparat radioactiu del qual prové.
  
  
• La radiació radioactiva es debilita més com més gruixuda és la placa que ha de penetrar.
  
  
• La radiació radioactiva existeix a la naturalesa, de manera que sempre està al nostre voltant. Ve de les parets de les cases, del terra i dels raigs còsmics. Les persones, per tant, sempre estan exposades a una determinada dosis de radiació radioactiva, la qual es pot suportar sense danys.

Per saber més sobre els tipus de danys biològics per radiació radioactiva, pots anar a la pàgina Danys per radiació.

La radiació x està constituïda, igual que la radiació gamma, per fotons, tot i que es produeix d'una altra manera. S'origina quan partícules carregades elèctricament accelerades, com . electrons, es troben amb matèria i són frenades de cop. Llavors d'allibera una gran quantitat d'energia en forma de fotons, és a dir, de raigs x. Aquesta radiació x té una longitud d'ona molt curta i per aquest motiu té una gran capacitat de penetració. Com més curta és la longitud d'ona, més gran la capacitat de penetració. En medicina s'utilitza per fer radiografies.

Vet aquí un enllaç a la pàgina "Physics 2000", amb més detalls sobre raigs x, per si es vol consultar: http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl

La radiació còsmica està formada en un percentatge molt elevat per protons creats en algun lloc de l'Univers. També hi ha neutrins, que es propaguen ininterroumpudament i quan arriben a la Terra, gairebé tots la travessen sense cap impediment. Els neutrins es formen, per exemple, en el Sol, a través de reaccions nuclears en què dos nuclis d'hidrogen es transformen en un nucli d'heli.
Quan els protons de l'espai es troben amb l'atmosfera terrestre, comença una reacció en cadena, que inclou un munt de reaccions, algunes de les quals es mencionen a continuació.

Pot tenir lloc una desintegració forta d'un protó, que es transforma en un neutró i un pió:

Per la seva banda, el pió es desintegra per interacció feble donant lloc a un muó i un neutrí. Si enlloc d'un pió es té un anti-pió, aquest es transforma en un anti-muó i un neutrí:

El pió neutre es desintegra de manera diferent als seus anàlegs carregats. També es forma a partir dels protons de l'espai, però ja a l'atmosfera superior es desintegra en dos fotons, alguns dels quals es desintegren donant lloc a parelles electró-positró. Aquí es tracta d'una desintegració electromagnètica. Per tant els pions neutres provoquen l'aparició de cascades molt energètiques de fotons, positrons i electrons, que després arriben a la Terra:

Els muons es desintegren per interacció feble donant lloc a dos neutrins i un electró o un positró:

Totes les partícules que tenen el seu origen en el protó s'anomene partícules secundàries, mentre que els protons i els neutrins provinents directament de l'espai s'anomenen partícules primàries.
La radiació còsmica en conjunt està formada doncs de radiació de partícules. A la superfície terrestre només arriben normalment els muons i els diferents neutrins. Els neutrins, tot i que arriben a la superfície de la Terra en grans quantitats, rarament es desintegren o reaccionen amb la matèria, i són per tant pràcticament indetectables, però els muons es poden detectar més fàcilment.