miniatura|Símbol internacional del perill de radioactivitat La radioactivitat (anomenada també desintegració nuclear o desintegració radioactiva) és un procés físic pel qual certes substàncies amb nuclis atòmics inestables, anomenats radionúclids, es transformen espontàniament en núclids diferents perdent energia en forma de raigs de partícules, de vegades acompanyats de raigs d'ones electromagnètiques, per tal d'assolir uns nuclis atòmics més estables i de menor massa, ja que al procés perden part d'ella per desintegració. Els raigs emesos s'anomenen, segons el cas, raigs alfa, raigs beta o raigs gamma, es consideren radiacions ionitzants i poden penetrar en cossos opacs, ionitzar l'aire, impressionar plaques fotogràfiques i excitar la fluorescència de certes substàncies.
La irradiació d'aquests a un organisme viu comporta efectes entre poc negatius i nefastos per a la seva salut, depenent de la quantitat de radioactivitat rebuda, del nombre d'exposicions, de la durada d'aquestes i dels tipus de raigs que la componen en cada cas. Pot ser generada per activitats humanes (generació d'electricitat, diagnòstics i tractaments mèdics, control de la qualitat de productes industrials, datació de restes arqueològiques, etc.), en aquest cas es diu radioactivitat artificial, encara que sigui idèntica a la generada a la natura (radioactivitat natural), i pot causar contaminació radioactiva de l'aire, de l'aigua o sobre superfícies (fixada o no). En aquest cas hi ha perill de radiotoxicitat pel fet de respirar-la o d'ingerir-la, en aigua contaminada o per haver entrat a la cadena alimentària. El 77% d'irradiació que reben els éssers humans prové d'origen natural mentre que el 23% restant és d'origen artificial, el 87% del qual és d'origen mèdic.
Els radionúclids naturals més freqüents a les roques terrestres són l'urani 238, el tori 232 i sobretot el potassi 40. El radó és un gas radioactiu que es forma a l'escorça terrestre i escapa a l'atmosfera, responsable del 52% de radioactivitat natural a què estan exposats els éssers humans. Alguns radionúclids molt utilitzats a l'activitat humana són, per exemple, l'urani 235 (centrals nuclears), el plutoni 239 (armes de destrucció massiva) i el carboni 14 (arqueologia).
La radioactivitat fou descoberta el 1896 pel científic francès Henri Becquerel, mentre treballava en materials fosforescents. Durant els experiments per veure si aquests materials fosforescents podien exposar a materials fotogràfics de paper negre, en la forma de la recentment descoberta radiografia, Becquerel va utilitzar una sal d'urani estucat. Però tots els experiments van resultar negatius i no impressionaven la placa tret d'aquells als que havia utilitzat sals d'urani. Aviat va quedar clar que la impressió de la placa no tenia res a veure amb la fosforescència perquè es produïa fins i tot sense que l'urani hagués estat exposat a la llum.
No s'ha de confondre la radioactivitat amb l'absorció i emissió de fotons per part d'algunes molècules, com per exemple el CO₂, ja que en aquest segon cas no canvia el nombre atòmic de cap núclid.
Etimologia El terme radioactivitat va ser inventat per Marie Curie cap al 1898. La paraula radioactiu prové del llatí. Els seus components lèxics són: radius, que vol dir raig, i agere, que significa moure cap a avant, dur a terme.
Història miniatura|Fosforescència després de rebre radioactivitatminiatura|Tub de raigs catòdicsminiatura|Placa fotogràfica, realitzada per Becquerel, mostrant efectes de l'exposició a la radioactivitat
L'any 1895 per Wilhelm Röntgen va descobrir els raigs x. Estudis posteriors de, entre d'altres, Becquerel, Rutherford, Fermi i sobretot Marie Curie van descobrir que la radioactivitat era força més complexa que els raigs X.
El 1896 Henri Becquerel, estudiant el fenomen de la fosforescència, va pensar que la radiació que es produïa als tubs de raigs catòdics en ser exposats als raigs X podia estar relacionada amb la fosforescència. Va experimentar a posar diferents substàncies fosforescents sobre una placa fotogràfica embolcallada en un paper negre, però tots els experiments van resultar negatius i no impressionaven la placa tret d'aquells als que havia utilitzat sals d'urani. Aviat va quedar clar que la impressió de la placa no tenia res a veure amb la fosforescència perquè es produïa fins i tot sense que l'urani hagués estat exposat a la llum. A més tots els composts d'urani impressionaven la placa, fins i tot els que no eren fosforescents i l'urani metàl·lic, havia de tractar-se d'una forma de radiació capaç de travessar el paper.
Ernest Rutherford fou el primer a adonar-se que totes les formes de desintegració segueixen aproximadament la mateixa fórmula exponencial. Es va trobar que un camp elèctric o magnètic separava les radiacions en tres feixos diferents, que van batejar com α, β i γ. La direcció de la desviació dels feixos mostrava que les partícules α transportaven una càrrega elèctrica positiva, les β una càrrega negativa i les γ eren neutres. D'altra banda la magnitud de la refracció indicava que les partícules α eren més massives que les β. Fent passar els raigs α per un tub de descàrrega i estudiant les línies espectrals produïdes s'arriba a la conclusió que la radiació alfa és formada per nucleons d'heli (He-4). D'altres experiències van permetre d'establir que la radiació beta és composta per electrons com les partícules emeses a un tub de raigs catòdics i que les radiacions gamma són com els raigs X, formades per fotons, radiació electromagnètica d'alta energia.
Tot i que les radiacions alfa, beta i gamma són els tipus de desintegració radioactiva més comuns, se'n van descobrir d'altres tipus. Poc després del descobriment del neutró el 1932, Enrico Fermi va trobar que algunes reaccions de desintegració emeten neutrons. D'altra banda, ocasionalment es va observar l'emissió de protons en alguns elements. Després del descobriment dels positrons als raigs còsmics es va trobar que el mateix procés es produïa a l'emissió beta, que podia produir emissió de positrons i de manera anàloga a la ja coneguda emissió d'electrons. Cadascun dels dos tipus d'emissió beta actua per tal de portar el nucli cap a una relació de neutrons i protons que tingui la mínima energia. Es van descobrir d'altres tipus de desintegració radioactiva que emetien partícules prèviament identificades però degudes a mecanismes diferents. En seria un exemple la conversió interna que produeix un electró i de vegades una emissió de fotons d'alta energia, fins i tot si no implica ni una emissió beta ni gamma.
Els primers investigadors també van descobrir que molts d'altres elements químics tenen isòtops radioactius. La cerca sistemàtica de les fonts de radiació al mineral d'urani van portar a Marie Curie, després de tractar algunes tones de pechblenda, una mena d'uraninita (òxid d'urani, UO₂), al descobriment d'un nou element, el poloni i a aconseguir aïllar alguns mil·ligrams de radi del bari, tots dos tenen unes propietats químiques similars, tots dos són metalls alcalinoterris que es diferencien per la radioactivitat del radi.
El perill de la radioactivitat i la radiació per a la salut no va ser reconegut immediatament. El 1896, Nikola Tesla va sotmetre voluntàriament els seus dits a una irradiació per raigs X constatant uns efectes aguts que consistien en cremades importants, però que ell va atribuir a la presència d'ozó, no als raigs X. D'altra banda, els efectes mutants de les radiacions, en especial el risc de càncer, no van ser descoberts fins al 1927 per Hermann Joseph Muller, que el 1946 rebria el Premi Nobel pels seus descobriments.
Descripció miniatura|Aquest diagrama mostra la constitució i poder de penetració de diferents radiacions ionitzants. Les partícules alfa són aturades per un full de paper mentre que per aturar les beta cal una placa d'alumini. Finalment, la radiació gamma és frenada per la matèria però calen quatre metres de plom per aturar-les
La radioactivitat és la manifestació de la inestabilitat que emet substàncies, de vegades amb fotons d'energia, perquè les energies d'enllaç internes no són prou fortes com per a mantenir-lo unit. D'aquesta manera assoleix sempre un estat més estable. Aquest canvi a l'estructura mateixa de l'àtom es fa per mitjà d'una reacció anomenada nuclear, que es diferencia d'una reacció química precisament en això, en què és el mateix àtom el que canvia i no només la distribució d'electrons entre nuclis.
En una mostra radioactiva, no tots els núclids emeten radioactivitat al mateix temps, sinó que ho van fent uns després d'altres, de manera aleatòria. No podem anticipar amb precisió quin núclid serà el següent a emetre radioactivitat però si es pot calcular quin percentatge d'ells ho farà en un interval de temps donat i, per tant, quanta radioactivitat total serà emesa per unitat de temps.
Aquest fenomen físic compleix la llei de què, en un procés espontani, a l'estat final no pot haver-hi menys entropia que a l'inici. Intuïtivament, podem entendre que dues partícules, una gran, i una emesa per radiació, separades formen un conjunt més "desordenat", és a dir, més entròpic, que una sola on tot està agrupat.
Cada àtom és format per un nucli atòmic, constituït per un cert nombre de neutrons, protons i d'electrons. Els protons i neutrons del nucli estan units per una energia d'enllaç nuclear, que si no és prou estable, cosa que pot ocórrer a nuclis pesants (molt grans), provoca que aquest nucli tendeixi a trencar-se, és a dir que alguns neutrons i protons se separen, en forma de radioactivitat alfa, mentre la resta del nucli assoleix un estat més estable. La força nuclear forta és la responsable principal de la cohesió del nucli atòmic i requereix la presència de neutrons per a manifestar-se. Els nuclis grans que tenen relativament pocs neutrons tenen llavors més tendència a la inestabilitat, que es manifesta en radioactivitat.
D'altra banda, els electrons estan lligats al nucli per mitjà de la força nuclear feble, que és la responsable de la radiació beta. Els protons, en ser carregats positivament, tendeixen a allunyar-se dels electrons, amb càrrega elèctrica negativa, a causa de la llei de Coulomb de tal manera que si la força nuclear feble no la compensa, el nucli tendeix espontàniament a allunyar-se d'un electró, cosa que es manifesta per mitjà de la radiació beta.
Tipus de radioactivitat miniatura|Origen natural o artificial?
La radioactivitat pot ser espontània, quan es produeix de manera natural (desintegració radioactiva), o induïda, quan és artificialment provocada (reacció nuclear), per exemple bombardejant neutrons contra un nucli. La radioactivitat provocada i controlada s'utilitza actualment per a algunes aplicacions tecnològiques. Tot i que la radioactivitat és idèntica en ambdós casos, es pot classificar en dos tipus segons si ha estat originada directament o indirecta pels humans (radioactivitat artificial) o no (radioactivitat natural).Xavier Ortega Aramburu. Radiaciones ionizantes: Utilización y riesgos I, Edicions UPC, 2009 (en castellà)
Des de la física, després de Curie, posteriors investigacions van identificar altres tipus d'emissions atòmiques i reaccions nuclears, com l'emissió de neutrons, l'emissió de protons, la captura electrònica o la fissió espontània entre d'altres. Des d'un punt de vista de les emissions i reaccions subatòmiques més generalitzat, es pot considerar la radioactivitat, o més precisament, cada un dels seus tipus, com a altres formes d'emissions: l'emissió alfa o de nuclis d'heli, l'emissió beta o d'electrons i l'emissió gamma o de fotons.
Processos radioactius miniatura|Les radioactivitats alfa, beta i gamma es poden separar fàcilment amb un camp elèctric perquè cadascuna té una càrrega elèctrica diferent.