المشعةهي كلمة ليست مفهومة جيدًا. غارقة في الخوف وتبدو غريبة وخطيرة بطبيعتها ، فإن طبيعة الاضمحلال الإشعاعي هي شيء يستحق التعلم عما إذا كنت طالب فيزياء أو مجرد شخص عادي مهتم.
الحقيقة هي أن النشاط الإشعاعي يصف بشكل أساسي التفاعلات النووية التي تؤدي إلى تغيير في العدد الذري للعنصر و / أو إطلاق إشعاع غاما. إنه خطير بكميات كبيرة لأن الإشعاع المنطلق "مؤين" (أي أنه يحتوي على طاقة كافية لتجريد الإلكترونات من الذرات) لكنها ظاهرة فيزيائية مثيرة للاهتمام وفي الممارسة العملية ، لن يتواجد معظم الناس أبدًا حول المواد المشعة بما يكفي ليكونوا في خطر.
يمكن أن تحقق النوى حالة طاقة أقل عن طريق الاندماج - وهو عندما تندمج نواتان معًا لتكوين نواة أثقل النواة ، تطلق الطاقة في العملية - أو عن طريق الانشطار ، وهو انقسام العناصر الثقيلة إلى أخف منها. الانشطار هو مصدر الطاقة في المفاعلات النووية ، وكذلك في الأسلحة النووية ، وهذا على وجه الخصوص ما يتخيله معظم الناس عندما يفكرون في النشاط الإشعاعي. ولكن في معظم الأوقات ، عندما تتغير النوى إلى حالة طاقة أقل في الطبيعة ، فإن ذلك يرجع إلى الاضمحلال الإشعاعي.
هناك ثلاثة أنواع من التحلل الإشعاعي: تسوس ألفا ، واضمحلال بيتا ، واضمحلال جاما ، على الرغم من أن تحلل بيتا في حد ذاته يأتي في ثلاثة أنواع مختلفة. يعد التعرف على هذه الأشكال من الاضمحلال النووي جزءًا مهمًا من أي دورة في الفيزياء النووية.
تسوس ألفا
يحدث تحلل ألفا عندما تصدر نواة ما يسمى "جسيم ألفا" (جسيم ألفا). جسيم ألفا هو مزيج من بروتونين ونيوترونين ، إذا كنت تعرف جدولك الدوري فسوف تتعرف على أنها نواة هيليوم.
هذه العملية سهلة الفهم إلى حد ما من حيث كتلة وخصائص الذرة الناتجة: تفقد أربعة منها عدد كتلته (اثنان من البروتونات واثنان من الإلكترونات) واثنان من العدد الذري (من البروتونين ضائع). هذا يعني أن الذرة الأصلية (أي النواة "الأم") تصبح عنصرًا مختلفًا (بناءً على النواة "الابنة") بعد خضوعها لاضمحلال ألفا.
عند حساب الطاقة المنبعثة في اضمحلال ألفا ، تحتاج إلى طرح كتلة نواة الهليوم و ذرة الابنة من كتلة الذرة الأم ، وتحويلها إلى قيمة طاقة باستخدام مشهور أينشتاين معادلةه = مولودية2. عادة ما يكون من الأسهل إجراء هذا الحساب إذا كنت تعمل بوحدات الكتلة الذرية (amu) وضربت الكتلة المفقودة في العاملج2 = 931.494 إلكترون فولت / وحدة. هذا يعيد قيمة الطاقة في MeV (أي ميغا إلكترون فولت) ، مع إلكترون فولت يساوي 1.602 × 10−9 جول ووحدة أكثر ملاءمة بشكل عام للعمل في الطاقات على المستوى الذري.
تسوس بيتا: تسوس بيتا بلس (انبعاث البوزيترون)
نظرًا لأن تسوس بيتا يحتوي على ثلاثة أنواع مختلفة ، فمن المفيد التعرف على كل نوع على حدة ، على الرغم من وجود الكثير من أوجه التشابه بينهما. يحدث اضمحلال بيتا بلس عندما يتحول البروتون إلى نيوترون ، مع إطلاق جسيم بيتا زائد (أي ، جسيم + +) جنبًا إلى جنب مع جسيم غير مشحون ، شبه عديم الكتلة يسمى نيوترينو. نتيجة لهذه العملية ، ستحتوي ذرة الابنة على بروتون واحد أقل ونيوترون واحد أكثر من الذرة الأم ، ولكن نفس العدد الكلي للكتلة.
يسمى جسيم بيتا زائد بالبوزيترون ، وهو جسيم المادة المضادة المقابل للإلكترون. لها شحنة موجبة بنفس حجم الشحنة السالبة على الإلكترون ، ونفس كتلة الإلكترون. يطلق على النيوترينو المنطلق تقنيًا اسم إلكترون نيوترينو. لاحظ أنه يتم إطلاق جسيم واحد من المادة العادية وجسيم واحد من المادة المضادة في هذه العملية.
يعد حساب الطاقة المنبعثة في عملية الانحلال هذه أكثر تعقيدًا قليلاً من حساب أشكال أخرى من الاضمحلال ، لأن كتلة الذرة الأم ستتضمن كتلة إلكترون واحد أكثر من كتلة ذرة الابنة كتلة. علاوة على ذلك ، عليك أيضًا طرح كتلة الجسيم + المنبعثة في هذه العملية. في الأساس ، عليك أن تطرح كتلة الجسيم البنت واثنينالإلكترونات من كتلة الجسيم الأصل ، ثم تتحول إلى طاقة كما كان من قبل. النيوترينو صغير جدًا بحيث يمكن إهماله بأمان.
تسوس بيتا: تسوس بيتا ناقص
إن تحلل بيتا ناقص هو في الأساس العملية المعاكسة لانحلال بيتا زائد ، حيث يتحول النيوترون إلى بروتون ، يطلق جسيم بيتا ناقص (a جسيم) وإلكترون مضاد نيترينو في عملية. بسبب هذه العملية ، ستحتوي ذرة الابنة على نيوترون واحد أقل وبروتون واحد أكثر من الذرة الأم.
الجسيم هو في الواقع إلكترون ، لكن له اسمًا مختلفًا في هذا السياق لأنه عندما تم اكتشاف انبعاث بيتا للتحلل لأول مرة ، لم يكن أحد يعرف ما هو الجسيم في الواقع. بالإضافة إلى ذلك ، يعد وصفها بجزيئات بيتا أمرًا مفيدًا لأنه يذكرك بأنها تأتي من عملية تحلل بيتا ، ويمكن أن تكون مفيدة عندما تكون محاولة تذكر ما يحدث في كل منها - يتم إطلاق جسيم بيتا الإيجابي في تحلل بيتا زائد ويتم إطلاق جسيم بيتا السالب في بيتا ناقص تسوس. في هذه الحالة ، على الرغم من ذلك ، فإن النيوترينو عبارة عن جسيم من المادة المضادة ، ولكن مرة أخرى ، يتم إطلاق مادة مضادة واحدة وجسيم مادة عادي في هذه العملية.
يعد حساب الطاقة المنبعثة في هذا النوع من تحلل بيتا أبسط قليلاً ، لأن الإلكترون الإضافي الذي تمتلكه ذرة الابنة يتم إلغاؤه مع الإلكترون المفقود في انبعاث بيتا. هذا يعني أن لحساب ∆م، يمكنك ببساطة طرح كتلة ذرة الابنة من كتلة الذرة الأم ثم الضرب في مربع سرعة الضوء (ج2) ، كما كان من قبل ، معبرًا عنه في ميغا إلكترون فولت لكل وحدة كتلة ذرية.
تسوس بيتا - التقاط الإلكترون
النوع الأخير من تحلل بيتا مختلف تمامًا عن النوعين الأولين. في التقاط الإلكترون ، "يمتص" البروتون إلكترونًا ويتحول إلى نيوترون ، مع إطلاق إلكترون نيوترينو. هذا يقلل بالتالي من العدد الذري (أي عدد البروتونات) بمقدار واحد ويزيد عدد النيوترونات بمقدار واحد.
قد يبدو هذا وكأنه ينتهك النمط حتى الآن ، مع انبعاث مادة واحدة وجسيم واحد من المادة المضادة ، لكنه يعطي تلميحًا للسبب الفعلي لهذا التوازن. يتم الاحتفاظ بـ "رقم ليبتون" (الذي يمكنك التفكير فيه على أنه رقم "عائلة إلكترون") ، ويتم الاحتفاظ بإلكترون أو يحتوي نيوترينو الإلكترون على عدد ليبتون 1 ، بينما يحتوي البوزيترون أو الإلكترون المضاد للنوترينو على عدد ليبتون من −1.
يجب أن تكون قادرًا على رؤية أن جميع العمليات الأخرى تحقق ذلك بسهولة. بالنسبة لالتقاط الإلكترون ، يتناقص عدد اللبتون بمقدار 1 عند التقاط الإلكترون ، ومن أجل موازنة ذلك ، يجب أن ينبعث جسيم برقم ليبتون 1.
يعد حساب الطاقة المنبعثة من التقاط الإلكترون أمرًا بسيطًا: لأن الإلكترون يأتي من الذرة الأم ، لا داعي للقلق بشأن حساب الاختلاف في عدد الإلكترونات بين الوالد والابنة ذرات. تجد ∆مبمجرد طرح كتلة ذرة الابنة من كتلة الذرة الأم. سيُكتب التعبير الخاص بالعملية عمومًا بالإلكترون على الجانب الأيسر ، لكن القاعدة البسيطة تذكرك أن هذا في الواقع جزء من الذرة الأم من حيث الكتلة.
جاما اضمحلال
يتضمن تحلل جاما انبعاث فوتون عالي الطاقة (إشعاع كهرومغناطيسي) ، لكن عدد البروتونات والنيوترونات في الذرة لا يتغير نتيجة لهذه العملية. إنه مشابه لانبعاث الفوتون عندما ينتقل الإلكترون من حالة طاقة أعلى إلى حالة طاقة أقل ، لكن الانتقال في هذه الحالة يحدث في نواة الذرة.
تمامًا كما في الحالة المماثلة ، تتم موازنة الانتقال من حالة طاقة أعلى إلى حالة طاقة أقل بانبعاث فوتون. هذه طاقات تزيد عن 10 كيلو إلكترون فولت وتسمى عمومًا أشعة جاما ، على الرغم من أن التعريف ليس صارمًا حقًا (نطاق الطاقة يتداخل مع الأشعة السينية ، على سبيل المثال).
يمكن لانبعاثات ألفا أو بيتا أن تترك النواة في حالة مثارة ذات طاقة أعلى ، والطاقة المنبعثة نتيجة لهذه العمليات تتم في شكل أشعة جاما. ومع ذلك ، يمكن أن تنتهي النواة أيضًا في حالة طاقة أعلى بعد اصطدامها بنواة أخرى أو اصطدامها بنيوترون. النتيجة في جميع الحالات هي نفسها: تسقط النواة من حالتها المثارة إلى حالة طاقة أقل وتطلق أشعة غاما في هذه العملية.
أمثلة على الاضمحلال الإشعاعي - اليورانيوم
يتحلل اليورانيوم 238 إلى الثوريوم 234 مع إطلاق جسيم ألفا (أي نواة الهليوم) ، وهذا أحد أشهر الأمثلة على التحلل الإشعاعي. يمكن تمثيل العملية على النحو التالي:
^ {238} \ text {U} \ to \؛ ^ {234} \ text {Th} + \؛ ^ 4 \ text {He}
من أجل حساب مقدار الطاقة المنبعثة في هذه العملية ، ستحتاج إلى الكتل الذرية: 238U = 238.05079 amu ، 234ث = 234.04363 وحدة دولية و 4He = 4.00260 amu ، مع التعبير عن جميع الكتل بوحدات الكتلة الذرية. الآن لمعرفة مقدار الطاقة المنبعثة في هذه العملية ، كل ما عليك فعله هو إيجاد findمبطرح كتل المنتجات من كتلة الذرة الأصلية ، ثم احسب كمية الطاقة التي يمثلها هذا.
\ start {align} ∆m & = \ text {(mass of parent)} - \ text {(mass of products)} \\ & = 238.05079 \ text {amu} - 234.04363 \ text {amu} - 4.00260 \ text {amu} \\ & = 0.00456 \ text {amu} \\ E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00456 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 4.25 \ text {MeV} \ نهاية {محاذاة}
مثال التحلل الإشعاعي متعدد الخطوات
غالبًا ما يحدث التحلل الإشعاعي في سلاسل ، مع خطوات متعددة بين نقطة البداية والنقطة الأخيرة. سلاسل الاضمحلال هذه طويلة وتتطلب العديد من الخطوات لحساب كمية الطاقة التي يتم إطلاقها في العملية برمتها ، لكن أخذ قطعة من إحدى هذه السلسلة يوضح النهج.
إذا نظرت إلى سلسلة اضمحلال الثوريوم 232 ، بالقرب من نهاية السلسلة ، نواة غير مستقرة (أي ذرة من نظير غير مستقر ، مع نصف عمر قصير) للبزموت 212 يخضع لاضمحلال بيتا ناقص إلى بولونيوم 212 ، والذي يخضع بعد ذلك لاضمحلال ألفا إلى الرصاص 208 ، وهو مستقر النظير. يمكنك حساب الطاقة المنبعثة في هذه العملية عن طريق أخذها خطوة بخطوة.
أولاً ، اضمحلال بيتا ناقص من البزموت 212 (م= 211.99129 amu) كم يساوي بولونيوم -212 (م= 211.98887 amu) يعطي:
\ start {align} ∆m & = \ text {(mass of parent)} - \ text {(mass of daughter)} \\ & = 211.99129 \ text {amu} - 211.98887 \ text {amu} \\ & = 0.00242 \ text {amu} \ end {align}
تذكر أن التغيير في أعداد الإلكترونات يلغي في بيتا ناقص الاضمحلال. التي تطلق:
\ start {align} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00242 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 2.25 \ text {MeV} \ end {align}
المرحلة التالية هي تحلل ألفا من البولونيوم 212 إلى الرصاص 208 (م= 207.97665 amu) ونواة هيليوم واحدة.
\ start {align} ∆m & = \ text {(mass of parent)} - \ text {(mass of products)} \\ & = 211.98887 \ text {amu} - 207.97665 \ text {amu} - 4.00260 \ text { amu} \\ & = 0.00962 \ text {amu} \ end {align}
والطاقة هي:
\ start {align} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00962 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 8.96 \ text {MeV} \ end {align}
في المجموع ، هناك 2.25 MeV + 8.96 MeV = 11.21 MeV من الطاقة المنبعثة في هذه العملية. بالطبع ، إذا كنت حريصًا (بما في ذلك جسيم ألفا والإلكترونات الإضافية إذا تضمنت عمليتك تحلل بيتا زائد) ، فأنت يمكن حساب الفرق في الكتلة في خطوة واحدة ثم التحويل ، لكن هذه الطريقة تخبرك بالطاقة المنبعثة عند كل خطوة المسرح.