Видове радиоактивен разпад: Алфа, Бета, Гама

​Радиоактивене дума, която не е толкова добре разбрана. Потънал в страх и по своята същност изглеждащ извънземен и опасен, естеството на радиоактивния разпад е нещо, което си струва да научите дали сте студент по физика или просто заинтересован лаик.

Реалността е, че радиоактивността по същество описва ядрени реакции, които водят до промяна в атомния номер на елемент и / или освобождаване на гама-лъчение. Опасно е в големи количества, тъй като излъченото лъчение е „йонизиращо“ (т.е. има достатъчно енергия, за да отнеме електроните от атомите) но това е интересно физическо явление и на практика повечето хора никога няма да са около радиоактивните материали, за да бъдат изложени на риск.

Ядрата могат да постигнат по-ниско енергийно състояние чрез синтез - когато две ядра се сливат, за да създадат по-тежко ядро, освобождавайки енергия в процеса - или чрез делене, което е разделяне на тежките елементи на по-леки нечий. Делението е източникът на енергия в ядрените реактори, а също и в ядрените оръжия, и по-специално това е, което повечето хора си представят, когато мислят за радиоактивността. Но през повечето време, когато ядрата преминават в по-ниско енергийно състояние в природата, това се свежда до радиоактивен разпад.

Има три вида радиоактивен разпад: алфа разпад, бета разпад и гама разпад, въпреки че бета разпадането само по себе си се предлага в три различни типа. Изучаването на тези форми на ядрен разпад е решаваща част от всеки курс по ядрена физика.

Алфа-разпадът възниква, когато ядрото излъчва това, което се нарича „алфа-частица“ (α-частица). Алфа частицата е комбинация от два протона и два неутрона, които, ако познавате периодичната си таблица, ще разпознаете като ядро ​​на хелий.

Процесът е доста лесен за разбиране от гледна точка на масата и свойствата на получения атом: Той губи четири от неговото масово число (две от протоните и две от електроните) и две от атомния му номер (от двата протона изгубени). Това означава, че първоначалният атом (т.е. "родителското" ядро) се превръща в различен елемент (въз основа на "дъщерното" ядро) след претърпяване на алфа-разпад.

Когато изчислявате енергията, освободена при алфа разпад, трябва да извадите масата на хелиевото ядро ​​и дъщерен атом от масата на родителския атом и преобразувайте това в стойност на енергията, използвайки известния Айнщайн уравнениеЕ.​ = ​mc​². Обикновено е по-лесно да извършите това изчисление, ако работите в атомни единици маса (amu) и умножите липсващата маса по коефициента° С​² = 931.494 MeV / amu. Това връща стойност на енергията в MeV (т.е. мега електроволта), като електронната волта е равна на 1.602 × 10⁻⁹ джаули и като цяло по-удобна единица за работа в енергии в атомната скала.

Тъй като бета разпадът има три различни разновидности, е полезно да научите за всеки от тях на свой ред, въпреки че има много прилики между тях. Бета-плюс разпад е, когато протонът се превръща в неутрон, с освобождаване на бета-плюс частица (т.е. β + частица) заедно с незаредена, почти безмасова частица, наречена неутрино. В резултат на този процес дъщерният атом ще има един по-малко протон и още един неутрон от родителския атом, но същото общо масово число.

Бета-плюс частицата всъщност се нарича позитрон, който е антиматерията, съответстваща на електрона. Той има положителен заряд със същия размер като отрицателния заряд върху електрона и същата маса като електрон. Освободеното неутрино се нарича технически електронно неутрино. Забележете, че в този процес се отделят една частица от обикновена материя и една частица от антиматерия.

Изчисляването на енергията, отделена в този процес на разпад, е малко по-сложно, отколкото при други форми на разпад, защото масата на родителския атом ще включва масата на още един електрон от дъщерния атом маса. На всичкото отгоре трябва да извадите и масата на β + частицата, която се отделя в процеса. По същество трябва да извадите масата на дъщерната частица идвеелектрони от масата на родителската частица и след това се превръщат в енергия както преди. Неутриното е толкова мъничко, че може безопасно да бъде пренебрегнато.

Разпадането на бета-минус е по същество обратният процес на разпадане на бета-плюс, където неутронът се превръща в протон, освобождаващ бета-минус частица (β-частица) и електрон антинейтрино в процес. Поради този процес дъщерният атом ще има един неутрон по-малко и един протон повече от родителския атом.

Β− частицата всъщност е електрон, но в този контекст тя има различно име, тъй като когато бета емисията за разпадането беше открита за първи път, никой не знаеше каква всъщност е частицата. Освен това, наричането им с бета частици е полезно, защото ви напомня, че идва от процеса на бета разпадане, и може да бъде полезно, когато сте опитвайки се да запомня какво се случва във всяка - положителната бета частица се освобождава при бета-плюс разпадане, а отрицателната бета частица се освобождава в бета-минус разпад. В този случай обаче неутриното е частица от антиматерия, но отново в процеса се отделят една антиматерия и една обикновена частица.

Изчисляването на енергията, освободена при този тип бета разпад, е малко по-просто, тъй като допълнителният електрон, притежаван от дъщерния атом, се анулира с електрона, загубен в бета емисията. Това означава, че за изчисляване на ∆м, просто изваждате масата на дъщерния атом от тази на родителския атом и след това умножавате по скоростта на светлината на квадрат (° С​²), както и преди, изразено в мегаелектроволта на атомна единица маса.

Последният тип бета разпад е доста по-различен от първите два. При улавяне на електрони, протон „поглъща“ електрон и се превръща в неутрон, с освобождаването на електронно неутрино. Следователно това намалява атомния номер (т.е. броя на протоните) с един и увеличава броя на неутроните с един.

Може да изглежда, че нарушава модела досега, като се излъчват една материя и една частица антиматерия, но дава намек за действителната причина за този баланс. „Лептонното число“ (което можете да помислите като число на „семейството на електроните“) е запазено и електрон или електронното неутрино има лептонен номер 1, докато позитронът или електронното антинейтрино има лептонен номер на −1.

Трябва да можете да видите, че всички останали процеси изпълняват това лесно. За улавяне на електрон, лептонното число намалява с 1, когато електронът бъде заловен, така че за да се балансира това, трябва да се излъчи частица с лептоново число 1.

Изчисляването на енергията, освободена при улавяне на електрони, е доста просто: Тъй като електронът идва от родителския атом, не е нужно да се притеснявате за отчитане на разликата в броя на електроните между родителя и дъщерята атоми. Намирате ∆мчрез просто изваждане на масата на дъщерния атом от тази на родителския атом. Изразът за процеса обикновено се записва с електрона отляво, но простото правило ви напомня, че това всъщност е част от родителския атом по отношение на масата.

Гама-разпадът включва излъчването на високоенергиен фотон (електромагнитно излъчване), но броят на протоните и неутроните в атома не се променя в резултат на процеса. Аналогично е на излъчването на фотон, когато електрон преминава от по-високо енергийно състояние в по-ниско енергийно състояние, но преходът в този случай се извършва в ядрото на атома.

Подобно на аналогичната ситуация, преходът от по-високо енергийно състояние към по-ниско енергийно състояние се балансира от излъчването на фотон. Те имат енергия над 10 keV и обикновено се наричат ​​гама лъчи, въпреки че дефиницията всъщност не е строга (енергийният диапазон се припокрива с рентгеновите лъчи, например).

Алфа или бета емисията може да остави ядрото в по-енергийно, възбудено състояние и енергията, освободена в резултат на тези процеси, се извършва под формата на гама лъчи. Ядрото обаче може да се озове и в състояние с по-висока енергия след сблъсък с друго ядро ​​или удар от неутрон. Резултатът във всички случаи е един и същ: Ядрото пада от своето възбудено състояние в по-ниско енергийно състояние и освобождава гама лъчи в процеса.

Уран-238 се разпада в торий-234 с освобождаването на алфа частица (т.е. ядро ​​на хелий) и това е един от най-известните примери за радиоактивен разпад. Процесът може да бъде представен като:

За да изчислите колко енергия се отделя в този процес, ще ви трябват атомните маси: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234,04363 amu и ⁴Той = 4.00260 amu, с всички маси, изразени в атомни единици маса. Сега, за да разберете колко енергия се отделя в процеса, всичко, което трябва да направите, е да намерите ∆мкато се извадят масите на продуктите от масата на първоначалния родителски атом и след това се изчисли количеството енергия, което представлява.

Радиоактивното разпадане често се случва във вериги, с множество стъпки между началната и крайната точка. Тези вериги на разпадане са дълги и ще изискват много стъпки, за да се изчисли колко енергия се отделя в целия процес, но вземането на парче от една такава верига илюстрира подхода.

Ако погледнете разпадащата се верига на торий-232, близо до края на веригата, нестабилно ядро ​​(т.е. атом от нестабилен изотоп, с кратък период на полуразпад) на бисмут-212 претърпява бета-минус разпад в полоний-212, който след това претърпява алфа разпад в олово-208, стабилен изотоп. Можете да изчислите енергията, отделена в този процес, като я предприемете стъпка по стъпка.

Първо, разпадането на бета-минус от бисмут-212 (м= 211,99129 amu) в полоний-212 (м= 211.98887 amu) дава:

Спомняйки си, че промяната в електронните числа се отменя при разпадане на бета-минус. Това освобождава:

Следващият етап е алфа разпадането от полоний-212 до олово-208 (м= 207,97665 amu) и едно хелиево ядро.

А енергията е:

Тогава общо има 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV енергия, отделена в процеса. Разбира се, ако сте внимателни (включително алфа частицата и допълнителни електрони, ако процесът ви включва бета-плюс разпад) вие може да изчисли разликата в масата в една стъпка и след това да преобразува, но този подход ви казва енергията, отделена при всяка сцена.