Co jsou částice alfa, beta a gama?

Alfa, beta, gama paprsky: Skoro to zní jako slogan oldschoolového filmu o mimozemšťanech z vesmíru, nově příchozích na Zemi s jejich ultravysokými technologickými pomůckami (a doufejme, že vřelým dispozicím). Ve skutečnosti to není příliš daleko. Alfa, beta a gama záření jsou všechny skutečné entity ve světě fyziky a stojí za to se jim vyhnout, když to zvládnete.

Pravděpodobně víte, že různé druhy atomů se mohou spojit pomocí procesu chemické vazby a vytvořit molekuly. Například dva atomy vodíku (H na periodické tabulce prvků) a jeden atom kyslíku (O) se mohou spojit a vytvořit molekulu vody (H₂Ó). Tuto molekulu lze rozbít na ionty H + a OH– rozbitím jedné z vazeb O-H.

V chemických vazbách interagují elektrony různých atomů, ale jejich jádra (množné číslo jádra) zůstávají nedotčena. Je to proto, že síla, která drží protony a neutrony pohromadě, je extrémně silná ve srovnání s elektrostatickými silami, které jsou základem chemické vazby mezi atomy.

Atomová jádra se nicméně rozpadají, obvykle spontánně a často neuvěřitelně nízkou rychlostí, v závislosti na tom, o jaký prvek jde. Tato radioaktivita má tři základní příchutě uvedené v první větě tohoto článku:

Atom byl jednou poněkud popudlivě popsán jako „nejmenší nedělitelná věc“, a to i lidmi, kteří o něm věděli. Tato definice je v některých ohledech pravdivá: Vezměte jakýkoli jednotlivý prvek nebo látku vytvořenou z jedné neredukovatelné složky a atom je nejmenší celá jednotka této látky. Od roku 2020 je na periodické tabulce 118 prvků, z nichž 92 se přirozeně vyskytuje.

Atomy se skládají z jádra, které má jeden nebo více protonů a kromě vodíku (nejmenší prvek) alespoň jeden neutron. Mají také jeden nebo více elektronů, které se nacházejí v určité vzdálenosti od jádra ve specifických energetických úrovních.

Protony jsou kladně nabité a elektrony záporně nabité, přičemž velikost náboje je u každého stejná. Protože atom v základním stavu má stejný počet protonů jako elektrony, atomy jsou elektricky neutrální pokud nejsou ionizovány (tj. jejich počet elektronů se mění).

Protonové číslo atomu je jeho atomové číslo v periodické tabulce a určuje identitu (název) prvku. Některé atomy mohou získat nebo ztratit neutrony, zatímco nadále šťastně existují, ale pokud jádro ztratí nebo získá proton místo toho je to změna hry, protože nyní, ať už byl prvek jakýkoli, má zcela nový název a nové atributy to.

Síla, která drží protony a neutrony pohromadě, se ne nadarmo nazývá silná jaderná síla. Na jádra atomů lze v jistém smyslu pohlížet tak, že sedí uprostřed veškeré hmoty, takže jsou extrémní stabilita má smysl v kosmu hojně organizovaném a schopném udržet život alespoň na jednom skromném planeta.

Jádra však nejsou dokonale stabilní a postupem času se rozpadají a emitují částice a energii. Každý prvek, který prochází radioaktivním rozpadem, nebo konkrétněji izotop prvku, který je studován, má svůj vlastní charakteristický poločas rozpadu, který lze použít k předpovědi toho, kolik jader se v průběhu času rozpadne, přičemž nenabízí žádné informace o žádném jádru. Je tedy podobný riziku, v podstatě statistice pravděpodobnosti.

Poločas radioaktivního druhu je doba, za kterou se polovina nestabilních jader ve vzorku rozpadne do jiné formy. Toto číslo může jít velmi vysoko, až na miliardy let, i když u uhlíku-14 je to asi 5 730 let (obrat v geologickém čase, pokud ne v lidských civilizacích).

Různé druhy radioaktivního rozpadu jsou uvedeny první tři písmena řecké abecedy. Tím pádem alfa záření emituje částice často představovanou malou verzí tohoto písmene, α. Bylo by nekonvenční psát „a-záření“.

Tento druh částice se rovná jádru atomů helia (He). Helium je druhým prvkem v periodické tabulce as atomovou hmotností 4,00 má dva protony a dva neutrony. Celý atom má také dva elektrony, které vyrovnávají náboj dvou protonů, ale nejsou součástí alfa částice, pouze jádrem.

Tyto částice jsou vzhledem k jiným druhům záření masivní; například beta částice je asi 7 000krát menší. To by na povrchu mohlo vypadat jako obzvláště nebezpečné, ale ve skutečnosti je pravdou opak: velikost α-částic znamená, že pronikají do věcí, včetně biologických bariér, jako je kůže, velmi špatně.

Beta částice (β-částice) jsou ve skutečnosti jen elektrony, ale zachovávají si své jméno, protože jejich objev předchází formální identifikaci elektronů jako takových. Když atom emituje beta částici, emituje také další subatomární částice, která se nazývá elektronové antineutrino. Tato částice sdílí hybnost a energii emise částic, ale nemá téměř žádnou hmotnost (dokonce ve srovnání s elektronem, jen asi 9,1 × 10^–31 kg hmotnosti).

Beta částice, které jsou mnohem menší než alfa částice, mohou proniknout hlouběji než jejich daleko masivnější protějšky.

Dalším typem beta částice je pozitron, ke kterému dochází v důsledku rozpadu neutronů v jádru. Tyto částice mají stejnou hmotnost jako elektrony, ale mají opačný náboj (odtud jejich název).

Gama paprskynebo y-paprsky, představují pro člověka nejnebezpečnější výsledek radioaktivity. Jsou nehmotné, protože to vůbec nejsou částice. „Paprsky“ je ve skutečnosti zkratka pro obecný termín elektromagnetické záření (EM záření), které se šíří rychlostí světla (označeno c nebo 3 × 10⁸ m / s) a přichází v různých kombinacích hodnot frekvence a vlnové délky, jejichž produkty jsou c.

Gama paprsky mají velmi krátké vlnové délky, a proto velmi vysokou energii. Jsou podobné rentgenovým paprskům, až na to, že rentgenové paprsky pocházejí mimo jádro. Obvykle procházejí lidskými těly, aniž by se čehokoli dotýkaly, ale protože jsou tak pronikavé, je k zajištění jejich zastavení nutný olověný štít o tloušťce dva palce.

Alfa částice lze bezpečně ignorovat do té míry, že to platí pro cokoli klasifikovaného jako záření. Ve vzduchu mohou cestovat jen asi 10 až 17 cm (4 až 7 palců) a jejich energie se při úderu ztrácí protony a neutrony jakéhokoli materiálu, se kterým se setkají, a brání jim v pronikání dále.

Většina poškození beta částic pochází z jejich požití nebo polknutí. (To může platit i pro alfa částice.) Pití nebo konzumace radioaktivního materiálu je hlavním zdrojem poškození tímto druhem záření, i když dlouhodobé vystavení pokožce může způsobit popáleniny.

Gama paprsky mohou procházet těly, aniž by něco zasáhly, ale neexistuje žádná záruka, že tak skutečně učiní, a mohou cestovat asi míli ve vzduchu. Protože kromě cestování na dlouhé vzdálenosti mohou proniknout prakticky do čehokoli poškození všech systémů těla a jejich přítomnost v prostředích s živými systémy musí být pečlivě monitorován.