Typy radioaktivního rozpadu: alfa, beta, gama

​Radioaktivníje slovo, které není tak dobře srozumitelné. Povaha radioaktivního rozpadu, obklopená strachem a neodmyslitelně zdánlivě mimozemskou a nebezpečnou, je něco, o čem stojí za to se dozvědět, zda jste studentem fyziky nebo jen laikem, který má zájem.

Realita je taková, že radioaktivita v podstatě popisuje jaderné reakce, které vedou ke změně atomového čísla prvku a / nebo k uvolnění gama záření. Je to nebezpečné ve velkém množství, protože uvolněné záření je „ionizující“ (tj. Má dostatek energie k odstranění elektronů z atomů) ale je to zajímavý fyzikální jev a v praxi většina lidí nikdy nebude kolem radioaktivních materiálů natolik, aby byli ohroženi.

Jádra mohou dosáhnout stavu nižší energie fúzí - to je, když se dvě jádra spojí dohromady a vytvoří těžší jádro, uvolňující energii v procesu - nebo štěpením, což je rozdělení těžkých prvků na lehčí ty. Štěpení je zdrojem energie v jaderných reaktorech a také v jaderných zbraních, a to je zejména to, co si většina lidí představuje, když přemýšlí o radioaktivitě. Ale většinou, když se jádra v přírodě změní na nižší energetický stav, je to jen na radioaktivním rozpadu.

Existují tři typy radioaktivního rozpadu: rozpad alfa, rozpad beta a rozpad gama, ačkoli rozpad beta sám o sobě přichází ve třech různých typech. Učení o těchto formách jaderného rozpadu je klíčovou součástí každého kurzu jaderné fyziky.

Alfa rozpad nastává, když jádro emituje to, co se nazývá „alfa částice“ (α-částice). Alfa částice je kombinací dvou protonů a dvou neutronů, které, pokud znáte svou periodickou tabulku, poznáte jako jádro helia.

Proces je poměrně snadno pochopitelný, pokud jde o hmotnost a vlastnosti výsledného atomu: ztrácí čtyři z jeho hmotnostní číslo (dva z protonů a dva z elektronů) a dva z jeho atomového čísla (ze dvou protonů ztracený). To znamená, že původní atom (tj. „Mateřské“ jádro) se po podstoupení alfa rozpadu stane odlišným prvkem (na základě „dceřiného“ jádra).

Při výpočtu energie uvolněné při rozpadu alfa musíte odečíst hmotnost jádra helia a dceřiný atom z hmotnosti mateřského atomu a převést to na hodnotu energie pomocí Einsteinova slavného rovniceE​ = ​mc​². Obvykle je jednodušší provést tento výpočet, pokud pracujete v jednotkách atomové hmotnosti (amu) a vynásobíte chybějící hmotnost faktoremC​² = 931,494 MeV / amu. To vrací hodnotu energie v MeV (tj. Mega elektronvolty), přičemž elektronvolt se rovná 1,602 × 10⁻⁹ joulů a obecně pohodlnější jednotka pro práci v energiích v atomovém měřítku.

Jelikož rozpad beta má tři různé varianty, je užitečné se o každé z nich dozvědět postupně, i když mezi nimi existuje mnoho podobností. Beta-plus rozpad je, když se proton promění v neutron, s uvolněním beta-plus částice (tj. Β + částice) spolu s nenabitou, téměř nehmotnou částicí zvanou neutrino. Výsledkem tohoto procesu bude, že dceřiný atom bude mít o jeden proton méně a o jeden neutron více než původní atom, ale stejné celkové hmotnostní číslo.

Částice beta-plus se ve skutečnosti nazývá pozitron, což je antihmotová částice odpovídající elektronu. Má kladný náboj stejné velikosti jako záporný náboj na elektronu a stejnou hmotnost jako elektron. Uvolněné neutrino se odborně nazývá elektronové neutrino. Všimněte si, že v tomto procesu se uvolňuje jedna částice pravidelné hmoty a jedna částice antihmoty.

Výpočet energie uvolněné v tomto procesu rozpadu je trochu komplikovanější než u jiných forem rozpad, protože hmotnost mateřského atomu bude zahrnovat hmotnost jednoho elektronu většího než atom dceřiného Hmotnost. Kromě toho musíte také odečíst hmotnost částice β +, která je emitována v procesu. V podstatě musíte odečíst hmotnost dceřiné částice advaelektrony z hmotnosti mateřské částice a poté se převádějí na energii jako dříve. Neutrino je tak malé, že ho lze bezpečně zanedbávat.

Rozpad beta-minus je v podstatě opačný proces rozpadu beta-plus, kdy se neutron promění proton, uvolňující beta-minus částice (β-částice) a elektronové antineutrino v proces. Kvůli tomuto procesu bude mít dceřinný atom o jeden neutron méně a o jeden více protonu než mateřský atom.

Β-částice je ve skutečnosti elektron, ale má v této souvislosti jiný název, protože když byla poprvé objevena emise beta pro rozpad, nikdo nevěděl, co ve skutečnosti je. Navíc je nazývání beta částice užitečné, protože vám připomíná, že pochází z procesu rozpadu beta, a může být užitečné, když jste snaží se vzpomenout, co se děje v každém - pozitivní beta částice se uvolní v beta-plus rozpadu a negativní beta částice se uvolní v beta-minus rozklad. V tomto případě je však neutrino částice antihmoty, ale v procesu se opět uvolní jedna antihmota a jedna částice pravidelné hmoty.

Výpočet energie uvolněné v tomto typu rozpadu beta je o něco jednodušší, protože další elektron, který vlastní dceřiný atom, se ruší elektronem ztraceným v emisi beta. To znamená, že pro výpočet ∆m, jednoduše odečtete hmotnost dceřiného atomu od hmotnosti mateřského atomu a poté vynásobíte druhou mocninou rychlosti světla (C​²), stejně jako dříve, vyjádřeno v mega elektronvoltech na jednotku atomové hmotnosti.

Poslední typ rozpadu beta se zcela liší od prvních dvou. Při elektronovém záchytu proton „absorbuje“ elektron a přeměňuje se na neutron s uvolněním elektronového neutrina. To tedy snižuje atomové číslo (tj. Počet protonů) o jeden a zvyšuje počet neutronů o jeden.

Mohlo by se zdát, že to dosud narušuje tento vzorec, přičemž je emitována jedna hmota a jedna antihmotová částice, ale naznačuje to skutečný důvod této rovnováhy. „Leptonovo číslo“ (které si můžete představit jako číslo „rodiny elektronů“) je zachováno a elektron nebo elektronové neutrino má číslo leptonu 1, zatímco pozitron nebo elektronové antineutrino má číslo leptonu −1.

Měli byste vidět, že všechny ostatní procesy to snadno splňují. U elektronového záchytu se číslo leptonu sníží o 1, když je elektron zachycen, aby se to vyvážilo, musí být emitována částice s počtem leptonů 1.

Výpočet energie uvolněné při elektronovém záchytu je docela jednoduchý: Protože elektron pochází z mateřského atomu, nemusíte se starat o zohlednění rozdílu v počtu elektronů mezi rodičem a dcerou atomy. Najdete ∆mjednoduchým odečtením hmotnosti dceřiného atomu od hmotnosti mateřského atomu. Výraz pro proces bude obvykle psán s elektronem na levé straně, ale jednoduché pravidlo vám připomene, že toto je ve skutečnosti část mateřského atomu z hlediska hmotnosti.

Úpadek gama zahrnuje emisi vysokoenergetického fotonu (elektromagnetické záření), ale počet protonů a neutronů v atomu se v důsledku procesu nemění. Je to analogické s emisí fotonu, když elektron přechází ze stavu vyšší energie do stavu nižší energie, ale přechod v tomto případě probíhá v jádru atomu.

Stejně jako v analogické situaci je přechod z stavu vyšší energie do stavu nižší energie vyvážen emisí fotonu. Ty mají energie přes 10 keV a obecně se jim říká gama paprsky, i když definice není příliš přísná (například energetický rozsah se překrývá s rentgenovými paprsky).

Alfa nebo beta emise mohou zanechat jádro ve vysokoenergetickém, vzrušeném stavu a energie uvolněná v důsledku těchto procesů se provádí ve formě gama paprsků. Jádro však může také skončit ve stavu s vyšší energií po srážce s jiným jádrem nebo po zasažení neutronem. Výsledek je ve všech případech stejný: Jádro klesá z excitovaného stavu do stavu s nižší energií a uvolňuje v tomto procesu paprsky gama.

Uran-238 se rozpadá na thorium-234 s uvolněním částice alfa (tj. Jádra helia), což je jeden z nejznámějších příkladů radioaktivního rozpadu. Proces lze reprezentovat jako:

Chcete-li vypočítat, kolik energie se uvolní v tomto procesu, budete potřebovat atomové hmotnosti: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234,04363 amu a ⁴He = 4,00260 amu, přičemž všechny hmotnosti jsou vyjádřeny v jednotkách atomové hmotnosti. Nyní, abyste zjistili, kolik energie se v procesu uvolní, stačí najít ∆modečtením hmotností produktů od hmotnosti původního mateřského atomu a poté vypočítáním množství energie, které představuje.

Radioaktivní rozpad se často děje v řetězcích s několika kroky mezi počátečním a konečným bodem. Tyto rozpadové řetězce jsou dlouhé a vyžadovaly by mnoho kroků k výpočtu, kolik energie se uvolní v celém procesu, ale přístup jednoho takového řetězce ilustruje přístup.

Podíváte-li se na rozpadový řetězec thoria-232, blízko konce řetězce, nestabilní jádro (tj. Atom nestabilního izotopu, s krátký poločas) vizmutu-212 prochází rozpadem beta-minus na polonium-212, který poté prochází rozkladem alfa na olovo-208, stabilní izotop. Energii uvolněnou v tomto procesu můžete vypočítat krok za krokem.

Za prvé, rozpad beta-minus z vizmutu-212 (m= 211,99129 amu) na polonium-212 (m= 211,98887 amu) dává:

Pamatujte, že změna počtu elektronů se ruší rozpadem beta-minus. Který uvolňuje:

Další fází je rozpad alfa z polonia-212 na olovo-208 (m= 207,96665 amu) a jedno jádro helia.

A energie je:

Celkově tedy v procesu uvolní 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energie. Samozřejmě, pokud jste opatrní (včetně částice alfa a dalších elektronů, pokud váš proces zahrnuje rozpad beta plus), může vypočítat rozdíl v hmotnosti v jednom kroku a poté převést, ale tento přístup vám řekne energii uvolněnou v každém z nich etapa.