Typer af radioaktivt henfald: Alpha, Beta, Gamma

​Radioaktiver et ord, der ikke er så godt forstået. Oversvømmet af frygt og i sagens natur tilsyneladende fremmed og farlig er karakteren af ​​radioaktivt henfald noget, der er værd at lære om du er en fysikstuderende eller bare en interesseret lægmand.

Virkeligheden er, at radioaktivitet i det væsentlige beskriver nukleare reaktioner, der fører til en ændring i atomnummeret for et element og / eller en frigivelse af gammastråling. Det er farligt i store mængder, fordi den frigivne stråling er "ioniserende" (dvs. den har tilstrækkelig energi til at fjerne elektroner fra atomer) men det er et interessant fysisk fænomen, og i praksis vil de fleste aldrig være i nærheden af ​​radioaktive materialer nok til at være i fare.

Kerner kan opnå en lavere energitilstand ved fusion - det er når to kerner smelter sammen for at skabe en tungere kerne, frigive energi i processen - eller ved fission, som er opdeling af tunge elementer i lettere dem. Fission er energikilden i atomreaktorer og også i atomvåben, og det er især det, de fleste mennesker forestiller sig, når de tænker på radioaktivitet. Men det meste af tiden, når kerner skifter til en lavere energitilstand i naturen, er det ned til radioaktivt henfald.

Der er tre typer radioaktivt henfald: alfa-henfald, beta-henfald og gamma-henfald, selvom beta-henfald i sig selv findes i tre forskellige typer. At lære om disse former for nukleart henfald er en vigtig del af ethvert nuklearfysik-kursus.

Alfa-henfald opstår, når en kerne udsender det, der kaldes en "alfapartikel" (α-partikel). En alfapartikel er en kombination af to protoner og to neutroner, som hvis du kender dit periodiske system, vil du genkende det som en heliumkerne.

Processen er ret let at forstå med hensyn til massen og egenskaberne af det resulterende atom: Den mister fire fra dets massetal (to fra protonerne og to fra elektronerne) og to fra dets atomnummer (fra de to protoner faret vild). Dette betyder, at det oprindelige atom (dvs. den "forældre" kerne) bliver et andet element (baseret på "datter" -kernen) efter at have gennemgået alfa-henfald.

Når du beregner den energi, der frigives ved alfa-henfald, skal du trække massen af ​​heliumkernen og datteratom fra moderens atom og konvertere dette til en værdi af energi ved hjælp af Einsteins berømte ligningE​ = ​mc​². Det er normalt lettere at udføre denne beregning, hvis du arbejder i atommasseenheder (amu) og ganger den manglende masse med faktorenc​² = 931,494 MeV / amu. Dette returnerer en værdi af energi i MeV (dvs. mega elektronvolt), hvor en elektronvolt er lig med 1.602 × 10⁻⁹ joule og generelt en mere bekvem enhed til at arbejde i energier på atomskalaen.

Da beta-henfald har tre forskellige sorter, er det nyttigt at lære om hver enkelt igen, selvom der er mange ligheder mellem dem. Beta-plus henfald er, når en proton bliver til en neutron, med frigivelsen af ​​en beta-plus partikel (dvs. en β + partikel) sammen med en uopladet, næsten masseløs partikel kaldet en neutrino. Som et resultat af denne proces vil datteratomet have en mindre proton og en mere neutron end moderatom, men det samme samlede massetal.

Betaplus-partiklen kaldes faktisk en positron, som er den antimateriale partikel, der svarer til elektronen. Det har en positiv ladning af samme størrelse som den negative ladning på elektronen og den samme masse som en elektron. Den frigivne neutrino kaldes teknisk en elektronneutrino. Bemærk, at en partikel af almindeligt stof og en partikel af antimateriale frigøres i denne proces.

Beregning af den energi, der frigives i denne henfaldsproces, er lidt mere kompliceret end for andre former for henfald, fordi massen af ​​moderatomet vil omfatte massen af ​​en mere elektron end datteratomet masse. Oven i dette skal du også trække massen af ​​den β + partikel, der udsendes under processen. I det væsentlige skal du trække massen af ​​datterpartiklen ogtoelektroner fra massen af ​​moderpartiklen og konverteres derefter til energi som før. Neutrinoen er så lille, at den sikkert kan forsømmes.

Beta-minus henfald er i det væsentlige den modsatte proces med beta-plus henfald, hvor en neutron bliver til en proton, der frigiver en beta-minus-partikel (en β− partikel) og en elektronantineutrino i behandle. På grund af denne proces vil datteratomet have en mindre neutron og en mere proton end moderatomet.

Β− partiklen er faktisk en elektron, men den har et andet navn i denne sammenhæng, for da beta-emissionen for henfaldet først blev opdaget, vidste ingen, hvad partiklen faktisk var. Derudover er det nyttigt at kalde dem beta-partikler, fordi det minder dig om, at det kommer fra beta-henfaldsprocessen, og det kan være nyttigt, når du er forsøger at huske, hvad der sker i hver - den positive beta-partikel frigives i beta-plus henfald, og den negative beta-partikel frigives i beta-minus henfald. I dette tilfælde er neutrino dog en antimateriepartikel, men igen frigives et antimateriale og en regelmæssig stofpartikel i processen.

Beregning af den frigivne energi i denne type beta-henfald er lidt enklere, fordi den ekstra elektron, som datteratomen besidder, annullerer med elektronen tabt i beta-emission. Dette betyder at beregne ∆m, trækker du simpelthen datteratommassens masse fra moderatomets og multiplicerer derefter med lysets hastighed i kvadrat (c​²), som før, udtrykt i mega elektronvolt pr. atommasseenhed.

Den sidste type beta-henfald er ret forskellig fra de to første. I elektronindfangning “absorberer” en proton en elektron og bliver til en neutron med frigivelsen af ​​en elektronneutrino. Dette reducerer derfor atomnummeret (dvs. antallet af protoner) med en og øger antallet af neutroner med en.

Dette kan virke som om det overtræder mønsteret hidtil, med en sag og en antimateriepartikel der udsendes, men det giver et antydning til den egentlige årsag til denne balance. "Lepton-nummeret" (som du kan tænke på som et "elektronfamilienummer") er bevaret, og et elektron eller elektronneutrino har et leptontal på 1, mens positron eller elektronantineutrino har et leptontal på −1.

Du skal være i stand til at se, at alle de andre processer let opfylder dette. Til elektronindfangning falder leptontallet med 1, når elektronen er fanget, så for at afbalancere dette skal en partikel med et leptontal på 1 udsendes.

Det er ret simpelt at beregne den energi, der frigives ved elektronindfangning: Fordi elektronen kommer fra moderatom, du behøver ikke bekymre dig om at tage højde for forskellen i antallet af elektroner mellem forælder og datter atomer. Du finder ∆mved simpelthen at trække datteratomets masse fra moderatomets masse. Udtrykket for processen vil generelt blive skrevet med elektronen på venstre side, men den enkle regel minder dig om, at dette faktisk er en del af moderatomet med hensyn til massen.

Gamma-henfald involverer emission af en højenergifoton (elektromagnetisk stråling), men antallet af protoner og neutroner i atomet ændres ikke som et resultat af processen. Det er analogt med emissionen af ​​en foton, når en elektron overgår fra en højere energitilstand til en lavere energitilstand, men overgangen sker i dette tilfælde i atomens kerne.

Ligesom i den analoge situation afbalanceres overgangen fra en højere energitilstand til en lavere energitilstand ved emissionen af ​​en foton. Disse har energier over 10 keV og kaldes generelt gammastråler, selvom definitionen ikke rigtig er streng (f.eks. Overlapper energiområdet med røntgenstråler).

Alfa- eller beta-emission kan efterlade en kerne i en højere energi, ophidset tilstand, og den energi, der frigøres som et resultat af disse processer, udføres i form af gammastråler. Imidlertid kan kernen også ende i en højere energitilstand efter at have kollideret med en anden kerne eller er ramt af en neutron. Resultatet er i alle tilfælde det samme: Kernen falder fra sin ophidsede tilstand til en lavere energitilstand og frigiver gammastråler i processen.

Uran-238 henfalder til thorium-234 med frigivelsen af ​​en alfapartikel (dvs. en heliumkerne), og dette er et af de mest kendte eksempler på radioaktivt henfald. Processen kan repræsenteres som:

For at beregne, hvor meget energi der frigives i denne proces, har du brug for atommasserne: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234.04363 amu og ⁴Han = 4,00260 amu, med alle masserne udtrykt i atommasseenheder. For at finde ud af, hvor meget energi der frigives i processen, skal du bare finde findmved at trække produktmasserne fra massen af ​​det oprindelige moderatom og derefter beregne den mængde energi, som dette repræsenterer.

Radioaktivt henfald sker ofte i kæder med flere trin mellem startpunktet og det sidste punkt. Disse henfaldskæder er lange og ville kræve mange trin for at beregne, hvor meget energi der frigives i hele processen, men at tage et stykke af en sådan kæde illustrerer fremgangsmåden.

Hvis du ser på henfaldskæden af ​​thorium-232, tæt på enden af ​​kæden, en ustabil kerne (dvs. et atom af en ustabil isotop, med en kort halveringstid) af bismuth-212 gennemgår beta-minus henfald til polonium-212, som derefter gennemgår alfa-henfald til bly-208, en stabil isotop. Du kan beregne den frigivne energi i denne proces ved at tage den trin for trin.

For det første henfalder beta-minus fra bismuth-212 (m= 211.99129 amu) i polonium-212 (m= 211.98887 amu) giver:

Husk at ændringen i elektrontal annullerer i beta-minus henfald. Det frigiver:

Det næste trin er alfa-henfaldet fra polonium-212 til bly-208 (m= 207,97665 amu) og en heliumkerne.

Og energien er:

I alt frigøres der 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energi frigivet i processen. Selvfølgelig, hvis du er forsigtig (inklusive alfapartiklen og yderligere elektroner, hvis din proces inkluderer et beta-plus henfald), kan beregne forskellen i masse i et enkelt trin og derefter konvertere, men denne tilgang fortæller dig den frigivne energi ved hvert scene.