Arten des radioaktiven Zerfalls: Alpha, Beta, Gamma

​Radioaktivist ein Wort, das nicht so gut verstanden wird. Von Angst überflutet und von Natur aus fremd und gefährlich erscheinend, ist die Natur des radioaktiven Zerfalls etwas, das es wert ist, etwas darüber zu lernen, ob Sie ein Physikstudent oder nur ein interessierter Laie sind.

Die Realität ist, dass Radioaktivität im Wesentlichen Kernreaktionen beschreibt, die zu einer Änderung der Ordnungszahl eines Elements und/oder einer Freisetzung von Gammastrahlung führen. Es ist in großen Mengen gefährlich, da die freigesetzte Strahlung „ionisierend“ ist (d. h. sie hat genug Energie, um Elektronen von Atomen zu entfernen). aber es ist ein interessantes physikalisches Phänomen und in der Praxis werden die meisten Menschen nie genug in der Nähe radioaktiver Materialien sein, um gefährdet zu sein.

Kerne können durch Fusion einen niedrigeren Energiezustand erreichen – das ist, wenn zwei Kerne miteinander verschmelzen, um einen schwereren Kern, der dabei Energie freisetzt – oder durch Spaltung, also die Aufspaltung schwerer Elemente in leichtere Einsen. Die Kernspaltung ist die Energiequelle in Kernreaktoren, aber auch in Atomwaffen, und dies ist insbesondere das, was sich die meisten Menschen vorstellen, wenn sie an Radioaktivität denken. Aber die meiste Zeit, wenn Kerne in der Natur in einen niedrigeren Energiezustand wechseln, ist dies auf den radioaktiven Zerfall zurückzuführen.

Es gibt drei Arten von radioaktivem Zerfall: Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall und Gamma-Zerfall, obwohl es beim Beta-Zerfall an sich drei verschiedene Arten gibt. Das Erlernen dieser Formen des Kernzerfalls ist ein wesentlicher Bestandteil jedes Kernphysikkurses.

Alpha-Zerfall tritt auf, wenn ein Kern ein sogenanntes „Alpha-Teilchen“ (α-Teilchen) emittiert. Ein Alphateilchen ist eine Kombination aus zwei Protonen und zwei Neutronen, die Sie, wenn Sie Ihr Periodensystem kennen, als Heliumkern erkennen.

Der Prozess ist in Bezug auf die Masse und die Eigenschaften des resultierenden Atoms relativ leicht zu verstehen: Es verliert vier von seine Massenzahl (zwei von den Protonen und zwei von den Elektronen) und zwei von seiner Ordnungszahl (von den zwei Protonen hat verloren). Dies bedeutet, dass das ursprüngliche Atom (d. h. der „Mutter“-Kern) nach dem Alpha-Zerfall zu einem anderen Element (basierend auf dem „Tochter“-Kern) wird.

Bei der Berechnung der beim Alphazerfall freigesetzten Energie müssen Sie die Masse des Heliumkerns und die Tochteratom aus der Masse des Mutteratoms und wandeln diese mit Einsteins berühmter. in einen Energiewert um GleichungE​ = ​mc​². Normalerweise ist diese Berechnung einfacher, wenn Sie in atomaren Masseneinheiten (amu) arbeiten und die fehlende Masse mit dem Faktor. multiplizierenc​² = 931.494 MeV / amu. Dies gibt einen Energiewert in MeV (d. h. Megaelektronenvolt) zurück, wobei ein Elektronenvolt 1,602 × 10. entspricht⁻⁹ Joule und im Allgemeinen eine bequemere Einheit für das Arbeiten mit Energien auf der atomaren Skala.

Da es beim Beta-Zerfall drei verschiedene Varianten gibt, ist es hilfreich, jede nacheinander kennenzulernen, obwohl es viele Ähnlichkeiten zwischen ihnen gibt. Beta-Plus-Zerfall ist, wenn sich ein Proton in ein Neutron verwandelt, wobei ein Beta-Plus-Teilchen (d. h. ein β+-Teilchen) zusammen mit einem ungeladenen, nahezu masselosen Teilchen namens Neutrino freigesetzt wird. Als Ergebnis dieses Prozesses hat das Tochteratom ein Proton weniger und ein Neutron mehr als das Mutteratom, aber die gleiche Gesamtmassenzahl.

Das Beta-Plus-Teilchen wird eigentlich Positron genannt, das ist das Antimaterie-Teilchen, das dem Elektron entspricht. Es hat eine positive Ladung von der gleichen Größe wie die negative Ladung des Elektrons und die gleiche Masse wie ein Elektron. Das freigesetzte Neutrino wird technisch als Elektronneutrino bezeichnet. Beachten Sie, dass bei diesem Prozess ein Partikel regulärer Materie und ein Partikel Antimaterie freigesetzt werden.

Die Berechnung der bei diesem Zerfallsprozess freigesetzten Energie ist etwas komplizierter als bei anderen Formen von Zerfall, weil die Masse des Mutteratoms die Masse eines Elektrons mehr enthält als die des Tochteratoms Masse. Außerdem muss man noch die Masse des dabei emittierten β+-Teilchens abziehen. Im Wesentlichen muss man die Masse des Tochterteilchens abziehen undzweiElektronen aus der Masse des Mutterteilchens und wandeln sie dann wie zuvor in Energie um. Das Neutrino ist so winzig, dass es getrost vernachlässigt werden kann.

Der Beta-Minus-Zerfall ist im Wesentlichen der entgegengesetzte Prozess des Beta-Plus-Zerfalls, bei dem ein Neutron in ein Proton, das ein Beta-Minus-Teilchen (ein β−-Teilchen) und ein Elektron-Antineutrino im freisetzt Prozess. Aufgrund dieses Prozesses hat das Tochteratom ein Neutron weniger und ein Proton mehr als das Mutteratom.

Das β−-Teilchen ist eigentlich ein Elektron, hat aber in diesem Zusammenhang einen anderen Namen, denn als die Beta-Emission für den Zerfall erstmals entdeckt wurde, wusste noch niemand, was das Teilchen eigentlich war. Darüber hinaus ist es nützlich, sie Beta-Partikel zu nennen, weil es Sie daran erinnert, dass sie aus dem Beta-Zerfallsprozess stammen, und es kann nützlich sein, wenn Sie versuchen, sich daran zu erinnern, was in jedem passiert – das positive Beta-Teilchen wird beim Beta-Plus-Zerfall freigesetzt und das negative Beta-Teilchen wird beim Beta-Minus freigesetzt zerfallen. In diesem Fall ist das Neutrino zwar ein Antimaterie-Teilchen, aber auch hier werden ein Antimaterie- und ein reguläres Materieteilchen freigesetzt.

Die Berechnung der Energie, die bei dieser Art von Beta-Zerfall freigesetzt wird, ist etwas einfacher, da das zusätzliche Elektron des Tochteratoms mit dem bei der Beta-Emission verlorenen Elektron ausgeglichen wird. Dies bedeutet, dass zur Berechnung von ∆ich, subtrahiert man einfach die Masse des Tochteratoms von der des Mutteratoms und multipliziert dann mit der Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat (c​²), wie zuvor, ausgedrückt in Megaelektronenvolt pro atomarer Masseneinheit.

Die letzte Art des Betazerfalls unterscheidet sich stark von den ersten beiden. Beim Elektroneneinfang „absorbiert“ ein Proton ein Elektron und wird unter Freisetzung eines Elektron-Neutrinos zu einem Neutron. Dadurch wird die Ordnungszahl (d. h. die Zahl der Protonen) um eins verringert und die Zahl der Neutronen um eins erhöht.

Dies mag so aussehen, als ob es das bisherige Muster verletzt, wobei ein Materie- und ein Antimaterie-Teilchen emittiert werden, aber es gibt einen Hinweis auf den tatsächlichen Grund für dieses Gleichgewicht. Die „Leptonzahl“ (die man sich als „Elektronenfamilienzahl“ vorstellen kann) bleibt erhalten, und ein Elektron oder Elektron-Neutrino hat eine Leptonenzahl von 1, während das Positron oder Elektron-Antineutrino eine Leptonenzahl von hat −1.

Sie sollten sehen können, dass alle anderen Prozesse dies problemlos erfüllen. Beim Elektroneneinfang nimmt die Leptonenzahl beim Einfangen des Elektrons um 1 ab, so dass zum Ausgleich ein Teilchen mit der Leptonenzahl 1 emittiert werden muss.

Die Berechnung der beim Elektroneneinfang freigesetzten Energie ist ziemlich einfach: Da das Elektron vom Mutteratom stammt, Sie müssen sich keine Gedanken über die unterschiedliche Elektronenanzahl zwischen Elternteil und Tochter machen Atome. Du findest ∆ichindem man einfach die Masse des Tochteratoms von der des Mutteratoms abzieht. Der Ausdruck für den Prozess wird im Allgemeinen mit dem Elektron auf der linken Seite geschrieben, aber die einfache Regel erinnert Sie daran, dass dieses tatsächlich massemäßig Teil des Mutteratoms ist.

Beim Gammazerfall wird ein energiereiches Photon (elektromagnetische Strahlung) emittiert, aber die Anzahl der Protonen und Neutronen im Atom ändert sich durch den Prozess nicht. Es ist analog zur Emission eines Photons, wenn ein Elektron von einem höheren Energiezustand in einen niedrigeren Energiezustand übergeht, aber der Übergang findet in diesem Fall im Atomkern statt.

Ebenso wie in der analogen Situation wird der Übergang von einem höheren Energiezustand in einen niedrigeren Energiezustand durch die Emission eines Photons ausgeglichen. Diese haben Energien über 10 keV und werden allgemein als Gammastrahlen bezeichnet, obwohl die Definition nicht wirklich streng ist (der Energiebereich überschneidet sich beispielsweise mit Röntgenstrahlen).

Alpha- oder Beta-Emission kann einen Kern in einen energiereicheren, angeregten Zustand versetzen, und die als Ergebnis dieser Prozesse freigesetzte Energie wird in Form von Gammastrahlen abgegeben. Der Kern kann aber auch in einen energiereicheren Zustand geraten, nachdem er mit einem anderen Kern kollidiert oder von einem Neutron getroffen wurde. Das Ergebnis ist in allen Fällen das gleiche: Der Kern fällt aus seinem angeregten Zustand in einen niedrigeren Energiezustand und setzt dabei Gammastrahlen frei.

Uran-238 zerfällt unter Freisetzung eines Alphateilchens (d. h. eines Heliumkerns) in Thorium-234, und dies ist eines der bekanntesten Beispiele für radioaktiven Zerfall. Der Prozess kann dargestellt werden als:

Um zu berechnen, wie viel Energie dabei freigesetzt wird, benötigen Sie die Atommassen: ²³⁸U = 238.05079 amu, ²³⁴Th = 234.04363 amu und ⁴He = 4.00260 amu, wobei alle Massen in atomaren Masseneinheiten angegeben sind. Um jetzt herauszufinden, wie viel Energie dabei freigesetzt wird, musst du nur nochichindem Sie die Massen der Produkte von der Masse des ursprünglichen Mutteratoms abziehen und dann die Energiemenge berechnen, die dies darstellt.

Radioaktiver Zerfall findet oft in Ketten statt, mit mehreren Schritten zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt. Diese Zerfallsketten sind lang und würden viele Schritte erfordern, um zu berechnen, wie viel Energie während des gesamten Prozesses freigesetzt wird, aber ein Stück einer solchen Kette veranschaulicht den Ansatz.

Betrachtet man die Zerfallskette von Thorium-232, nahe dem Ende der Kette, ist ein instabiler Kern (d. h. ein Atom eines instabilen Isotops mit eine kurze Halbwertszeit) von Wismut-212 unterliegt einem Beta-Minus-Zerfall in Polonium-212, das dann einem Alpha-Zerfall in Blei-208 unterliegt, einem stabilen Isotop. Die dabei frei werdende Energie können Sie Schritt für Schritt berechnen.

Zuerst der Beta-Minus-Zerfall von Wismut-212 (ich= 211,99129 amu) in Polonium-212 (ich= 211,98887 amu) ergibt:

Denken Sie daran, dass sich die Änderung der Elektronenzahl beim Beta-Minus-Zerfall aufhebt. Das gibt frei:

Die nächste Stufe ist der Alpha-Zerfall von Polonium-212 zu Blei-208 (ich= 207.97665 amu) und ein Heliumkern.

Und die Energie ist:

Insgesamt werden dann 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV Energie freigesetzt. Natürlich, wenn Sie vorsichtig sind (einschließlich des Alpha-Teilchens und zusätzlicher Elektronen, wenn Ihr Prozess einen Beta-Plus-Zerfall umfasst), können Sie kann den Massenunterschied in einem einzigen Schritt berechnen und dann umrechnen, aber dieser Ansatz gibt Ihnen die Energie an, die bei jedem freigesetzt wird Bühne.