Ραδιενεργόςείναι μια λέξη που δεν είναι τόσο καλά κατανοητή. Γεμάτο φόβο και εγγενώς φαινομενικά εξωγήινο και επικίνδυνο, η φύση της ραδιενεργής αποσύνθεσης είναι κάτι που αξίζει να μάθετε αν είστε φοιτητής φυσικής ή απλά ενδιαφερόμενος λαός.
Η πραγματικότητα είναι ότι η ραδιενέργεια περιγράφει ουσιαστικά τις πυρηνικές αντιδράσεις που οδηγούν σε αλλαγή του ατομικού αριθμού ενός στοιχείου ή / και απελευθέρωση γάμμα ακτινοβολίας. Είναι επικίνδυνο σε μεγάλες ποσότητες επειδή η ακτινοβολία που απελευθερώνεται είναι «ιονίζουσα» (δηλαδή, έχει αρκετή ενέργεια για να απομακρύνει τα ηλεκτρόνια από τα άτομα) αλλά είναι ένα ενδιαφέρον φυσικό φαινόμενο και στην πράξη, οι περισσότεροι άνθρωποι δεν θα βρίσκονται ποτέ κοντά σε ραδιενεργά υλικά αρκετά ώστε να διατρέχουν κίνδυνο.
Οι πυρήνες μπορούν να επιτύχουν χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση με σύντηξη - δηλαδή όταν δύο πυρήνες συντήκονται μαζί για να δημιουργήσουν βαρύτερα πυρήνας, απελευθερώνοντας ενέργεια στη διαδικασία - ή με σχάση, που είναι ο διαχωρισμός βαριών στοιχείων σε ελαφρύτερα αυτοί. Η σχάση είναι η πηγή της ενέργειας στους πυρηνικούς αντιδραστήρες, καθώς και στα πυρηνικά όπλα, και αυτό είναι ιδιαίτερα αυτό που οι περισσότεροι άνθρωποι απεικονίζουν όταν σκέφτονται τη ραδιενέργεια. Αλλά τις περισσότερες φορές, όταν οι πυρήνες αλλάζουν σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση στη φύση τους, οφείλεται σε ραδιενεργή διάσπαση.
Υπάρχουν τρεις τύποι ραδιενεργής διάσπασης: η άλφα διάσπαση, η β Η εκμάθηση σχετικά με αυτές τις μορφές πυρηνικής αποσύνθεσης είναι ένα κρίσιμο μέρος κάθε μαθήματος πυρηνικής φυσικής.
Άλφα αποσύνθεση
Η διάσπαση άλφα συμβαίνει όταν ένας πυρήνας εκπέμπει αυτό που ονομάζεται «σωματίδιο άλφα» (α-σωματίδιο). Ένα σωματίδιο άλφα είναι ένας συνδυασμός δύο πρωτονίων και δύο νετρονίων, τα οποία αν γνωρίζετε τον περιοδικό σας πίνακα θα αναγνωρίσετε ως πυρήνα ηλίου.
Η διαδικασία είναι αρκετά εύκολη στην κατανόηση όσον αφορά τη μάζα και τις ιδιότητες του ατόμου που προκύπτει: Χάνει τέσσερα από τον αριθμό μάζας του (δύο από τα πρωτόνια και δύο από τα ηλεκτρόνια) και δύο από τον ατομικό αριθμό του (από τα δύο πρωτόνια χαμένος). Αυτό σημαίνει ότι το αρχικό άτομο (δηλαδή, ο «γονικός» πυρήνας) γίνεται ένα διαφορετικό στοιχείο (με βάση τον πυρήνα «θυγατρική») μετά την υποβάθμιση της άλφα
Κατά τον υπολογισμό της ενέργειας που απελευθερώνεται σε άλφα διάσπαση, πρέπει να αφαιρέσετε τη μάζα του πυρήνα ηλίου και του θυγατρικό άτομο από τη μάζα του γονικού ατόμου και μετατρέψτε το σε τιμή ενέργειας χρησιμοποιώντας το διάσημο του Αϊνστάιν εξίσωσημι = mc2. Συνήθως είναι πιο εύκολο να εκτελέσετε αυτόν τον υπολογισμό εάν εργάζεστε σε μονάδες ατομικής μάζας (amu) και πολλαπλασιάζετε τη χαμένη μάζα με τον παράγονταντο2 = 931.494 MeV / amu. Αυτό επιστρέφει μια τιμή ενέργειας σε MeV (δηλαδή, mega electronvolts), με ένα electronvolt να είναι ίσο με 1,602 × 10−9 joules και γενικά μια πιο βολική μονάδα για εργασία σε ενέργειες σε ατομική κλίμακα.
Beta Decay: Beta-Plus Decay (εκπομπή ποζιτρονίων)
Δεδομένου ότι η αποσύνθεση beta έχει τρεις διαφορετικές ποικιλίες, είναι χρήσιμο να μάθετε για κάθε μία με τη σειρά, αν και υπάρχουν πολλές ομοιότητες μεταξύ τους. Η διάσπαση βήτα-συν είναι όταν ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο, με την απελευθέρωση ενός σωματιδίου βήτα-συν (δηλαδή, ένα σωματίδιο β +) μαζί με ένα μη φορτισμένο, σχεδόν χωρίς μάζα σωματίδιο που ονομάζεται νετρίνο. Ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, το θυγατρικό άτομο θα έχει ένα λιγότερο πρωτόνιο και ένα ακόμη νετρόνιο από το γονικό άτομο, αλλά τον ίδιο συνολικό αριθμό μάζας.
Το σωματίδιο beta-plus ονομάζεται πραγματικά ποζιτρόνιο, το οποίο είναι το σωματίδιο αντιύλης που αντιστοιχεί στο ηλεκτρόνιο. Έχει θετικό φορτίο του ίδιου μεγέθους με το αρνητικό φορτίο στο ηλεκτρόνιο και την ίδια μάζα με ένα ηλεκτρόνιο. Το νετρίνο που απελευθερώνεται τεχνικά ονομάζεται νετρίνο ηλεκτρονίων. Παρατηρήστε ότι ένα σωματίδιο κανονικής ύλης και ένα σωματίδιο αντιύλης απελευθερώνονται σε αυτήν τη διαδικασία.
Ο υπολογισμός της ενέργειας που απελευθερώνεται σε αυτήν τη διαδικασία αποσύνθεσης είναι λίγο πιο περίπλοκος από ό, τι για άλλες μορφές αποσύνθεση, επειδή η μάζα του γονικού ατόμου θα περιλαμβάνει τη μάζα ενός ακόμη ηλεκτρονίου από το θυγατρικό άτομο μάζα. Επιπλέον, πρέπει επίσης να αφαιρέσετε τη μάζα του σωματιδίου β + που εκπέμπεται στη διαδικασία. Ουσιαστικά, πρέπει να αφαιρέσετε τη μάζα του θυγατρικού σωματιδίου καιδύοηλεκτρόνια από τη μάζα του μητρικού σωματιδίου και μετά μετατρέπονται σε ενέργεια όπως προηγουμένως. Το νετρίνο είναι τόσο μικρό που μπορεί να παραμεληθεί με ασφάλεια.
Beta Decay: Beta-Minus Decay
Η αποσύνθεση βήτα-μείον είναι ουσιαστικά η αντίθετη διαδικασία της αποσύνθεσης βήτα-συν, όπου μετατρέπεται ένα νετρόνιο ένα πρωτόνιο, απελευθερώνοντας ένα σωματίδιο βήτα-μείον (ένα σωματίδιο β−) και ένα αντινετρίνιο ηλεκτρονίου στο επεξεργάζομαι, διαδικασία. Λόγω αυτής της διαδικασίας, το θυγατρικό άτομο θα έχει ένα λιγότερο νετρόνιο και ένα περισσότερο πρωτόνιο από το γονικό άτομο.
Το σωματίδιο β− είναι στην πραγματικότητα ένα ηλεκτρόνιο, αλλά έχει διαφορετικό όνομα σε αυτό το πλαίσιο, επειδή όταν η εκπομπή βήτα για τη διάσπαση ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά, κανείς δεν ήξερε ποιο ήταν το σωματίδιο. Επιπλέον, το να τους ονομάζεις σωματίδια beta είναι χρήσιμο επειδή σου υπενθυμίζει ότι προέρχεται από τη διαδικασία αποσύνθεσης beta και μπορεί να είναι χρήσιμο όταν είσαι προσπαθώντας να θυμηθώ τι συμβαίνει σε κάθε ένα - το θετικό σωματίδιο βήτα απελευθερώνεται σε αποσύνθεση βήτα-συν και το αρνητικό σωματίδιο βήτα απελευθερώνεται σε βήτα-μείον φθορά. Σε αυτήν την περίπτωση, ωστόσο, το νετρίνο είναι ένα σωματίδιο αντιύλης, αλλά και πάλι, ένα αντιύλη και ένα σωματίδιο κανονικής ύλης απελευθερώνονται στη διαδικασία.
Ο υπολογισμός της ενέργειας που απελευθερώνεται σε αυτόν τον τύπο διάσπασης βήτα είναι λίγο απλούστερος, επειδή το επιπλέον ηλεκτρόνιο που κατέχει το θυγατρικό άτομο ακυρώνεται με το ηλεκτρόνιο που χάνεται στην εκπομπή βήτα. Αυτό σημαίνει ότι για τον υπολογισμό του ΔΜ, απλώς αφαιρείτε τη μάζα του θυγατρικού ατόμου από εκείνη του γονικού ατόμου και στη συνέχεια πολλαπλασιάζετε με την ταχύτητα του τετραγωνικού φωτός (ντο2), όπως προηγουμένως, εκφραζόμενη σε μεγάλα ηλεκτρόνια ανά μονάδα ατομικής μάζας.
Beta Decay - Σύλληψη ηλεκτρονίων
Ο τελευταίος τύπος διάσπασης βήτα είναι αρκετά διαφορετικός από τους δύο πρώτους. Κατά τη δέσμευση ηλεκτρονίων, ένα πρωτόνιο «απορροφά» ένα ηλεκτρόνιο και μετατρέπεται σε νετρόνιο, με την απελευθέρωση ενός νετρονίου ηλεκτρονίων. Αυτό επομένως μειώνει τον ατομικό αριθμό (δηλαδή τον αριθμό των πρωτονίων) κατά ένα και αυξάνει τον αριθμό των νετρονίων κατά ένα.
Αυτό μπορεί να φαίνεται ότι παραβιάζει το μοτίβο μέχρι στιγμής, με ένα θέμα και ένα σωματίδιο αντιύλης να εκπέμπεται, αλλά δίνει μια υπόδειξη για τον πραγματικό λόγο αυτής της ισορροπίας. Ο "αριθμός lepton" (τον οποίο μπορείτε να σκεφτείτε ως "οικογένεια ηλεκτρονίων") διατηρείται και ένα ηλεκτρόνιο ή το ηλεκτρόνιο νετρίνο έχει αριθμό λεπτονίου 1, ενώ το ποζιτρόνιο ή το ηλεκτρονικό αντινετρίνο έχει αριθμό λεπτονών −1.
Θα πρέπει να μπορείτε να δείτε ότι όλες οι άλλες διαδικασίες το εκπληρώνουν εύκολα. Για τη δέσμευση ηλεκτρονίων, ο αριθμός λεπτονών μειώνεται κατά 1 όταν συλλαμβάνεται το ηλεκτρόνιο, οπότε για να εξισορροπηθεί αυτό, πρέπει να εκπέμπεται ένα σωματίδιο με αριθμό λεπτονίου 1.
Ο υπολογισμός της ενέργειας που απελευθερώνεται στη δέσμευση ηλεκτρονίων είναι πολύ απλός: Επειδή το ηλεκτρόνιο προέρχεται από το γονικό άτομο, δεν χρειάζεται να ανησυχείτε για τη διαφορά του αριθμού των ηλεκτρονίων μεταξύ γονέα και κόρης άτομα. Βρίσκετε ΔΜαφαιρώντας απλώς τη μάζα του θυγατρικού ατόμου από εκείνη του γονικού ατόμου. Η έκφραση για τη διαδικασία θα γραφτεί γενικά με το ηλεκτρόνιο στην αριστερή πλευρά, αλλά ο απλός κανόνας σας υπενθυμίζει ότι αυτό είναι στην πραγματικότητα μέρος του γονικού ατόμου όσον αφορά τη μάζα.
Αποσύνθεση γάμμα
Η διάσπαση γάμμα περιλαμβάνει την εκπομπή ενός φωτονίου υψηλής ενέργειας (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία), αλλά ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων στο άτομο δεν αλλάζει ως αποτέλεσμα της διαδικασίας. Είναι ανάλογο με την εκπομπή ενός φωτονίου όταν ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει από μια κατάσταση υψηλότερης ενέργειας σε μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, αλλά η μετάβαση σε αυτήν την περίπτωση πραγματοποιείται στον πυρήνα του ατόμου.
Όπως και στην ανάλογη κατάσταση, η μετάβαση από μια κατάσταση υψηλότερης ενέργειας σε μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας εξισορροπείται από την εκπομπή ενός φωτονίου. Αυτά έχουν ενέργειες άνω των 10 keV και γενικά ονομάζονται ακτίνες γάμμα, αν και ο ορισμός δεν είναι πραγματικά αυστηρός (το εύρος ενέργειας επικαλύπτεται με ακτίνες Χ, για παράδειγμα).
Η εκπομπή άλφα ή βήτα μπορεί να αφήσει έναν πυρήνα σε κατάσταση υψηλότερης ενέργειας, διέγερσης και η ενέργεια που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα αυτών των διεργασιών γίνεται με τη μορφή ακτίνων γάμμα. Ωστόσο, ο πυρήνας μπορεί επίσης να καταλήξει σε κατάσταση υψηλότερης ενέργειας μετά από σύγκρουση με άλλο πυρήνα ή να χτυπηθεί από ένα νετρόνιο. Το αποτέλεσμα σε όλες τις περιπτώσεις είναι το ίδιο: Ο πυρήνας πέφτει από τη διεγερμένη του κατάσταση σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας και απελευθερώνει ακτίνες γάμμα στη διαδικασία.
Παραδείγματα ραδιενεργού αποσύνθεσης - ουράνιο
Το ουράνιο-238 αποσυντίθεται στο θόριο-234 με την απελευθέρωση ενός άλφα σωματιδίου (δηλαδή, ενός πυρήνα ηλίου), και αυτό είναι ένα από τα πιο γνωστά παραδείγματα ραδιενεργού αποσύνθεσης. Η διαδικασία μπορεί να αναπαρασταθεί ως:
^ {238} \ text {U} \ to \; ^ {234} \ text {Th} + \; ^ 4 \ text {He}
Για να υπολογίσετε πόση ενέργεια απελευθερώνεται σε αυτήν τη διαδικασία, θα χρειαστείτε τις ατομικές μάζες: 238U = 238.05079 π.μ., 234Th = 234.04363 π.μ. και 4He = 4,00260 amu, με όλες τις μάζες να εκφράζονται σε μονάδες ατομικής μάζας. Τώρα για να υπολογίσετε πόση ενέργεια απελευθερώνεται στη διαδικασία, το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να βρείτε το ΔΜαφαιρώντας τις μάζες των προϊόντων από τη μάζα του αρχικού γονικού ατόμου και, στη συνέχεια, υπολογίστε την ποσότητα ενέργειας που αντιπροσωπεύει.
\ start {aligned} Δm & = \ text {(μάζα γονέα)} - \ κείμενο {(μάζα προϊόντων)} \\ & = 238.05079 \ κείμενο {amu} - 234.04363 \ κείμενο {amu} - 4.00260 \ text {amu} \\ & = 0,00456 \ text {amu} \\ E & = Δmc ^ 2 \\ & = 0,00456 \ text {amu} × 931,494 \ κείμενο {MeV / amu} \\ & = 4,25 \ κείμενο {MeV} \ end {στοίχιση}
Παράδειγμα ραδιενεργού αποσύνθεσης πολλαπλών βημάτων
Η ραδιενεργή διάσπαση συμβαίνει συχνά σε αλυσίδες, με πολλαπλά βήματα μεταξύ της αφετηρίας και του τελικού σημείου. Αυτές οι αλυσίδες αποσύνθεσης είναι μεγάλες και απαιτούν πολλά βήματα για τον υπολογισμό της ενέργειας που απελευθερώνεται σε ολόκληρη τη διαδικασία, αλλά η λήψη ενός κομματιού μιας τέτοιας αλυσίδας απεικονίζει την προσέγγιση.
Εάν κοιτάξετε την αλυσίδα αποσύνθεσης του θορίου-232, κοντά στο τέλος της αλυσίδας, ένας ασταθής πυρήνας (δηλαδή, ένα άτομο ενός ασταθούς ισότοπου, με ένας σύντομος χρόνος ημίσειας ζωής) του βισμούθιου-212 υφίσταται β-μείον αποσύνθεση σε πολώνιο-212, το οποίο στη συνέχεια υποβάλλεται σε διάσπαση άλφα σε μόλυβδο-208, ένα σταθερό ισότοπο. Μπορείτε να υπολογίσετε την ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτήν τη διαδικασία λαμβάνοντας την βήμα προς βήμα.
Πρώτον, η β-μείον αποσύνθεση από το βισμούθιο-212 (Μ= 211,99129 amu) σε πολώνιο-212 (Μ= 211.98887 amu) δίνει:
\ begin {aligned} Δm & = \ text {(μάζα γονέα)} - \ text {(μάζα κόρης)} \\ & = 211.99129 \ text {amu} - 211.98887 \ text {amu} \\ & = 0.00242 \ text {amu} \ end {aligned}
Υπενθυμίζοντας ότι η αλλαγή στους αριθμούς ηλεκτρονίων ακυρώνεται σε βήτα-μείον αποσύνθεση. Αυτό απελευθερώνει:
\ begin {aligned} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00242 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 2.25 \ text {MeV} \ τέλος {στοίχιση}
Το επόμενο στάδιο είναι η διάσπαση άλφα από το πολώνιο-212 έως το μόλυβδο-208 (Μ= 207.97665 amu) και έναν πυρήνα ηλίου.
\ begin {aligned} Δm & = \ text {(μάζα γονέα)} - \ text {(μάζα προϊόντων)} \\ & = 211.98887 \ text {amu} - 207.97665 \ text {amu} - 4.00260 \ text { amu} \\ & = 0,00962 \ κείμενο {amu} \ τέλος {στοίχιση}
Και η ενέργεια είναι:
\ begin {aligned} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00962 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 8.96 \ text {MeV} \ τέλος {στοίχιση}
Συνολικά, υπάρχει 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV ενέργειας που απελευθερώνεται στη διαδικασία. Φυσικά, εάν είστε προσεκτικοί (συμπεριλαμβανομένου του σωματιδίου άλφα και επιπλέον ηλεκτρονίων εάν η διαδικασία σας περιλαμβάνει διάσπαση beta-plus) εσείς μπορεί να υπολογίσει τη διαφορά μάζας σε ένα μόνο βήμα και μετά να μετατρέψει, αλλά αυτή η προσέγγιση σας λέει την ενέργεια που απελευθερώνεται σε κάθε ένα στάδιο.