Ποια εκπομπή πυρηνικής αποσύνθεσης αποτελείται μόνο από ενέργεια;

Ο πυρήνας ενός ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από θεμελιώδη σωματίδια γνωστά ως κουάρκ. Κάθε στοιχείο έχει έναν χαρακτηριστικό αριθμό πρωτονίων, αλλά μπορεί να έχει ποικίλες μορφές, ή ισότοπα, καθένα με διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Τα στοιχεία μπορούν να αποσυντεθούν σε άλλα, εάν η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Η ακτινοβολία γάμμα είναι μια εκπομπή αποσύνθεσης καθαρής ενέργειας.

Οι νόμοι της κβαντικής φυσικής το προβλέπουν ένα ασταθές άτομο θα χάσει ενέργεια μέσω της αποσύνθεσης αλλά δεν μπορεί να προβλέψει ακριβώς πότε ένα συγκεκριμένο άτομο θα υποβληθεί σε αυτήν τη διαδικασία. Το περισσότερο που μπορεί να προβλέψει η κβαντική φυσική είναι ο μέσος χρόνος που χρειάζεται μια συλλογή σωματιδίων για την αποσύνθεση. Οι τρεις πρώτοι τύποι πυρηνικής διάσπασης που ανακαλύφθηκαν ονομάστηκαν ραδιενεργή διάσπαση και αποτελούνται από τη διάσπαση άλφα, βήτα και γάμμα. Η διάσπαση άλφα και βήτα μεταδίδει το ένα στοιχείο στο άλλο και συχνά συνοδεύεται από διάσπαση γάμμα, η οποία απελευθερώνει υπερβολική ενέργεια από τα προϊόντα αποσύνθεσης.

Η διάσπαση γάμμα είναι ένα τυπικό υποπροϊόν της εκπομπής πυρηνικών σωματιδίων. Στην αλφα αποσύνθεση, ένα ασταθές άτομο εκπέμπει έναν πυρήνα ηλίου που αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Για παράδειγμα, ένα ισότοπο ουρανίου έχει 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια. Μπορεί να υποστεί αλφα αποσύνθεση, να γίνει το στοιχείο θόριο και να αποτελείται από 90 πρωτόνια και 144 νετρόνια. Η βήτα αποσύνθεση συμβαίνει όταν ένα νετρόνιο γίνεται πρωτόνιο, εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο στη διαδικασία. Για παράδειγμα, η βήτα αποσύνθεση μετατρέπει ένα ισότοπο άνθρακα με έξι πρωτόνια και οκτώ νετρόνια σε άζωτο που περιέχει επτά πρωτόνια και επτά νετρόνια.

Η εκπομπή σωματιδίων αφήνει συχνά το προκύπτον άτομο σε διεγερμένη κατάσταση. Η φύση, ωστόσο, προτιμά ότι τα σωματίδια αναλαμβάνουν την κατάσταση της λιγότερης ενέργειας ή την κατάσταση του εδάφους. Για το σκοπό αυτό, ένας διεγερμένος πυρήνας μπορεί να εκπέμψει μια ακτίνα γάμμα που μεταφέρει την περίσσεια ενέργειας ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Οι ακτίνες γάμμα έχουν πολύ υψηλότερες συχνότητες από αυτές του φωτός, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο. Όπως όλες οι μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, οι ακτίνες γάμμα κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Ένα παράδειγμα εκπομπής ακτίνων γάμμα εμφανίζεται όταν το κοβάλτιο υφίσταται διάσπαση βήτα για να γίνει νικέλιο. Το ενθουσιασμένο νικέλιο εκπέμπει δύο ακτίνες γάμμα για να πέσει στην ενεργειακή του κατάσταση.

Συνήθως χρειάζεται πολύ λίγος χρόνος για έναν ενθουσιασμένο πυρήνα να εκπέμπει μια ακτίνα γάμμα. Ωστόσο, ορισμένοι διεγερμένοι πυρήνες είναι «μεταστατικοί», που σημαίνει ότι ενδέχεται να καθυστερήσουν την εκπομπή ακτίνων γάμμα. Η καθυστέρηση μπορεί να διαρκέσει μόνο ένα δευτερόλεπτο, αλλά μπορεί να εκτείνεται σε λεπτά, ώρες, χρόνια ή ακόμα και περισσότερο. Η καθυστέρηση συμβαίνει όταν η περιστροφή του πυρήνα απαγορεύει τη διάσπαση γάμμα. Ένα άλλο ειδικό φαινόμενο εμφανίζεται όταν ένα ηλεκτρόνιο σε τροχιά απορροφά εκπεμπόμενη ακτίνα γάμμα και εκτοξεύεται από τροχιά. Αυτό είναι γνωστό ως φωτοηλεκτρικό εφέ.