Radioaktiivneon sõna, mida ei mõisteta nii hästi. Hirmutatud ning oma olemuselt võõra ja ohtlikuna tunduv radioaktiivse lagunemise olemus on asi, millest tasub teada saada, kas olete füüsikaõpilane või lihtsalt huvitatud võhik.
Reaalsus on see, et radioaktiivsus kirjeldab põhiliselt tuumareaktsioone, mis toovad kaasa elemendi aatomnumbri muutuse ja / või gammakiirguse vabanemise. See on suures koguses ohtlik, kuna eralduv kiirgus on „ioniseeriv“ (st sellel on piisavalt energiat elektronide eemaldamiseks aatomitest) kuid see on huvitav füüsiline nähtus ja praktikas ei ole enamik inimesi kunagi piisavalt radioaktiivsete materjalide läheduses, et ohtu sattuda.
Tuumad võivad madalama energia seisundi saavutada liitmise teel - see on siis, kui kaks tuuma sulanduvad kokku, moodustades raskema tuum, vabastades energiat protsessis - või lõhustumise teel, mis on raskete elementide lahutamine kergemateks ühed. Lõhustumine on energiaallikas tuumareaktorites ja ka tuumarelvades ning eriti seda kujutab enamik inimesi radioaktiivsusele mõeldes. Kuid enamasti, kui tuumad muutuvad looduses madalama energia olekuks, on see tingitud radioaktiivsest lagunemisest.
Radioaktiivset lagunemist on kolme tüüpi: alfa lagunemine, beeta lagunemine ja gamma lagunemine, kuigi beeta lagunemist iseenesest on kolme erinevat tüüpi. Nende tuumalagunemisvormide tundmaõppimine on mis tahes tuumafüüsika kursuse oluline osa.
Alfa lagunemine
Alfa lagunemine toimub siis, kui tuum eraldab nn alfaosakest (α-osakest). Alfaosake on kahe prootoni ja kahe neutroni kombinatsioon, mille kui tunnete oma perioodilist tabelit, tunnete end ära heeliumituumana.
Protsessi on saadud aatomi massi ja omaduste osas üsna lihtne mõista: see kaotab neli selle massinumber (kaks prootonilt ja kaks elektronidelt) ja kaks aatominumbrilt (kahelt prootonilt) kadunud). See tähendab, et algsest aatomist (s.t. "põhituumast") saab pärast alfa lagunemist erinev element (tuginedes "tütre" tuumale).
Alfa lagunemisel vabaneva energia arvutamisel peate lahutama heeliumi tuuma ja tütre aatomi lähteaatomi massist ja muundage see energia väärtuseks, kasutades Einsteini kuulsat võrrandE = mc2. Tavaliselt on seda arvutust lihtsam teha, kui töötate aatommassiühikutes (amu) ja korrutate puuduva massi tegurigac2 = 931,494 MeV / amu. See tagastab energia väärtuse MeV-s (st mega-elektronvoltides), kusjuures elektronpinge on võrdne 1,602 × 10−9 džaulid ja üldiselt mugavam seade aatomi skaala energias töötamiseks.
Beeta lagunemine: beeta-pluss lagunemine (positroni emissioon)
Kuna beetalagunemisel on kolm erinevat sorti, on kasulik õppida neist igaühte kordamööda, ehkki nende vahel on palju sarnasusi. Beeta-pluss lagunemine on siis, kui prooton muutub neutroniks, vabanedes beeta-pluss-osake (st β + osake) koos laenguta, peaaegu massita osakese, mida nimetatakse neutriinoks. Selle protsessi tulemusena on tütre aatomil üks vähem prootoneid ja üks neutron rohkem kui vanem aatomil, kuid sama üldine massinumber.
Beeta-pluss-osakest nimetatakse tegelikult positroniks, mis on elektronile vastav antiaine osake. Sellel on sama suur positiivne laeng kui elektroni negatiivsel laengul ja sama mass kui elektronil. Vabanenud neutriinot nimetatakse tehniliselt elektronneutriinoks. Pange tähele, et selles protsessis eraldub üks osake tavalisest ainest ja üks antiaine osake.
Selles lagunemisprotsessis vabaneva energia arvutamine on veidi keerulisem kui teiste vormide puhul lagunemine, kuna lähteaatomi mass sisaldab veel ühe elektroni massi kui tütre aatomi mass mass. Lisaks peate lahutama ka protsessi käigus eralduva β + osakese massi. Sisuliselt peate lahutama tütreosakese massi jakakselektronid osakese massist ja muunduvad seejärel energiaks nagu varem. Neutriino on nii väike, et selle võib ohutult unarusse jätta.
Beeta lagunemine: beeta-miinus lagunemine
Beeta-miinus lagunemine on põhimõtteliselt beeta-pluss lagunemise vastupidine protsess, kus neutron muutub prooton, vabastades beeta-miinusosakese (β-osake) ja elektroni antineutriino protsess. Selle protsessi tõttu on tütre aatomil üks vähem neutronit ja üks prooton rohkem kui lähteaatomil.
Β− osake on tegelikult elektron, kuid sellel on selles kontekstis teine nimi, sest kui lagunemise beeta-emissioon esmakordselt avastati, ei teadnud keegi, mis see osake tegelikult on. Lisaks on neile beetaosakesteks nimetamine kasulik, sest see tuletab teile meelde, et see pärineb beeta lagunemisprotsessist ja see võib olla kasulik, kui olete püüdes meenutada, mis juhtub mõlemas - positiivne beetaosake vabaneb beeta-pluss lagunemises ja negatiivne beetaosake vabaneb beeta-miinus lagunemine. Sel juhul on neutriino siiski antiaine osake, kuid jällegi vabaneb protsessis üks antiaine ja üks tavalise aine osake.
Seda tüüpi beetalagunemise käigus vabaneva energia arvutamine on veidi lihtsam, sest tütre aatomi valduses olev ekstra elektron kustub koos beetaemissioonis kadunud elektroniga. See tähendab, et ∆ arvutamiseksm, siis lahutate tütre aatomi massi lihtsalt aatomi massist ja korrutate seejärel valguskiirusega ruudus (c2), nagu varemgi, väljendatuna mega-elektronvoltides aatommassiühiku kohta.
Beeta lagunemine - elektronide püüdmine
Viimane beetalagunemise tüüp erineb kahest esimesest. Elektroonide püüdmisel "neelab" prooton elektroni ja muutub neutroniks, vabastades elektroni neutriino. Seetõttu vähendab see aatomi arvu (s.o prootonite arvu) ühe võrra ja suurendab neutronite arvu ühe võrra.
See võib tunduda, et see rikub senist mustrit, kus eraldub üks aine ja üks antiaine osake, kuid annab vihje selle tasakaalu tegelikule põhjusele. "Leptoni number" (mida võite mõelda kui "elektronide perekonna" numbrit) on konserveeritud ja elektron või elektronneutriinil on leptoonarv 1, positronil või elektronantineutriinol on aga −1.
Peaksite nägema, et kõik muud protsessid täidavad seda lihtsalt. Elektroonide püüdmiseks väheneb lepooni arv elektroni püüdmisel 1 võrra, nii et selle tasakaalustamiseks tuleb emiteerida osakest leptooni arvuga 1.
Elektroonide püüdmisel vabaneva energia arvutamine on üsna lihtne: kuna elektron pärineb ema-aatomist, vanema ja tütre vahelise elektronide arvu erinevuse arvestamise pärast ei pea te muretsema aatomid. Leiad ∆mlahutades tütre aatomi mass lihtsalt aatomi massist. Protsessi avaldis kirjutatakse üldjuhul elektroniga vasakul küljel, kuid lihtne reegel tuletab teile meelde, et see on massi poolest tegelikult osa aatomi aatomist.
Gamma lagunemine
Gamma lagunemine hõlmab suure energiaga footoni (elektromagnetkiirgus) kiirgamist, kuid prootonite ja neutronite arv aatomis ei muutu protsessi tulemusena. See on analoog footoni kiirgusega, kui elektron siirdub kõrgema energia olekust madalama energia olekusse, kuid üleminek toimub sel juhul aatomi tuumas.
Täpselt nagu analoogses olukorras, tasakaalustatakse üleminek kõrgema energia olekust madalama energia olekusse footoni kiirgusega. Nende energia on üle 10 keV ja neid nimetatakse tavaliselt gammakiirteks, ehkki määratlus pole tegelikult range (näiteks energia vahemik kattub röntgenikiirtega).
Alfa- või beeta-emissioon võib jätta tuuma suurema energiaga ergastatud olekusse ning nende protsesside tulemusena vabanev energia toimub gammakiirte kujul. Kuid tuum võib pärast teise tuumaga kokkupõrget või neutroni lööki sattuda ka suurema energiaga olekusse. Tulemus on kõigil juhtudel sama: tuum langeb ergastatud olekust madalama energia olekusse ja vabastab selle käigus gammakiiri.
Näited radioaktiivsest lagunemisest - uraan
Uraan-238 laguneb toorium-234-ks alfaosakese (st heeliumituuma) vabanemisega ja see on üks tuntumaid radioaktiivse lagunemise näiteid. Protsessi võib esitada järgmiselt:
^ {238} \ text {U} \ to \; ^ {234} \ text {Th} + \; ^ 4 \ text {He}
Selles protsessis eralduva energia arvutamiseks vajate aatommassi: 238U = 238,05079 amu, 234Th = 234,04363 amu ja 4Ta = 4,00260 amu, kusjuures kõik massid on väljendatud aatommassiühikutes. Nüüd, et välja selgitada, kui palju energiat selle käigus eraldub, on vaja vaid leida ∆mlahutades toodete massid algse aatomi massist ja arvutades siis selle esindatava energia hulga.
\ begin {joondatud} ∆m & = \ text {(vanema mass)} - \ text {(toodete mass)} \\ & = 238.05079 \ text {amu} - 234.04363 \ text {amu} - 4.00260 \ text {amu} \\ & = 0.00456 \ text {amu} \\ E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00456 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 4.25 \ text {MeV} \ end {joondatud}
Mitmeastmeline radioaktiivse lagunemise näide
Radioaktiivne lagunemine toimub sageli ahelates, lähtepunkti ja lõpppunkti vahel on mitu sammu. Need lagunemisahelad on pikad ja vajaksid palju samme, et arvutada, kui palju energiat kogu protsessi käigus eraldub, kuid ühe sellise ahela tükikese võtmine illustreerib lähenemist.
Kui vaatate tooriumi-232 lagunemisahelat, mis on ahela otsa lähedal, on ebastabiilne tuum (st ebastabiilse isotoobi aatom, koos lühike poolväärtusaeg) vismut-212 läbib beeta-miinus lagunemise poloonium-212-ks, mis seejärel alfa laguneb plii-208-ks, stabiilseks isotoop. Selles protsessis vabanevat energiat saate arvutada samm-sammult.
Esiteks vismuti-212 beeta-miinus lagunemine (m= 211,99129 amu) poloonium-212-ks (m= 211,98887 amu) annab:
\ begin {joondatud} ∆m & = \ text {(vanema mass)} - \ text {(tütre mass)} \\ & = 211.99129 \ text {amu} - 211.98887 \ text {amu} \\ & = 0.00242 \ text {amu} \ end {joondatud}
Pidades meeles, et elektronide arvu muutus tühistab beeta-miinus lagunemise. See vabastab:
\ begin {joondatud} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00242 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 2.25 \ text {MeV} \ end {joondatud}
Järgmine etapp on alfa lagunemine poloonium-212-st plii-208-ni (m= 207,97665 amu) ja üks heeliumituum.
\ begin {joondatud} ∆m & = \ text {(vanema mass)} - \ text {(toodete mass)} \\ & = 211.98887 \ text {amu} - 207.97665 \ text {amu} - 4.00260 \ text { amu} \\ & = 0.00962 \ text {amu} \ end {joondatud}
Ja energia on:
\ begin {joondatud} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00962 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 8.96 \ text {MeV} \ end {joondatud}
Kokku eraldub siis protsessis 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energiat. Muidugi, kui olete ettevaatlik (sh alfaosake ja täiendavad elektronid, kui teie protsess sisaldab beeta-pluss lagunemist), peate oskab ühe sammuga arvutada masside erinevuse ja seejärel teisendada, kuid see lähenemine ütleb teile igaühe puhul vabaneva energia etapp.