Radioaktiivisen hajoamisen tyypit: alfa, beeta, gamma

​Radioaktiivinenon sana, jota ei ymmärretä niin hyvin. Pelon suo ja luonnostaan ​​ulkomaalaisena ja vaarallisena vaikuttava radioaktiivisen hajoamisen luonne on asia, josta kannattaa oppia, olitpa fysiikan opiskelija vai vain kiinnostunut maallikko.

Todellisuudessa radioaktiivisuus kuvaa olennaisesti ydinreaktioita, jotka johtavat muutokseen elementin atomiluvussa ja / tai gammasäteilyn vapautumiseen. Se on vaarallista suurina määrinä, koska vapautunut säteily on "ionisoivaa" (ts. Sillä on riittävästi energiaa elektronien poistamiseksi atomista) mutta se on mielenkiintoinen fyysinen ilmiö, ja käytännössä useimmat ihmiset eivät koskaan ole tarpeeksi radioaktiivisten aineiden lähellä vaarassa.

Ytimet voivat saavuttaa pienemmän energiatilan fuusion avulla - jolloin kaksi ydintä sulautuu yhteen muodostaen painavamman ydin, vapauttamalla energiaa prosessissa - tai fissiolla, joka on raskas alkuaineen jakaminen kevyemmäksi yhdet. Fissio on energialähde ydinreaktoreissa ja myös ydinaseissa, ja erityisesti tätä useimmat ihmiset kuvittelevat ajatellessaan radioaktiivisuutta. Mutta suurimmaksi osaksi aikaa, kun ytimet muuttuvat luonnossa alemman energian tilaan, radioaktiivinen hajoaminen on alaspäin.

Radioaktiivista hajoamista on kolme tyyppiä: alfa-, beeta- ja gammahajotus, vaikka beetahajoamisekin itsessään on kolmea erilaista. Näiden ydinrappomuotojen oppiminen on olennainen osa ydinfysiikan kurssia.

Alfa-hajoaminen tapahtuu, kun ydin tuottaa niin sanotun "alfa-hiukkasen" (α-hiukkanen). Alfa-hiukkanen on yhdistelmä kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, jotka, jos tunnet jaksollisen taulukon, tunnistat heliumin ytimeksi.

Prosessi on melko helppo ymmärtää saadun atomin massan ja ominaisuuksien suhteen: Se menettää neljä sen massanumero (kaksi protoneista ja kaksi elektronista) ja kaksi sen atomiluvusta (kahdesta protonista) menetetty). Tämä tarkoittaa, että alkuperäisestä atomista (ts. "Emo-ytimestä") tulee erilainen elementti ("tytär-ytimen perusteella") alfa-hajoamisen jälkeen.

Kun lasketaan alfa-hajoamisessa vapautunut energia, sinun on vähennettävä heliumytimen ja tytäratomin emoatomin massasta ja muuntaa tämä energian arvoksi käyttämällä Einsteinin kuuluisaa yhtälöE​ = ​mc​². Tämän laskennan suorittaminen on yleensä helpompaa, jos työskentelet atomimassayksikköinä (amu) ja kerrot puuttuva massa kertoimellac​² = 931,494 MeV / amu. Tämä palauttaa energian arvon MeV: ssä (ts. Mega-elektronivolttit), jolloin elektronivoltti on yhtä suuri kuin 1,602 × 10⁻⁹ joulea ja yleensä mukavampi yksikkö työskentelyyn atomimittakaavan energioissa.

Koska beetahajoamisella on kolme erilaista lajiketta, on hyödyllistä oppia niistä jokaisesta vuorotellen, vaikka niiden välillä on paljon yhtäläisyyksiä. Beeta-plus-hajoaminen on silloin, kun protoni muuttuu neutroniksi vapauttamalla beeta-plus-partikkeli (ts. Β + -hiukkanen) yhdessä varauksettoman, lähes massattoman partikkelin kanssa, jota kutsutaan neutriinoksi. Tämän prosessin seurauksena tytäratomilla on yksi vähemmän protonia ja yksi enemmän neutronia kuin emoatomilla, mutta sama kokonaismassa.

Beeta-plus-hiukkasia kutsutaan tosiasiallisesti positroniksi, joka on elektronia vastaava antiaineen hiukkanen. Sillä on saman kokoinen positiivinen varaus kuin elektronin negatiivinen varaus ja sama massa kuin elektronilla. Vapautunutta neutriinoa kutsutaan teknisesti elektronineutriinoksi. Huomaa, että tässä prosessissa vapautuu yksi säännöllisen aineen hiukkanen ja yksi antimateriaalin hiukkanen.

Tässä hajoamisprosessissa vapautuneen energian laskeminen on hieman monimutkaisempaa kuin muille rappeutuminen, koska emoatomin massa sisältää yhden elektronin enemmän kuin tytäratomin massa massa. Tämän lisäksi sinun on myös vähennettävä prosessissa erittyvän β + -hiukkasen massa. Pohjimmiltaan sinun on vähennettävä tytärhiukkasen massa jakaksielektronit lähtöhiukkasen massasta ja muuttuvat sitten energiaksi kuten aiemmin. Neutrino on niin pieni, että se voidaan unohtaa turvallisesti.

Beeta-miinus-hajoaminen on olennaisesti päinvastainen beeta-plus-hajoamisen prosessi, jossa neutroni muuttuu protoni, joka vapauttaa beeta-miinuspartikkelin (β-hiukkasen) ja elektroniantineutriinon prosessi. Tämän prosessin takia tytäratomissa on yksi vähemmän neutronia ja yksi protoni enemmän kuin emoatomissa.

Β-hiukkanen on itse asiassa elektroni, mutta sillä on eri nimi tässä yhteydessä, koska kun hajoamisen beeta-emissio löydettiin ensimmäisen kerran, kukaan ei tiennyt mikä hiukkanen todellisuudessa oli. Lisäksi niiden kutsuminen beeta-hiukkasiksi on hyödyllistä, koska se muistuttaa sinua siitä, että se tulee beetan hajoamisprosessista, ja se voi olla hyödyllistä, kun olet yrittää muistaa, mitä kussakin tapahtuu - positiivinen beeta-partikkeli vapautuu beeta-plus-hajoamisessa ja negatiivinen beeta-hiukkanen vapautuu beeta-miinus rappeutuminen. Tässä tapauksessa neutriino on kuitenkin antiaineen hiukkanen, mutta prosessissa vapautuu jälleen yksi antiaine ja yksi säännöllisen aineen hiukkanen.

Tämän tyyppisessä beetahajoamisessa vapautuneen energian laskeminen on hieman yksinkertaisempaa, koska tytäratomin hallussa oleva ylimääräinen elektroni poistuu beetapäästöjen menetetyn elektronin kanssa. Tämä tarkoittaa, että laskea calculatem, yksinkertaisesti vähennät tytäratomin massan emoatomista ja kerrot sitten neliön valon nopeudella (c​²), kuten aikaisemmin, ilmaistuna mega-elektronivoltteina atomi- massayksikköä kohti.

Viimeinen beeta-hajoamistyyppi on aivan erilainen kuin kaksi ensimmäistä. Elektronien sieppauksessa protoni "absorboi" elektronin ja muuttuu neutroniksi vapauttamalla elektroni-neutrino. Tämä vähentää siis atomilukua (eli protonien lukumäärää) yhdellä ja lisää neutronien lukumäärää yhdellä.

Tämä saattaa tuntua siltä, ​​että se rikkoo toistaiseksi esiintyvää mallia, jolloin yksi aine ja yksi antiainehiukkanen ovat emittoituneet, mutta se antaa vihjeen tämän tasapainon todellisesta syystä. "Leptoniluku" (jonka voit ajatella "elektroniperheen" numeroksi) on säilynyt, ja elektroni tai elektroni-neutriinolla on leptoniluku 1, kun taas positronilla tai elektronilla antineutriinolla on leptoniluku −1.

Sinun pitäisi pystyä näkemään, että kaikki muut prosessit täyttävät tämän helposti. Elektronin talteenottoa varten leptoniluku pienenee yhdellä, kun elektroni siepataan, joten tämän tasapainottamiseksi on päästettävä hiukkanen, jonka leptoniluku on 1.

Elektronin sieppauksessa vapautuneen energian laskeminen on melko yksinkertaista: Koska elektroni tulee pääatomista, sinun ei tarvitse huolehtia siitä, että otetaan huomioon vanhempien ja tyttärien välinen elektronimäärä atomeja. Löydät ∆mvähentämällä yksinkertaisesti tytäratomin massa emoatomin massasta. Lauseke prosessille kirjoitetaan yleensä elektronin vasemmalla puolella, mutta yksinkertainen sääntö muistuttaa sinua siitä, että tämä on itse asiassa osa emoatomia massan suhteen.

Gamma-hajoamiseen liittyy suurenergisen fotonin (sähkömagneettinen säteily) emissio, mutta atomien protonien ja neutronien lukumäärä ei muutu prosessin seurauksena. Se on analoginen fotonin emissiolle, kun elektroni siirtyy korkeammasta energiatilasta alempaan energiatilaan, mutta tässä tapauksessa siirtymä tapahtuu atomin ytimessä.

Aivan kuten analogisessa tilanteessa, siirtyminen korkeammasta energiatilasta alempaan energiatilaan tasapainotetaan fotonin emissiolla. Näillä on yli 10 keV: n energiaa ja niitä kutsutaan yleensä gammasäteiksi, vaikka määritelmä ei olekaan kovin tiukka (esimerkiksi energia-alue menee päällekkäin röntgensäteiden kanssa).

Alfa- tai beeta-säteily voi jättää ytimen korkeamman energian viritetyssä tilassa, ja näiden prosessien seurauksena vapautuva energia tapahtuu gammasäteiden muodossa. Ydin voi kuitenkin päätyä myös korkeamman energian tilaan törmätessään toiseen ytimeen tai iskiessään neutronin. Tulos on kaikissa tapauksissa sama: Ydin putoaa viritetystä tilastaan ​​alemman energian tilaan ja vapauttaa gammasäteitä prosessin aikana.

Uraani-238 hajoaa torium-234: ksi vapauttamalla alfahiukkasen (ts. Heliumytimen), ja tämä on yksi tunnetuimmista esimerkeistä radioaktiivisesta hajoamisesta. Prosessi voidaan esittää seuraavasti:

Tarvitset atomimassat voidaksesi laskea kuinka paljon energiaa vapautuu tässä prosessissa: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234,04363 amu ja ⁴He = 4,00260 amu, kaikki massat ilmaistuna atomimassayksikköinä. Nyt voit selvittää kuinka paljon energiaa vapautuu prosessissa, sinun tarvitsee vain löytää ∆mvähentämällä tuotteiden massat alkuperäisen kantatomin massasta ja laskemalla sitten edustamasi energiamäärä.

Radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu usein ketjuina, jolloin lähtö- ja loppupisteen välillä on useita vaiheita. Nämä hajoamisketjut ovat pitkiä ja vaativat monia vaiheita sen laskemiseksi, kuinka paljon energiaa vapautuu koko prosessista, mutta yhden tällaisen ketjun ottaminen havainnollistaa lähestymistapaa.

Jos katsot torium-232: n hajoamisketjua, lähellä ketjun päätä, epävakaata ydintä (ts. Epävakaan isotoopin atomia, lyhyt puoliintumisaika) vismutti-212 läpäisee beeta-miinus hajoamisen polonium-212: ksi, joka sitten alfa hajoaa lyijy-208: ksi, stabiiliksi isotooppi. Voit laskea tässä prosessissa vapautuneen energian ottamalla sen vaihe vaiheelta.

Ensinnäkin vismutti-212: n beeta-miinus hajoaminen (m= 211,99129 amu) polonium-212: ksi (m= 211,98887 amu) antaa:

Muista, että elektronilukujen muutos peruuntuu beeta-miinus-hajoamisessa. Se vapauttaa:

Seuraava vaihe on alfa-hajoaminen polonium-212: sta lyijy-208: een (m= 207,97665 amu) ja yksi heliumydin.

Ja energia on:

Sitten prosessissa vapautuu energiaa 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV. Tietenkin, jos olet varovainen (mukaan lukien alfa-hiukkanen ja lisäelektronit, jos prosessi sisältää beeta-plus-hajoamisen), osaa laskea massaeron yhdessä vaiheessa ja sitten muuntaa, mutta tämä lähestymistapa kertoo sinulle kullekin vapautuneen energian vaiheessa.