Što su alfa, beta i gama čestice?

Alfa, beta, gama zrake: Gotovo zvuči kao slogan filma iz stare škole o vanzemaljcima iz svemira, koji su tek stigli na Zemlju sa svojim ultra-tehnološkim uređajima (i nadamo se toplom raspoloženju). U stvarnosti, ovo nije previše daleko. Alfa, beta i gama zračenja stvarni su entiteti u svijetu fizike i vrijedi ih izbjegavati kada možete njime upravljati.

Vjerojatno znate da se različite vrste atoma mogu udružiti kroz proces kemijske veze da bi stvorile molekule. Na primjer, dva atoma vodika (H na periodnom sustavu elemenata) i jedan atom kisika (O) mogu se kombinirati u molekulu vode (H₂O). Ova se molekula može razbiti u ione H + i OH– prekidom jedne od O-H veza.

U kemijskim vezama elektroni različitih atoma međusobno djeluju, ali njihove jezgre (množina jezgre) ostaju netaknute. To je zato što je sila koja drži protone i neutrone zajedno izuzetno jaka u usporedbi s elektrostatičkim silama u osnovi kemijske veze između atoma.

Ipak, atomske jezgre raspadaju, obično spontano i često nevjerojatno niskom brzinom, ovisno o tome koji je element. Ova radioaktivnost dolazi u tri osnovna okusa predstavljena u prvoj rečenici ovog članka:

Atom su svojedobno pomalo oštro opisivali kao "najmanju nedjeljivu stvar" čak i ljudi koji su to znali. Ova je definicija na neki način istinita: Uzmite bilo koji pojedinačni element ili tvar izrađenu od jedne nesvodive komponente, a atom je najmanja cijela jedinica te tvari. Od 2020. na periodnom sustavu nalazi se 118 elemenata, od kojih se 92 prirodno javljaju.

Atomi se sastoje od jezgre koja ima jedan ili više protona i, osim vodika (najmanji element), najmanje jedan neutron. Oni također imaju jedan ili više elektrona, koji se nalaze na određenoj udaljenosti od jezgre u određenim razinama energije.

Protoni su pozitivno nabijeni, a elektroni negativno nabijeni, s veličinom naboja jednakom u svakom. Budući da atom u osnovnom stanju ima jednak broj protona kao i elektroni, atomi jesu električno neutralan osim ako nisu ionizirani (tj. njihov se elektronski broj mijenja).

Protonski broj atoma njegov je atomski broj na periodnom sustavu i određuje identitet (ime) elementa. Neki atomi mogu dobiti ili izgubiti neutrone dok nastavljaju sretno postojati, ali ako jezgra izgubi ili dobije proton umjesto toga, to je promjena igre, jer sada, bez obzira na element, ima potpuno novo ime i nove atribute to.

Sila koja drži protone i neutrone na okupu ne bez razloga se naziva jaka nuklearna sila. Jezgre atoma mogu se smatrati, u određenom smislu, kako sjede u središtu sve tvari, tako da su njihove krajnosti stabilnost ima smisla u kozmosu prepunom organizacije i sposobnom održati život na barem jednom skromnom planeta.

Ali jezgre nisu savršeno stabilne i s vremenom propadaju, emitirajući čestice i energiju. Svaki element koji prolazi radioaktivni raspad, ili preciznije izotop elementa koji se proučava, ima svoj karakteristični poluživot, koji se može koristiti za predviđanje koliko će se jezgara raspasti tijekom vremena, a pritom ne pruža informacije o bilo kojoj jezgri. Stoga je sličan riziku, u osnovi statistika vjerojatnosti.

Vrijeme poluraspada radioaktivne vrste potrebno je da polovica nestabilnih jezgri u uzorku propadne u drugačiji oblik. Ovaj broj može ići vrlo visoko, na milijarde godina, iako je za ugljik-14 to oko 5.730 godina (pad u geološkom vremenu, ako ne u ljudskim civilizacijama).

Razne vrste radioaktivnog raspada dobivaju prva tri slova grčke abecede. Tako alfa zračenje emitira česticu koja je često predstavljena malom verzijom ovog slova, α. Bilo bi nekonvencionalno, međutim, pisati "α-zračenje".

Ova vrsta čestica jednaka je jezgri atoma helija (He). Helij je drugi element na periodnom sustavu, a s atomskom masom od 4,00 ima dva protona i dva neutrona. Cijeli atom također ima dva elektrona koji uravnotežuju naboj dva protona, ali oni nisu dio alfa čestice, već samo jezgra.

Te su čestice masivne u odnosu na druge vrste zračenja; na primjer, beta čestica je nekih 7000 puta manja. Ovo na površini može činiti da je posebno opasno, ali zapravo je suprotno: Veličina α-čestica znači da vrlo prodiru u stvari, uključujući biološke barijere poput kože slabo.

Beta čestice (β-čestice) zapravo su samo elektroni, ali zadržavaju svoje ime jer njihovo otkriće prethodi formalnoj identifikaciji elektrona kao takvih. Kad atom emitira beta česticu, on istovremeno emitira i drugu subatomsku česticu koja se naziva elektronski antineutrino. Ova čestica dijeli zamah i energiju emisije čestica, ali gotovo nema masu (čak i u usporedbi s elektronom, koji ima samo oko 9,1 × 10^–31 kg mase).

Beta čestice, koje su puno manje od alfa čestica, mogu prodrijeti dublje od njihovih daleko masivnijih kolega.

Druga vrsta beta čestica je pozitron, koji nastaje kao rezultat raspada neutrona u jezgri. Te čestice imaju istu masu kao i elektroni, ali imaju suprotan naboj (otuda i njihovo ime).

Gama zrake, ili γ-zrake, predstavljaju najopasniji rezultat radioaktivnosti za ljude. Oni su bez mase jer uopće nisu čestice. "Zrake" je zapravo kratko za općeniti pojam elektromagnetsko zračenje (EM zračenje), koje putuje brzinom svjetlosti (označeno c, ili 3 × 10⁸ m / s) i dolazi u raznim kombinacijama vrijednosti frekvencije i valne duljine čiji su proizvodi c.

Gama zrake imaju vrlo kratke valne duljine i otuda vrlo visoku energiju. Slični su X-zrakama, samo što X-zrake potječu izvan jezgre. Obično prolaze kroz ljudska tijela ne dodirujući ništa, ali budući da su toliko prodorni, potreban je olovni štit debeo dva centimetra kako bi se osiguralo njihovo zaustavljanje.

Alfa čestice se mogu sigurno zanemariti, u mjeri u kojoj se to odnosi na bilo što klasificirano kao zračenje. U zraku mogu putovati samo oko 10 do 17 cm, a njihova se energija gubi prilikom udara protoni i neutroni bilo kojeg materijala s kojim se susreću, sprečavajući im prodor unaprijediti.

Većina štete od beta čestica dolazi od gutanja ili gutanja. (To se može odnositi i na alfa čestice.) Pijenje ili jedenje radioaktivnog materijala glavni je izvor štete od ove vrste zračenja, iako dugotrajno izlaganje koži može proizvesti opekline.

Gama zrake mogu proći kroz tijela ne udarajući ništa, ali ne postoji sigurnost da će to zaista učiniti i mogu putovati oko kilometar u zraku. Budući da mogu probiti praktički sve, osim što putuju na velike udaljenosti, mogu oštetiti sve tjelesne sustave i njihovu prisutnost u okruženjima sa živim sustavima mora biti pažljivo pratio.