Radioaktivnije riječ koja se ne razumije tako dobro. Preplavljena strahom i koja se u osnovi čini tuđom i opasnom, priroda radioaktivnog raspada nešto je što vrijedi naučiti o tome jeste li student fizike ili ste samo zainteresirani laik.
Stvarnost je takva da radioaktivnost u osnovi opisuje nuklearne reakcije koje dovode do promjene atomskog broja elementa i / ili oslobađanja gama zračenja. Opasno je u velikim količinama jer se zračenje koje se oslobađa "ionizira" (tj. Ima dovoljno energije za uklanjanje elektrona s atoma) ali to je zanimljiv fizički fenomen i u praksi većina ljudi nikada neće biti u blizini radioaktivnih materijala toliko da bude u opasnosti.
Nukleusi fuzijom mogu postići niže energetsko stanje - to je kad se dvije jezgre stope zajedno da bi stvorile teže jezgra, oslobađajući energiju u tom procesu - ili cijepanjem, što je cijepanje teških elemenata na lakše one. Fisija je izvor energije u nuklearnim reaktorima, a također i u nuklearnom oružju, a to je posebno ono što većina ljudi zamišlja kad razmišlja o radioaktivnosti. No, većinu vremena, kada se jezgre u prirodi promijene u niže energetsko stanje, sve se svodi na radioaktivni raspad.
Postoje tri vrste radioaktivnog raspada: alfa raspadanje, beta raspadanje i gama raspadanje, iako beta raspadanje samo po sebi postoji u tri različite vrste. Učenje o tim oblicima nuklearnog raspada presudan je dio svakog tečaja nuklearne fizike.
Alfa raspadanje
Alfa raspad se događa kada jezgra emitira ono što se naziva "alfa čestica" (α-čestica). Alfa čestica kombinacija je dva protona i dva neutrona, koju ćete, ako poznajete svoj periodni sustav, prepoznati kao jezgru helija.
Proces je prilično lako razumjeti u smislu mase i svojstava rezultirajućeg atoma: od njega se gube četiri njegov maseni broj (dva iz protona i dva iz elektrona) i dva iz atomskog broja (iz dva protona izgubljeno). To znači da izvorni atom (tj. "Matična" jezgra) postaje drugačiji element (na temelju jezgre "kćeri") nakon prolaska alfa raspada.
Pri izračunavanju energije oslobođene u alfa raspadu, trebate oduzeti masu jezgre helija i kćerki atom iz mase matičnog atoma i pretvorite to u vrijednost energije koristeći Einsteinova poznata jednadžbaE = mc2. Obično je lakše izvršiti ovaj proračun ako radite u jedinicama atomske mase (amu) i masu koja nedostaje pomnožite s faktoromc2 = 931,494 MeV / amu. To vraća vrijednost energije u MeV (tj. Mega elektrovolti), s elektronskim voltom jednakim 1.602 × 10−9 džula i općenito prikladnija jedinica za rad u energijama na atomskoj skali.
Beta raspadanje: Beta-Plus raspadanje (emisija pozitrona)
Budući da beta propadanje ima tri različite sorte, korisno je naučiti o svakoj zauzvrat, premda postoji mnogo sličnosti među njima. Beta-plus raspad je kada se proton pretvori u neutron, uz oslobađanje beta-plus čestice (tj. Β + čestice) zajedno s nenabijenom, gotovo bez mase česticom koja se naziva neutrino. Kao rezultat ovog procesa, kćerki će atom imati jedan proton manje i jedan neutron više od matičnog atoma, ali isti ukupni maseni broj.
Čestica beta-plus zapravo se naziva pozitron, što je čestica antimaterije koja odgovara elektronu. Ima pozitivan naboj iste veličine kao negativni naboj na elektronu i iste mase kao i elektron. Oslobođeni neutrino tehnički se naziva elektronski neutrino. Primijetite da se u ovom procesu oslobađa jedna čestica pravilne materije i jedna čestica antimaterije.
Izračunavanje energije oslobođene u ovom procesu raspadanja malo je složenije nego za druge oblike raspada, jer će masa matičnog atoma uključivati masu jednog elektrona više od atoma kćeri masa. Povrh toga, također morate oduzeti masu β + čestice koja se emitira u procesu. U osnovi, morate oduzeti masu čestice kćeri idvaelektroni iz mase matične čestice, a zatim se pretvaraju u energiju kao i prije. Neutrino je toliko malen da ga se može sigurno zanemariti.
Beta raspad: Beta-Minus raspadanje
Beta-minus raspad je u osnovi suprotan proces beta-plus raspada, u kojem se neutron pretvara protona, oslobađajući beta-minus česticu (β-česticu) i elektronski antineutrino u postupak. Zbog ovog procesa kćerki će atom imati jedan neutron manje i jedan proton više od matičnog atoma.
Β− čestica je zapravo elektron, ali u ovom kontekstu ima drugačije ime jer kad je prvi put otkrivena beta emisija raspadanja, nitko nije znao što je ta čestica zapravo bila. Uz to, njihovo nazivanje beta česticama korisno je jer vas podsjeća da potječu iz procesa beta raspada i može biti korisno kada ste pokušavajući se sjetiti što se događa u svakoj - pozitivna beta čestica oslobađa se u beta-plus raspadu, a negativna beta čestica oslobađa se u beta-minusu propadanje. U ovom je slučaju neutrino, međutim, čestica antimaterije, ali opet se u procesu oslobađaju jedna antimaterija i jedna uobičajena čestica materije.
Izračunavanje energije oslobođene u ovoj vrsti beta raspada malo je jednostavnije, jer se dodatni elektron koji posjeduje kćerni atom poništava s elektronom izgubljenim u beta emisiji. To znači da za izračun ∆m, jednostavno oduzmete masu atoma kćeri od mase matičnog atoma i zatim pomnožite s kvadratom brzine svjetlosti (c2), kao i prije, izraženo u mega elektvolvoltima po jedinici atomske mase.
Beta raspadanje - hvatanje elektrona
Posljednja vrsta beta propadanja prilično se razlikuje od prva dva. U hvatanju elektrona, proton "apsorbira" elektron i pretvara se u neutron, uz oslobađanje elektronskog neutrina. To dakle smanjuje atomski broj (tj. Broj protona) za jedan i povećava broj neutrona za jedan.
To bi se moglo činiti kao da krši dosadašnji obrazac, pri čemu se emitiraju jedna materija i jedna čestica antimaterije, ali daje naslutiti stvarni razlog ove ravnoteže. "Leptonski broj" (koji možete smatrati brojem "elektronske obitelji") je sačuvan, a elektron ili elektronski neutrino ima leptonski broj 1, dok pozitron ili elektronski antineutrino ima leptonski broj −1.
Trebali biste biti u mogućnosti vidjeti da svi ostali procesi to lako ispunjavaju. Za hvatanje elektrona, broj leptona smanjuje se za 1 kad se elektron uhvati, pa da bi se to uravnotežilo, mora se emitirati čestica s leptonskim brojem 1.
Izračunavanje energije oslobođene pri hvatanju elektrona prilično je jednostavno: jer elektron dolazi iz matičnog atoma, ne trebate se brinuti hoćete li računati razliku u broju elektrona između roditelja i kćeri atoma. Naći ćete ∆mjednostavnim oduzimanjem mase matičnog atoma od matičnog atoma. Izraz za proces obično će biti napisan s elektronom s lijeve strane, ali jednostavno pravilo podsjeća vas da je ovo zapravo dio matičnog atoma u smislu mase.
Gama raspadanje
Gama raspad uključuje emisiju fotona visoke energije (elektromagnetsko zračenje), ali broj protona i neutrona u atomu ne mijenja se kao rezultat procesa. Analogno je emisiji fotona kada elektron prijeđe iz višeg u niže energetsko stanje, ali prijelaz se u ovom slučaju događa u jezgri atoma.
Baš kao u analognoj situaciji, prijelaz iz višeg u niže energetsko stanje uravnotežen je emisijom fotona. Oni imaju energiju veću od 10 keV i obično se nazivaju gama zrakama, iako definicija zapravo nije stroga (raspon energije se preklapa s X-zrakama, na primjer).
Alfa ili beta emisija može jezgru ostaviti u povišenom stanju s višom energijom, a energija koja se oslobađa kao rezultat tih procesa vrši se u obliku gama zraka. Međutim, jezgra također može završiti u stanju više energije nakon sudara s drugom jezgrom ili udara neutronom. Rezultat je u svim slučajevima isti: Jezgra pada iz svog pobuđenog stanja u niže energetsko stanje i pritom oslobađa gama zrake.
Primjeri radioaktivnog raspada - urana
Uran-238 raspada se u torij-234 oslobađanjem alfa čestice (tj. Jezgre helija), a ovo je jedan od najpoznatijih primjera radioaktivnog raspada. Proces se može predstaviti kao:
^ {238} \ text {U} \ to \; ^ {234} \ text {Th} + \; ^ 4 \ text {He}
Da biste izračunali koliko se energije oslobađa u ovom procesu, trebat će vam atomske mase: 238U = 238,05079 amu, 234Th = 234,04363 amu i 4He = 4,00260 amu, sa svim masama izraženim u jedinicama atomske mase. Sada da biste utvrdili koliko se energije oslobađa u procesu, sve što trebate je pronaći ∆moduzimanjem masa proizvoda od mase izvornog matičnog atoma, a zatim izračunajte količinu energije koju to predstavlja.
\ begin {align} ∆m & = \ text {(masa roditelja)} - \ text {(masa proizvoda)} \\ & = 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} \ kraj {poravnato}
Primjer radioaktivnog raspada u više koraka
Radioaktivni raspad često se događa u lancima, s više koraka između početne i završne točke. Ti su lanci raspadanja dugi i zahtijevalo bi mnogo koraka za izračunavanje koliko se energije oslobađa u cijelom procesu, ali uzimanje dijela jednog takvog lanca ilustrira pristup.
Ako pogledate lanac raspadanja torija-232, blizu kraja lanca, nestabilnu jezgru (tj. Atom nestabilnog izotopa, s kratko poluvrijeme) bizmuta-212 prolazi beta-minus raspad u polonij-212, koji zatim prolazi alfa raspad u olovu-208, stabilnom izotop. Možete izračunati energiju koja se oslobađa u ovom procesu uzimajući je korak po korak.
Prvo, beta-minus raspadanje bizmuta-212 (m= 211,99129 amu) u polonij-212 (m= 211,98887 amu) daje:
\ begin {align} ∆m & = \ text {(masa roditelja)} - \ text {(masa kćeri)} \\ & = 211.99129 \ text {amu} - 211.98887 \ text {amu} \\ & = 0.00242 \ text {amu} \ kraj {poravnato}
Sjećajući se da se promjena elektronskih brojeva poništava u beta-minus raspadu. To objavljuje:
\ begin {align} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00242 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 2.25 \ text {MeV} \ end {align}
Sljedeća je faza alfa raspad od polonija-212 do olova-208 (m= 207,97665 amu) i jedna jezgra helija.
\ begin {align} ∆m & = \ text {(masa roditelja)} - \ text {(masa proizvoda)} \\ & = 211.98887 \ text {amu} - 207.97665 \ text {amu} - 4.00260 \ text { amu} \\ & = 0,00962 \ text {amu} \ kraj {poravnato}
A energija je:
\ početak {poravnato} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0,00962 \ text {amu} × 931,494 \ text {MeV / amu} \\ & = 8,96 \ text {MeV} \ kraj {poravnato}
Tada ukupno ima 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energije koja se oslobađa u procesu. Naravno, ako ste oprezni (uključujući alfa česticu i dodatne elektrone ako vaš proces uključuje beta-plus raspad) može izračunati razliku u masi u jednom koraku, a zatim pretvoriti, ali ovaj pristup govori vam o energiji koja se oslobađa u svakom pozornica.