Radioaktívegy olyan szó, amelyet nem annyira értenek. A félelemtől elárasztott, eredendően idegennek és veszélyesnek tűnő radioaktív bomlás természete olyan dolog, amit érdemes megtudni arról, hogy fizikus hallgató vagy-e, vagy csak egy érdeklődő laikus.
A valóság az, hogy a radioaktivitás lényegében olyan atomreakciókat ír le, amelyek egy elem atomszámának megváltozásához és / vagy gamma-sugárzás felszabadulásához vezetnek. Nagy mennyiségben veszélyes, mert a felszabaduló sugárzás „ionizáló” (vagyis elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy az elektronokat levegye az atomokról) de érdekes fizikai jelenség, és a gyakorlatban az emberek többsége soha nem lesz olyan radioaktív anyagok közelében, hogy veszélybe kerüljön.
Az atommagok alacsonyabb energiaállapotot érhetnek el fúzióval - amikor két mag összeolvad és így nehezebbet hoz létre mag, felszabadítva az energiát a folyamat során - vagy hasadás útján, amely a nehéz elemek könnyebbekre osztása azok. A hasadás az energiaforrás a nukleáris reaktorokban, és a nukleáris fegyverekben is, és különösen ezt képezi az emberek többsége, amikor a radioaktivitásra gondolnak. De legtöbbször, amikor az atommagok alacsonyabb energiaállapotba változnak a természetben, a radioaktív bomlásról van szó.
Háromféle radioaktív bomlás létezik: alfa-bomlás, béta-bomlás és gamma-bomlás, bár a béta-bomlás önmagában három különböző típusú. A nukleáris bomlás ezen formáinak megismerése kulcsfontosságú része minden atomfizikai tanfolyamnak.
Alfa bomlás
Az alfa-bomlás akkor következik be, amikor a sejtmag úgynevezett „alfa-részecskét” (α-részecskét) bocsát ki. Az alfa részecske két proton és két neutron kombinációja, amelyet ha ismeri a periódusos rendszerét, akkor felismeri, hogy hélium mag.
A folyamat meglehetősen könnyen érthető a keletkező atom tömegét és tulajdonságait tekintve: Négyből veszít tömegszáma (kettő a protonokból és kettő az elektronokból) és kettő az atomszámából (a két protonból) elveszett). Ez azt jelenti, hogy az eredeti atom (vagyis a „szülő” mag) az alfa-bomlás után más elemmé válik (a „leány” mag alapján).
Az alfa-bomlás során felszabaduló energia kiszámításakor le kell vonni a héliummag és a lánya atom az anya atom tömegéből, és ezt alakítsa át energiaértékre Einstein híres segítségével egyenletE = mc2. Általában könnyebb elvégezni ezt a számítást, ha atomtömeg-egységekben (amu) dolgozik, és a hiányzó tömeget szorozza meg a tényezővelc2 = 931,494 MeV / amu. Ez az energiaértéket MeV-ben adja vissza (azaz mega elektronvoltokat), az elektronvolt értéke 1,602 × 10−9 joule és általában kényelmesebb egység az atomi léptékű energiákban való munkához.
Béta bomlás: Beta-Plus bomlás (pozitron emisszió)
Mivel a béta-bomlásnak három különféle fajtája van, hasznos egymás után tanulni mindegyikről, bár sok hasonlóság van közöttük. A béta-plusz bomlás az, amikor egy proton neutronrá változik, a béta-plusz részecske (azaz egy β + részecske) felszabadulásával együtt egy töltés nélküli, majdnem tömeg nélküli részecskével, amelyet neutrínónak neveznek. Ennek a folyamatnak az eredményeként a leány atomnak egy kevesebb protonja és egy neutronja lesz, mint a szülőatomnak, de ugyanaz az összes tömegszáma.
A béta-plusz részecskét tulajdonképpen pozitronnak nevezik, amely az elektronnak megfelelő antianyag-részecske. Ennek pozitív töltése ugyanolyan méretű, mint az elektron negatív töltése, és ugyanolyan a tömege, mint az elektronnak. A felszabadult neutrínót technikailag elektron-neutrínónak nevezik. Figyeljük meg, hogy ebben a folyamatban egy normál anyag és egy antianyag részecske szabadul fel.
Az ebben a bomlási folyamatban felszabaduló energia kiszámítása kissé bonyolultabb, mint más formák esetében bomlás, mert a szülőatom tömege magában foglalja még egy elektron tömegét, mint a leányatomé tömeg. Ezen felül ki kell vonni a folyamat során kibocsátott β + részecske tömegét is. Lényegében le kell vonni a leányrészecske tömegét éskettőelektronok az anyarészecske tömegéből, majd energiává alakulnak át, mint korábban. A neutrino annyira apró, hogy biztonságosan elhanyagolható.
Béta-bomlás: Béta-mínusz romlás
A béta-mínusz bomlás lényegében a béta-plusz bomlás ellentétes folyamata, ahol egy neutron átalakul egy proton, felszabadítva a béta-mínusz részecskét (a β-részecskét) és egy elektron antineutrino-t folyamat. Ennek a folyamatnak köszönhetően a leányatomnak egy kevesebb neutronja és egy protonja lesz, mint a szülőatomé.
A β− részecske valójában egy elektron, de ebben a kontextusban más a neve, mert amikor először észlelték a bomlás béta-emisszióját, senki sem tudta, mi is az a részecske valójában. Ezenkívül hasznos, ha béta részecskéknek nevezzük őket, mert emlékeztet arra, hogy a béta bomlási folyamatból származik, és hasznos lehet, ha Ön megpróbálom emlékezni, mi történik mindegyikben - a pozitív béta részecske béta-plusz bomlásban, a negatív béta részecske pedig béta-mínuszban szabadul fel hanyatlás. Ebben az esetben azonban a neutrino antianyag-részecske, de megint egy antianyag és egy szabályos anyag részecske szabadul fel a folyamat során.
Az ilyen típusú béta-bomlásban felszabaduló energia kiszámítása kissé egyszerűbb, mert a leányatom birtokában lévő extra elektron eltűnik a béta-emisszióban elveszett elektronral. Ez azt jelenti, hogy a ∆ kiszámításáhozm, egyszerűen kivonja a leányatom tömegét a szülőatom tömegéből, majd megszorozza a négyzetre eső fénysebességgel (c2), mint korábban, mega elektronvoltban kifejezve atomtömeg-egységenként.
Béta bomlás - elektron befogása
A béta bomlás utolsó típusa egészen más, mint az első kettő. Az elektron befogásában a proton „elnyeli” az elektront, és neutronrá alakul, egy elektronneutrino felszabadulásával. Ez tehát eggyel csökkenti az atomszámot (vagyis a protonok számát), és eggyel növeli a neutronok számát.
Úgy tűnhet, hogy ez sérti az eddigi mintát, egy anyag és egy antianyag részecske emittálódik, de utalást ad ennek az egyensúlynak a tényleges okára. Az „lepton-szám” (amelyet „elektroncsalád-számként” felfoghat) konzervált, és egy elektron, ill. az elektron neutrino leptonszáma 1, míg a pozitron vagy elektron antineutrino leptonszáma 1 −1.
Látnia kell, hogy az összes többi folyamat ezt könnyen teljesíti. Az elektron befogásához a leptonszám 1-gyel csökken, amikor az elektron befogódik, így ennek kiegyensúlyozásához ki kell bocsátani egy 1 leptonszámú részecskét.
Az elektron befogásában felszabaduló energia kiszámítása nagyon egyszerű: Mivel az elektron a szülő atomból származik, nem kell attól tartania, hogy elszámolja a szülő és lánya közötti elektronok számának különbségét atomok. Megtalálja ∆megyszerűen kivonva a leányatom tömegét a szülőatom tömegéből. A folyamat kifejezését általában úgy írják, hogy az elektron a bal oldalon található, de az egyszerű szabály arra emlékeztet, hogy ez a tömeg szempontjából valójában a szülőatom része.
Gamma bomlás
A gamma-bomlás nagy energiájú foton (elektromágneses sugárzás) kibocsátásával jár, de az atomban a protonok és a neutronok száma nem változik a folyamat eredményeként. Ez analóg a fotonemisszióval, amikor egy elektron magasabb energiaállapotból alacsonyabb energiaállapotba kerül, de az átmenet ebben az esetben az atom magjában történik.
Csakúgy, mint az analóg helyzetben, a magasabb energiaállapotból az alacsonyabb energiaállapotba való átmenetet kiegyenlíti a fotonemisszió. Ezek energiája meghaladja a 10 keV értéket, és általában gammasugaraknak nevezik őket, bár a meghatározás nem igazán szigorú (az energia tartomány például átfedésben van a röntgensugarakkal).
Az alfa- vagy béta-emisszió magját magasabb energiájú, gerjesztett állapotban hagyhatja, és az e folyamatok eredményeként felszabaduló energia gamma-sugarak formájában történik. A mag azonban magasabb energiájú állapotba is kerülhet, miután ütközött egy másik maggal, vagy ha egy neutron elütötte. Az eredmény minden esetben ugyanaz: A mag gerjesztett állapotából alacsonyabb energiaállapotba süllyed, és a folyamat során gammasugarakat szabadít fel.
Példák a radioaktív bomlásra - urán
Az urán-238 alfa-részecske (azaz egy héliummag) felszabadulásával bomlik tórium-234-be, és ez a radioaktív bomlás egyik legismertebb példája. A folyamat a következőképpen ábrázolható:
^ {238} \ text {U} \ to \; ^ {234} \ text {Th} + \; ^ 4 \ text {He}
Annak kiszámításához, hogy mennyi energia szabadul fel ebben a folyamatban, szüksége lesz az atomtömegekre: 238U = 238,05079 amu, 234Th = 234,04363 amu és 4He = 4,00260 amu, az összes tömeg atomtömeg-egységben kifejezve. Most, hogy megtudja, mennyi energia szabadul fel a folyamat során, mindössze annyit kell tennie, hogy megtalálja ∆mlevonva a termékek tömegét az eredeti szülőatom tömegéből, majd kiszámolva az ezzel képviselendő energia mennyiségét.
\ begin {aligned} ∆m & = \ text {(szülő tömege)} - \ text {(termékek tömege)} \\ & = 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 {igazítva}
Többlépcsős radioaktív bomlás példa
A radioaktív bomlás gyakran láncokban történik, a kezdő és az utolsó pont között több lépés van. Ezek a bomlási láncok hosszúak és sok lépést igényelnek annak kiszámításához, hogy mennyi energia szabadul fel az egész folyamat során, de egy ilyen lánc egy darabjának felvétele szemlélteti a megközelítést.
Ha megnézzük a tórium-232 bomlási láncát, amely közel van a lánc végéhez, egy instabil mag (azaz egy instabil izotóp atomja, rövid felezési ideje) a bizmut-212 béta-mínusz bomláson megy keresztül a polónium-212-ben, amely alfa-bomláson át ólom-208-ig, stabil izotóp. Kiszámíthatja az ebben a folyamatban felszabaduló energiát, ha lépésről lépésre megteszi.
Először is, a bizmut-212 béta-mínusz bomlása (m= 211,99129 amu) polónium-212-be (m= 211.98887 amu) megadja:
\ begin {aligned} ∆m & = \ text {(szülő tömege)} - \ text {(lánya tömege)} \\ & = 211.99129 \ text {amu} - 211.98887 \ text {amu} \\ & = 0.00242 \ text {amu} \ end {igazítva}
Emlékeztetve arra, hogy az elektronszám változása a béta-mínusz bomlás során megszűnik. Ez kiadja:
\ begin {igazítva} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00242 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 2.25 \ text {MeV} \ end {igazítva}
A következő szakasz az alfa-bomlás a polónium-212-ből az ólom-208-ba (m= 207,97665 amu) és egy héliummag.
\ begin {aligned} ∆m & = \ text {(szülő tömege)} - \ text {(termékek tömege)} \\ & = 211.98887 \ text {amu} - 207.97665 \ text {amu} - 4.00260 \ text { amu} \\ & = 0.00962 \ text {amu} \ end {igazítva}
És az energia:
\ begin {aligned} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00962 \ text {amu} × 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 8.96 \ text {MeV} \ end {igazított}
Ekkor összesen 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energia szabadul fel a folyamat során. Természetesen, ha óvatos (beleértve az alfa-részecskét és további elektronokat, ha a folyamat béta-plusz bomlást tartalmaz), akkor képes kiszámolni a tömegkülönbséget egyetlen lépésben, majd átalakítani, de ez a megközelítés megmondja az egyeseknél felszabaduló energiát színpad.