რადიოაქტიურიარის სიტყვა, რომელიც არც ისე კარგად არის გასაგები. შიშით მოცული და არსებითად უცხო და საშიში ჩანს, რადიოაქტიური დაშლის ხასიათი არის ის, რისი სწავლაც ღირს, ფიზიკის სტუდენტი ხართ თუ უბრალოდ დაინტერესებული საერო.
სინამდვილეში ის არის, რომ რადიოაქტივობა არსებითად აღწერს ბირთვულ რეაქციებს, რომლებიც იწვევს ელემენტის ატომური რაოდენობის შეცვლას და / ან გამა გამოსხივების გამოყოფას. დიდი რაოდენობით საშიშია, რადგან გამოყოფილი გამოსხივება "მაიონიზირებელია" (ანუ მას აქვს საკმარისი ენერგია ელექტრონების ატომებისგან გასათავისუფლებლად) მაგრამ ეს საინტერესო ფიზიკური მოვლენაა და პრაქტიკაში, ადამიანების უმეტესობა არასდროს იქნება იმყოფება რადიოაქტიური მასალების გარშემო, რისკის ქვეშ აღმოჩნდება.
ბირთვებს უფრო დაბალი ენერგეტიკული მდგომარეობის მიღწევა შეუძლიათ შერწყმით - ეს ხდება მაშინ, როდესაც ორი ბირთვი ერწყმის ერთმანეთს და უფრო მძიმედ ქმნის ბირთვი, პროცესში ენერგიის გამოყოფა - ან გახლეჩით, რაც არის მძიმე ელემენტების მსუბუქად დაყოფა პირობა განხეთქილება წარმოადგენს ენერგიის წყაროს ბირთვულ რეაქტორებში, აგრეთვე ბირთვულ იარაღში, განსაკუთრებით ეს არის ის, რასაც ადამიანების უმეტესობა გამოსახავს, როდესაც რადიოაქტივობაზე ფიქრობენ. მაგრამ უმეტესად, როდესაც ბირთვი ბუნებაში ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობაში გადადის, ეს რადიოაქტიურ დაშლას ეწევა.
არსებობს რადიოაქტიური დაშლის სამი ტიპი: ალფა, ბეტა და გამა გამაფუჭება, თუმცა თავისთავად ბეტა დაშლა სამი განსხვავებული ტიპისაა. ბირთვული დაშლის ამ ფორმების შესახებ სწავლა ბირთვული ფიზიკის ნებისმიერი კურსის გადამწყვეტი ნაწილია.
ალფა დაშლა
ალფა დაშლა ხდება მაშინ, როდესაც ბირთვი გამოყოფს მას, რასაც "ალფა ნაწილაკს" უწოდებენ (α- ნაწილაკი). ალფა ნაწილაკი არის ორი პროტონისა და ორი ნეიტრონის კომბინაცია, რომელსაც თუ იცნობთ თქვენი პერიოდული ცხრილი, თქვენ ჰელიუმის ბირთვს აღიარებთ.
პროცესი საკმაოდ ადვილი გასაგებია მიღებული ატომის მასისა და თვისებების გათვალისწინებით: ის ოთხიდან კარგავს მისი მასის რიცხვი (ორი პროტონიდან და ორი ელექტრონიდან) და ორი მისი ატომური რიცხვიდან (ორი პროტონიდან დაკარგული). ეს ნიშნავს, რომ ორიგინალური ატომი (ანუ "მშობლის" ბირთვი) ხდება ალფა დაშლის შემდეგ სხვა ელემენტი ("ქალიშვილის" ბირთვზე დაფუძნებული).
ალფა დაშლაში გამოყოფილი ენერგიის გამოთვლისას, თქვენ გამოაკელით ჰელიუმის ბირთვის მასა და ქალიშვილის ატომი მშობლის ატომის მასიდან და გარდაქმნას ეს ენერგიის ღირებულებაში აინშტაინის ცნობილი განტოლებაე = mc2. ჩვეულებრივ, ამ გაანგარიშების შესრულება უფრო ადვილია, თუ თქვენ მუშაობთ ატომური მასის ერთეულებში (ამუ) და დაკარგული მასა გამრავლებით ფაქტორზეგ2 = 931.494 MeV / amu. ეს აბრუნებს ენერგიის მნიშვნელობას MeV– ში (მაგ. მეგა ელექტროვოლტი), ხოლო ელექტროვოლტი ტოლია 1.602 × 10−9 ჯოული და ზოგადად უფრო მოსახერხებელი ერთეული ატომური მასშტაბის ენერგიებში მუშაობისთვის.
Beta Decay: Beta-Plus Decay (პოზიტრონის გამოყოფა)
მას შემდეგ, რაც ბეტა დაშლას სამი განსხვავებული ჯიში აქვს, სასარგებლოა თითოეული მათგანის გაცნობა თავის მხრივ, თუმცა მათ შორის ბევრი მსგავსებაა. ბეტა-პლუს დაშლა არის, როდესაც პროტონი გადაიქცევა ნეიტრონად, გამოიყოფა ბეტა-პლიუსის ნაწილაკი (ანუ β + ნაწილაკი) დაუშვებელი, უახლოესოდ ნაწილაკი, რომელსაც ეწოდება ნეიტრინო. ამ პროცესის შედეგად, ქალიშვილ ატომს ექნება ერთი პროტონი და ერთი ნეიტრონი ნაკლები ვიდრე მშობლის ატომი, მაგრამ იგივე საერთო მასის რიცხვი.
ბეტა-პლუს ნაწილაკს სინამდვილეში უწოდებენ პოზიტრონს, რომელიც წარმოადგენს ანტიმატერიულ ნაწილაკს, რომელიც ელექტრონს შეესაბამება. მას აქვს იგივე ზომის დადებითი მუხტი, როგორც უარყოფითი მუხტი ელექტრონზე, და იგივე მასა, როგორც ელექტრონი. გამოთავისუფლებულ ნეიტრინოს ტექნიკურად ელექტრონული ნეიტრინო ეწოდება. გაითვალისწინეთ, რომ ამ პროცესში გამოიყოფა რეგულარული მატერიის ერთი ნაწილაკი და ანტიმატერიის ერთი ნაწილაკი.
ამ დაშლის პროცესში გამოყოფილი ენერგიის გამოთვლა ცოტა უფრო რთულია, ვიდრე სხვა ფორმებისათვის იშლება, რადგან მშობლის ატომის მასა მოიცავს ერთი უფრო მეტი ელექტრონის მასას, ვიდრე ქალიშვილის ატომი მასა ამის გარდა, თქვენ ასევე უნდა გამოაკლოთ β + ნაწილაკის მასა, რომელიც გამოიყოფა პროცესში. არსებითად, თქვენ უნდა გამოაკლოთ ქალიშვილი ნაწილაკის მასა დაორიელექტრონი მშობლიური ნაწილაკის მასიდან და შემდეგ გარდაიქმნება ენერგიად, როგორც ადრე. ნეიტრინო იმდენად პატარაა, რომ მისი უგულებელყოფა უსაფრთხოდ შეიძლება.
Beta Decay: Beta-Minus Decay
ბეტა-მინუს დაშლა, არსებითად, ბეტა-პლიუსის დაშლის საპირისპირო პროცესია, სადაც ნეიტრონი იქცევა პროტონი, გამოყოფს ბეტა-მინუს ნაწილაკს (β− ნაწილაკს) და ელექტრონ ანტინეიტრინოში პროცესი ამ პროცესის გამო ქალიშვილ ატომს ექნება ერთი ნაკლები ნეიტრონი და ერთი პროტონი, ვიდრე მშობელი ატომი.
Β− ნაწილაკი სინამდვილეში ელექტრონია, მაგრამ ამ კონტექსტში მას სხვა სახელი აქვს, რადგან როდესაც პირველად აღმოაჩინეს დაშლის ბეტა-ემისია, არავინ იცოდა რა იყო ნაწილაკი სინამდვილეში. გარდა ამისა, მათთვის ბეტა ნაწილაკების გამოძახება სასარგებლოა, რადგან ის შეგახსენებთ, რომ ეს ბეტა დაშლის პროცესში მოდის და ის შეიძლება სასარგებლო იყოს, როდესაც თქვენ ხართ ცდილობს დაიმახსოვროს რა ხდება თითოეულში - დადებითი ბეტა ნაწილაკი გამოიყოფა ბეტა-პლუს დაშლაში და უარყოფითი ბეტა ნაწილაკი გამოიყოფა ბეტა-მინუსში გახრწნა. ამ შემთხვევაში, ნეიტრინო ანტიმატერიული ნაწილაკია, მაგრამ ისევ პროცესში გამოიყოფა ერთი ანტიმატერია და ერთი რეგულარული ნივთიერების ნაწილაკი.
ამ ტიპის ბეტა დაშლის დროს გამოყოფილი ენერგიის გაანგარიშება ოდნავ მარტივია, რადგან ქალიშვილი ატომის მიერ დამატებით ელექტრონს აუქმებს ბეტა-ემისიაში დაკარგული ელექტრონით. ეს ნიშნავს, რომ calc გამოთვალოთმ, თქვენ უბრალოდ გამოაკლებთ ქალიშვილის ატომის მასას მშობლის ატომს და შემდეგ გამრავლდებით კვადრატის სინათლის სიჩქარეზე (გ2), როგორც ადრე, გამოიხატებოდა მეგა ელექტრონულობით ერთ ატომურ მასაზე.
Beta Decay - ელექტრონის აღება
ბოლო ტიპის ბეტა დაშლა საკმაოდ განსხვავდება პირველი ორიდან. ელექტრონის ხელში ჩაგდებისას პროტონი "შთანთქავს" ელექტრონს და იქცევა ნეიტრონად, ელექტრონის ნეიტრინოს გამოყოფით. ამიტომ ეს ამცირებს ატომურ რიცხვს (ანუ პროტონის რაოდენობას) ერთით და ზრდის ნეიტრონების რაოდენობას ერთით.
ეს შეიძლება ჩანდეს, რომ ის არღვევს ნიმუშს აქამდე, გამოიყოფა ერთი მატერია და ერთი ანტიმატერიული ნაწილაკი, მაგრამ ეს მიანიშნებს ამ ბალანსის ნამდვილ მიზეზზე. დაცულია "ლეპტონის ნომერი" (რომელიც შეგიძლიათ იფიქროთ როგორც "ელექტრონული ოჯახის" რიცხვი) და ელექტრონი ან ელექტრონის ნეიტრინოს აქვს ლეპტონის ნომერი 1, ხოლო პოზიტრონის ან ელექტრონული ანტინეიტრინოს ლეპტონის რიცხვი −1.
უნდა შეგეძლოთ დაინახოთ, რომ ყველა სხვა პროცესი ამას მარტივად ასრულებს. ელექტრონის ხელში ჩასაგდებად, ლეპტონის რიცხვი 1-ით მცირდება, როდესაც ელექტრონი იპყრობს, ამიტომ ამის დასაბალანსებლად, უნდა გამოიყოს ნაწილაკი, რომელსაც ლეპტონის ნომერი აქვს 1.
ელექტრონის ხელში ჩაგდებაში გამოყოფილი ენერგიის გაანგარიშება საკმაოდ მარტივია: რადგან ელექტრონი მოდის მშობელი ატომიდან, თქვენ არ უნდა იდარდოთ მშობლისა და ქალიშვილის ელექტრონების რაოდენობის სხვაობის აღრიცხვაზე ატომები. თქვენ იპოვითმუბრალოდ ქალიშვილობის ატომის მასის გამოკლებით მშობლის ატომიდან. პროცესის გამოხატვა ზოგადად დაიწერება ელექტრონთან მარცხენა მხარეს, მაგრამ მარტივი წესი შეგახსენებთ, რომ ეს სინამდვილეში მშობლის ატომის ნაწილია.
გამა დაშლა
გამა დაშლა გულისხმობს მაღალენერგეტიკული ფოტონის (ელექტრომაგნიტური გამოსხივების) გამოყოფას, მაგრამ პროცესის შედეგად ატომში პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობა არ იცვლება. ეს ფოტონის ემისიის ანალოგიურია, როდესაც ელექტრონი უფრო მაღალი ენერგეტიკული მდგომარეობიდან ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობაში გადადის, მაგრამ ამ შემთხვევაში გადასვლა ხდება ატომის ბირთვში.
ისევე, როგორც ანალოგურ სიტუაციაში, უფრო მაღალი ენერგეტიკული მდგომარეობიდან უფრო დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში გადასვლა დაბალანსებულია ფოტონის ემისიით. მათ აქვთ ენერგია 10 კევ – ზე მეტი და ზოგადად გამა სხივებს უწოდებენ, თუმცა განმარტება მკაცრი არ არის (მაგალითად, ენერგიის დიაპაზონი ემთხვევა რენტგენოლოგიას).
ალფა ან ბეტა გამონაბოლქვმა შეიძლება დატოვოს ბირთვი უფრო მაღალენერგეტიკულ, აღგზნებულ მდგომარეობაში და ამ პროცესების შედეგად გამოყოფილი ენერგია კეთდება გამა სხივების სახით. ამასთან, ბირთვი შეიძლება დასრულდეს უფრო მაღალენერგეტიკულ მდგომარეობაში, სხვა ბირთვთან შეჯახების ან ნეიტრონის დარტყმის შემდეგ. შედეგი ყველა შემთხვევაში იგივეა: ბირთვი აღგზნებული მდგომარეობიდან ქვედა ენერგეტიკულ მდგომარეობაში ვარდება და ამ პროცესში გამოყოფს გამა სხივებს.
რადიოაქტიური დაშლის მაგალითები - ურანი
ურანი -238 იშლება თორიუმ -234-ში ალფა ნაწილაკის გამოყოფით (ანუ ჰელიუმის ბირთვი) და ეს არის რადიოაქტიური დაშლის ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი მაგალითი. პროცესი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგნაირად:
^ {238} \ text {U} \ to \; ^ {234} \ text {Th} + \; ^ 4 \ text {He}
იმისათვის, რომ გამოთვალოთ რამდენი ენერგია გამოიყოფა ამ პროცესში, დაგჭირდებათ ატომური მასები: 238U = 238.05079 amu, 234Th = 234.04363 amu და 4იგი = 4.00260 amu, ყველა მასით გამოხატულია ატომური მასის ერთეულებში. ახლა იმის გასარკვევად, თუ რამდენი ენერგია გამოიყოფა პროცესში, თქვენ მხოლოდ find იპოვნეთმპროდუქტის მასების გამოყოფით ორიგინალი მშობელი ატომის მასიდან და შემდეგ გამოთვალეთ ენერგიის რაოდენობა, რაც მას წარმოადგენს.
\ დაწყება {გასწორება} &m & = \ ტექსტი {(მშობლის მასა)} - \ ტექსტი {(პროდუქტის მასა)} \\ & = 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 \ ტექსტი {MeV} \ end {გასწორებული}
მრავალსაფეხურიანი რადიოაქტიური დაშლის მაგალითი
რადიოაქტიური დაშლა ხშირად ხდება ჯაჭვებით, მრავალჯერადი ნაბიჯებით საწყის წერტილსა და საბოლოო წერტილს შორის. ეს გახრწნის ჯაჭვები გრძელია და მოითხოვს ბევრ ნაბიჯს იმის დასაანგარიშებლად, თუ რამდენი ენერგია გამოიყოფა მთელ პროცესში, მაგრამ ერთი ასეთი ჯაჭვის ნაწილის აღება მიდგომის ილუსტრაციად გამოიყურება.
თუ გადახედეთ ტორიუმ -232-ის დაშლის ჯაჭვს, ჯაჭვის ბოლოსთან ახლოს, არასტაბილური ბირთვი (ანუ არასტაბილური იზოტოპის ატომი, ხანმოკლე ნახევარგამოყოფის პერიოდი) ბისმუტ-212 განიცდის ბეტა-მინუს დაშლას პოლონიუმ -212-ში, რომელიც შემდეგ განიცდის ალფა დაშლას ტყვიით -208-ით, სტაბილურად იზოტოპი. თქვენ შეგიძლიათ გაანგარიშოთ ამ პროცესში გამოყოფილი ენერგია ეტაპობრივად გაანგარიშებით.
პირველი, ბეტა-მინუს დაშლა ბისმუთი -212-დან (მ= 211.99129 amu) პოლონიუმ -212-ში (მ= 211.98887 amu) იძლევა:
\ დაწყება {გასწორება} &m & = \ ტექსტი {(მშობლის მასა)} - \ ტექსტი {(ქალიშვილის მასა)} \\ & = 211.99129 \ text {amu} - 211.98887 \ text {amu} \\ & = 0.00242 \ text {amu} \ end {გასწორებული}
გახსოვდეთ, რომ ელექტრონების რიცხვის ცვლილება აუქმებს ბეტა-მინუს დაშლას. გამოდის:
\ დაწყება {გასწორება} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00242 \ text {amu} 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 2.25 \ text {MeV} \ დასრულება {გასწორებული}
შემდეგი ეტაპია ალფა დაშლა პოლონიუმიდან 212-დან ტყვიამდე -208-მდე (მ= 207.97665 amu) და ერთი ჰელიუმის ბირთვი.
\ დაწყება {გასწორება} &m & = \ ტექსტი {(მშობლის მასა)} - \ ტექსტი {(პროდუქტის მასა)} \\ & = 211.98887 \ text {amu} - 207.97665 \ text {amu} - 4.00260 \ text { amu} \\ & = 0.00962 \ text {amu} \ ბოლო {გასწორებული}
და ენერგია არის:
\ დაწყება {გასწორება} E & = ∆mc ^ 2 \\ & = 0.00962 \ text {amu} 931.494 \ text {MeV / amu} \\ & = 8.96 \ text {MeV} \ დასრულება {გასწორებული}
საერთო ჯამში, ამ პროცესში გამოიყოფა 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV ენერგია. რა თქმა უნდა, თუ ფრთხილად ხართ (მათ შორის ალფა ნაწილაკი და დამატებითი ელექტრონები, თუ თქვენი პროცესი მოიცავს ბეტა-პლუს დაშლას), შეუძლია გამოითვალოს მასის სხვაობა ერთ საფეხურზე და შემდეგ გარდაქმნას, მაგრამ ეს მიდგომა გიჩვენებთ თითოეულზე გამოყოფილ ენერგიას ეტაპი