Radioaktyviojo skilimo tipai: alfa, beta, gama

​Radioaktyvusyra ne taip gerai suprantamas žodis. Apimtas baimės ir iš prigimties atrodantis svetimas ir pavojingas, radioaktyviojo skilimo pobūdį verta žinoti apie tai, ar esate fizikos studentas, ar tiesiog susidomėjęs pasaulietis.

Realybė yra ta, kad radioaktyvumas iš esmės apibūdina branduolines reakcijas, kurios lemia elemento atomo skaičiaus pasikeitimą ir (arba) gama spinduliuotės išsiskyrimą. Jis yra pavojingas dideliais kiekiais, nes išsiskirianti spinduliuotė yra „jonizuojanti“ (t. Y. Ji turi pakankamai energijos, kad pašalintų elektronus nuo atomų) bet tai yra įdomus fizinis reiškinys ir praktiškai dauguma žmonių niekada nebus pakankamai šalia radioaktyviųjų medžiagų, kad būtų rizikuojami.

Branduoliai gali pasiekti mažesnę energijos būseną sulydydami - tai yra tada, kai du branduoliai susijungia, kad sukurtų sunkesnį branduolys, išlaisvindamas energiją procese - arba dalijantis, kuris yra sunkiųjų elementų padalijimas į lengvesnius vieni. Skilimas yra energijos šaltinis branduoliniuose reaktoriuose, taip pat ir branduoliniuose ginkluose, ir tai ypač atspindi dauguma žmonių, galvodami apie radioaktyvumą. Tačiau dažniausiai, kai gamtoje branduoliai keičiasi į žemesnės energijos būseną, tai priklauso nuo radioaktyvaus skilimo.

Yra trys radioaktyviojo skilimo tipai: alfa, beta ir gama, nors pats savaime beta skilimas yra trijų skirtingų tipų. Sužinoti apie šias branduolio skilimo formas yra labai svarbi bet kurio branduolinės fizikos kurso dalis.

Alfa skilimas įvyksta, kai branduolys išskiria vadinamąją „alfa dalelę“ (α-dalelę). Alfa dalelė yra dviejų protonų ir dviejų neutronų derinys, kurį, jei žinote savo periodinę lentelę, atpažinsite kaip helio branduolį.

Procesą gana lengva suprasti atsižvelgiant į gauto atomo masę ir savybes: jis praranda keturis iš jo masės skaičius (du iš protonų ir du iš elektronų) ir du nuo jo atominio skaičiaus (iš dviejų protonų) pamestas). Tai reiškia, kad pradinis atomas (t. Y. „Pirminis“ branduolys), patyręs alfa skilimą, tampa kitu elementu (remiantis „dukros“ branduoliu).

Skaičiuojant alfa skilimo metu išsiskiriančią energiją, reikia atimti helio branduolio ir dukterį atomą nuo pirminio atomo masės ir paversti tai energijos verte, naudojant garsiąją Einšteino lygtisE​ = ​mc​². Paprastai lengviau atlikti šį skaičiavimą, jei dirbate atominės masės vienetais (amu) ir trūkstamą masę padauginkite iš koeficientoc​² = 931,494 MeV / amu. Tai grąžina energijos vertę MeV (t. Y. Mega elektronvoltus), kai elektrovoltas yra lygus 1,602 × 10⁻⁹ džauliai ir apskritai patogesnis vienetas darbui energijomis atominėje skalėje.

Kadangi beta skilimas turi tris skirtingas veisles, naudinga sužinoti apie kiekvieną iš jų paeiliui, nors tarp jų yra daug panašumų. Beta-pliuso skilimas yra tada, kai protonas virsta neutronu, išleidžiant beta-pliuso dalelę (t. Y. Β + dalelę) kartu su nepakrauta, beveik be masės dalele, vadinama neutrinu. Dėl šio proceso dukteriniame atome bus vienas mažiau protonų ir vienas daugiau neutronų nei pirminiame atome, bet tas pats bendras masės skaičius.

Beta pliuso dalelė iš tikrųjų vadinama pozitronu, kuris yra antimaterijos dalelė, atitinkanti elektroną. Jis turi tokio paties dydžio teigiamą krūvį, kaip ir neigiamas elektrono krūvis, ir tokią pat masę kaip ir elektronas. Išlaisvintas neutrinas techniškai vadinamas elektroniniu neutrino. Atkreipkite dėmesį, kad šiame procese išsiskiria viena dalelė įprastos materijos ir viena antimaterijos dalelė.

Apskaičiuoti šiame skilimo procese išsiskiriančią energiją yra šiek tiek sudėtingiau nei kitoms formoms skilimas, nes į pirminio atomo masę bus įtraukta vieno daugiau elektronų nei dukterinio atomo masė masės. Be to, jūs taip pat turite atimti procese išsiskiriančios β + dalelės masę. Iš esmės turite atimti dukterinės dalelės masę irduelektronai iš pirminės dalelės masės, o paskui virsta energija kaip ir anksčiau. Neutrinas yra toks mažas, kad jo galima nepaisyti.

Beta-minus skilimas iš esmės yra priešingas beta pliuso irimo procesas, kai neutronas virsta protonas, išlaisvinantis beta minusą dalelę (β dalelę) ir elektroną antineutrino procesą. Dėl šio proceso dukteriniame atome bus vienas mažiau neutronų ir dar vienas protonas nei pirminiame atome.

Β− dalelė iš tikrųjų yra elektronas, tačiau šiame kontekste jis turi kitą pavadinimą, nes kai pirmą kartą buvo nustatyta skilimo beta emisija, niekas nežinojo, kas iš tikrųjų yra dalelė. Be to, vadinti jas beta dalelėmis yra naudinga, nes tai jums primena, kad tai yra beta skilimo procesas, ir tai gali būti naudinga, kai esate bandant prisiminti, kas vyksta kiekviename - teigiama beta dalelė išsiskiria be beta pliuso skilimo, o neigiama beta dalelė - be minuso irimas. Tačiau šiuo atveju neutrino yra antimaterijos dalelė, tačiau vėlgi, proceso metu išsiskiria viena antimaterija ir viena reguliariosios medžiagos dalelė.

Apskaičiuoti tokio tipo beta skilimo išskiriamą energiją yra šiek tiek paprasčiau, nes dukterinio atomo turimas papildomas elektronas išnyksta kartu su elektronu, prarastu beta emisijos metu. Tai reiškia, kad norint apskaičiuoti ∆m, paprasčiausiai atimkite dukterinio atomo masę iš pirminio atomo ir tada padauginkite iš šviesos greičio kvadrate (c​²), kaip ir anksčiau, išreikšta mega elektronvoltais atominės masės vienetui.

Paskutinis beta skilimo tipas visiškai skiriasi nuo pirmųjų dviejų. Gaudant elektronus, protonas „sugeria“ elektroną ir virsta neutronu, išlaisvindamas elektrono neutrino. Todėl tai sumažina atomo skaičių (t. Y. Protonų skaičių) vienu ir padidina neutronų skaičių vienu.

Tai gali atrodyti, kad tai pažeidžia iki šiol buvusį modelį, kai skleidžiama viena materija ir viena antimaterijos dalelė, tačiau tai suteikia užuominą apie tikrąją šios pusiausvyros priežastį. „Leptono skaičius“ (kurį galite įsivaizduoti kaip „elektronų šeimos“ skaičių) yra išsaugotas, o elektronas arba elektrono neutrino leptono skaičius yra 1, o pozitrono ar elektrono antineutrino - leptono skaičius yra −1.

Turėtumėte matyti, kad visi kiti procesai tai lengvai įgyvendina. Norint užfiksuoti elektroną, sulaikant elektroną, leptono skaičius sumažėja 1, todėl norint jį subalansuoti, reikia išskirti dalelę, kurios leptono skaičius yra 1.

Apskaičiuoti elektronų gaudymo metu išsiskiriančią energiją yra gana paprasta: Kadangi elektronas yra iš pirminio atomo, jums nereikia jaudintis dėl elektronų skaičiaus skirtumo tarp tėvų ir dukros apskaitos atomai. Rasite ∆mpaprasčiausiai atimdami dukterinio atomo masę iš pirminio atomo. Proceso išraiška paprastai bus parašyta elektronu kairėje pusėje, tačiau paprasta taisyklė jums primena, kad tai iš tikrųjų yra pirminio atomo dalis pagal masę.

Gama skilimas susijęs su didelės energijos fotono (elektromagnetinės spinduliuotės) emisija, tačiau protono ir neutrono skaičius atome dėl proceso nesikeičia. Tai panašu į fotono emisiją, kai elektronas pereina iš aukštesnės energijos būsenos į žemesnės energijos būseną, tačiau perėjimas šiuo atveju vyksta atomo branduolyje.

Kaip ir analogiškoje situacijoje, perėjimą iš aukštesnės energijos būsenos į žemesnės energijos pusiausvyrą kompensuoja fotono emisija. Jų energija viršija 10 keV ir paprastai vadinami gama spinduliais, nors apibrėžimas nėra iš tikrųjų griežtas (pavyzdžiui, energijos diapazonas sutampa su rentgeno spinduliais).

Alfa arba beta emisija gali palikti branduolį didesnės energijos, sužadintos būsenos, o šių procesų metu išsiskirianti energija yra gama spindulių pavidalu. Tačiau susidūręs su kitu branduoliu ar pataikytas į neutroną, branduolys taip pat gali atsidurti didesnės energijos būsenoje. Rezultatas visais atvejais yra tas pats: branduolys nukrenta iš sužadintos būsenos į žemesnės energijos būseną ir proceso metu išskiria gama spindulius.

Uranas-238 suyra į toris-234, išsiskirdamas alfa dalelei (t. Y. Helio branduoliui), ir tai yra vienas žinomiausių radioaktyvaus skilimo pavyzdžių. Procesas gali būti pavaizduotas taip:

Norint apskaičiuoti, kiek energijos išsiskiria šiame procese, jums reikės atominių masių: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234,04363 amu ir ⁴Jis = 4,00260 amu, o visos masės išreikštos atominės masės vienetais. Dabar, norint išsiaiškinti, kiek energijos išsiskiria, tereikia rasti findmatimdami produktų mases iš pirminio pirminio atomo masės, tada apskaičiuokite energijos kiekį.

Radioaktyvus skilimas dažnai vyksta grandinėmis, tarp pradinio ir paskutinio taškų yra keli žingsniai. Šios skilimo grandinės yra ilgos ir reikalautų daugybės žingsnių, kad būtų galima apskaičiuoti, kiek energijos išsiskiria visame procese, tačiau paėmus vienos tokios grandinės gabalėlį, galima paaiškinti požiūrį.

Jei pažvelgsite į torio-232 skilimo grandinę, esančią arti grandinės galo, nestabilus branduolys (t. Y. Nestabilaus izotopo atomas, trumpas pusinės eliminacijos laikas) bismuto-212 beta-minusas irsta į polonį-212, kuris vėliau alfa suyra į šviną-208, stabilų izotopas. Galite apskaičiuoti šiame procese išsiskiriančią energiją, atlikdami ją žingsnis po žingsnio.

Pirma, beta-minuso skilimas nuo bismuto-212 (m= 211,99129 amu) į polonį-212 (m= 211.98887 amu) suteikia:

Prisimindami, kad elektronų skaičiaus pokytis panaikinamas beta minuso skilimo metu. Tai išleidžia:

Kitas etapas yra alfa skilimas nuo polonio-212 iki švino-208 (m= 207,97665 amu) ir vienas helio branduolys.

Ir energija yra:

Iš viso procese išsiskiria 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energijos. Žinoma, jei esate atsargus (įskaitant alfa dalelę ir papildomus elektronus, jei jūsų procesas apima beta pliuso skilimą), gali apskaičiuoti masės skirtumą vienu žingsniu ir tada konvertuoti, tačiau šis požiūris nurodo kiekvieno išleidžiamą energiją etapas.