Radioaktīvās sabrukšanas veidi: alfa, beta, gamma

​Radioaktīvsir vārds, kas nav tik labi saprotams. Bailēs pārņemts un pēc būtības šķiet svešs un bīstams, radioaktīvās sabrukšanas raksturs ir vērts uzzināt par to, vai esat fizikas students vai vienkārši ieinteresēts lajs.

Realitāte ir tāda, ka radioaktivitāte būtībā raksturo kodolreakcijas, kas noved pie elementa atomu skaita izmaiņām un / vai gamma starojuma izdalīšanās. Tas ir bīstams lielos daudzumos, jo izdalītais starojums ir “jonizējošs” (t.i., tam ir pietiekami daudz enerģijas, lai atdalītu elektronus no atomiem) bet tā ir interesanta fiziska parādība, un praksē lielākā daļa cilvēku nekad nebūs pietiekami tuvu radioaktīviem materiāliem, lai būtu pakļauti riskam.

Kodoli var sasniegt zemākas enerģijas stāvokli kodolsintēzes ceļā - tas ir, kad divi kodoli saplūst kopā, lai izveidotu smagāku kodols, atbrīvojot enerģiju procesā - vai ar šķelšanos, kas ir smago elementu sadalīšana šķiltavās vieniem. Skaldīšana ir enerģijas avots kodolreaktoros un arī kodolieročos, un tas jo īpaši ir tas, ko lielākā daļa cilvēku iedomājas, domājot par radioaktivitāti. Bet lielāko daļu laika, kad kodoli dabā mainās uz zemākas enerģijas stāvokli, tas ir saistīts ar radioaktīvo sabrukšanu.

Ir trīs veidu radioaktīvā sabrukšana: alfa sabrukšana, beta sabrukšana un gamma sabrukšana, kaut arī beta sabrukšana pati par sevi notiek trīs dažādos veidos. Mācīšanās par šiem kodola sabrukšanas veidiem ir būtiska jebkura kodolfizikas kursa sastāvdaļa.

Alfa sabrukšana notiek, kad kodols izstaro tā saukto "alfa daļiņu" (α-daļiņu). Alfa daļiņa ir divu protonu un divu neitronu kombinācija. Ja jūs zināt savu periodisko tabulu, jūs to atpazīsit kā hēlija kodolu.

Procesu ir diezgan viegli saprast iegūtā atoma masas un īpašību ziņā: tas zaudē četrus no tā masas numurs (divi no protoniem un divi no elektroniem) un divi no tā atomu skaita (no diviem protoniem) zaudējis). Tas nozīmē, ka sākotnējais atoms (t.i., “vecāku” kodols) pēc alfa sabrukšanas kļūst par citu elementu (pamatojoties uz “meitas” kodolu).

Aprēķinot alfa sabrukšanas laikā atbrīvoto enerģiju, jums jāatskaita hēlija kodola masa un meitas atomu no vecāka atoma masas un pārvērst to enerģijas vērtībā, izmantojot Einšteina slaveno vienādojumsE​ = ​mc​². Parasti ir vieglāk veikt šo aprēķinu, ja strādājat atomu masas vienībās (amu) un reizinot trūkstošo masu ar koeficientuc​² = 931,494 MeV / amu. Tas atgriež enerģijas vērtību MeV (t.i., mega elektronvolti), elektronvoltam vienādojoties ar 1,602 × 10⁻⁹ džouliem un parasti ērtāka vienība darbam enerģijās atomu mērogā.

Tā kā beta sabrukšanai ir trīs dažādas šķirnes, ir noderīgi uzzināt par katru no tām pēc kārtas, lai gan starp tām ir daudz līdzību. Beta plus sabrukšana ir tad, kad protons pārvēršas par neitronu, atbrīvojot beta-plus daļiņu (t.i., β + daļiņu) kopā ar neuzlādētu, gandrīz bez masas daļiņu, ko sauc par neitrīno. Šī procesa rezultātā meitas atomam būs par vienu protonu mazāk un par vienu neitronu vairāk nekā vecākajam atomam, bet tas pats kopējais masas skaitlis.

Beta plus daļiņu faktiski sauc par pozitronu, kas ir antimatter daļiņa, kas atbilst elektronam. Tam ir tāda paša izmēra pozitīvais lādiņš kā negatīvajam elektrona lādiņam, un tā pati masa ir elektronam. Atbrīvo neitrīno tehniski sauc par elektronu neitrīno. Ievērojiet, ka šajā procesā tiek atbrīvota viena daļiņa parastās vielas un viena antimatērijas daļiņa.

Šajā sabrukšanas procesā izdalītās enerģijas aprēķināšana ir nedaudz sarežģītāka nekā citām formām sabrukšana, jo vecāka atoma masa ietvers vēl viena elektrona masu nekā meitas atoma masa. Papildus tam jums ir jāatņem arī β + daļiņas masa, kas izdalās procesā. Būtībā jums jāatskaita meitas daļiņas masa undivielektroni no vecāku daļiņas masas un pēc tam pārvēršas enerģijā tāpat kā iepriekš. Neitrīno ir tik niecīgs, ka to var droši atstāt novārtā.

Beta-mīnus sabrukšana būtībā ir pretējs beta-plus sabrukšanas process, kurā neitrons pārvēršas protonu, atbrīvojot beta-mīnus daļiņu (β-daļiņu) un elektronu antineitrīno process. Šī procesa dēļ meitas atomam būs par vienu neitronu mazāk un par vienu vairāk protonu nekā vecākajam atomam.

Β− daļiņa faktiski ir elektrons, taču šajā kontekstā tam ir cits nosaukums, jo, kad pirmo reizi tika atklāta sabrukšanas beta emisija, neviens nezināja, kas patiesībā ir daļiņa. Turklāt to saukšana par beta daļiņām ir noderīga, jo tas atgādina, ka tas nāk no beta sabrukšanas procesa, un tas var būt noderīgs, kad esat mēģinot atcerēties, kas notiek katrā - pozitīvā beta daļiņa izdalās beta-plus sabrukšanas laikā un negatīvā beta daļiņa tiek atbrīvota beta-mīnus sabrukšana. Šajā gadījumā, lai gan neitrīno ir antimatter daļiņa, bet atkal šajā procesā tiek atbrīvota viena antimatter un viena regulārā matērija.

Aprēķināt šāda veida beta sabrukšanas laikā atbrīvoto enerģiju ir nedaudz vienkāršāk, jo meitas atoma rīcībā esošais papildu elektrons izdzēš kopā ar beta emisijā zaudēto elektronu. Tas nozīmē, ka, lai aprēķinātu ∆m, jūs vienkārši atņemat meitas atoma masu no vecākā atoma un pēc tam reiziniet ar gaismas ātrumu kvadrātā (c​²), tāpat kā iepriekš, izteikts mega elektronvoltos uz atoma masas vienību.

Pēdējais beta sabrukšanas veids ir diezgan atšķirīgs no pirmajiem diviem. Elektronu uztveršanā protons “absorbē” elektronu un pārvēršas par neitronu, atbrīvojot elektronu neitrīno. Tāpēc tas samazina atomu skaitu (t.i., protonu skaitu) par vienu un palielina neitronu skaitu par vienu.

Var šķist, ka tas pārkāpj līdzšinējo modeli, izdalot vienu matēriju un vienu antimatter daļiņu, taču tas dod mājienu par šī līdzsvara faktisko iemeslu. “Leptona numurs” (kuru jūs varat iedomāties kā “elektronu saimes” numuru) ir saglabāts, un elektrons vai elektronu neitrīno ir leptona skaitlis 1, bet pozitronu vai elektronu antineitrīno leptona skaits ir 1 −1.

Jums vajadzētu būt iespējai redzēt, ka visi pārējie procesi to viegli izpilda. Elektronu uztveršanai leptona skaitlis samazinās par 1, kad tiek notverts elektrons, tāpēc, lai to līdzsvarotu, jāizstaro daļiņa ar leptona skaitli 1.

Elektronu uztveršanā izdalītās enerģijas aprēķināšana ir diezgan vienkārša: Tā kā elektrons nāk no vecāka atoma, jums nav jāuztraucas par vecāku un meitu elektronu skaita atšķirības uzskaiti atomi. Jūs atrodat ∆mvienkārši atņemot meitas atoma masu no vecāka atoma. Procesa izteiksme parasti tiks uzrakstīta ar elektronu kreisajā pusē, taču vienkāršais noteikums jums atgādina, ka masas ziņā šī faktiski ir vecāka atoma sastāvdaļa.

Gamma sabrukšana ietver augstas enerģijas fotona (elektromagnētiskā starojuma) emisiju, bet protonu un neitronu skaits atomā procesa rezultātā nemainās. Tas ir analogs fotona emisijai, kad elektrons pāriet no augstākas enerģijas stāvokļa uz zemākas enerģijas stāvokli, bet pāreja šajā gadījumā notiek atoma kodolā.

Tāpat kā analogajā situācijā, pāreju no augstākas enerģijas stāvokļa uz zemākas enerģijas stāvokli līdzsvaro fotona emisija. To enerģija pārsniedz 10 keV, un tos parasti sauc par gamma stariem, lai gan definīcija nav īsti stingra (piemēram, enerģijas diapazons pārklājas ar rentgena stariem).

Alfa vai beta emisija var atstāt kodolu augstākas enerģijas ierosinātā stāvoklī, un šo procesu rezultātā izdalītā enerģija tiek veikta gamma staru formā. Tomēr kodols var nonākt arī augstākas enerģijas stāvoklī pēc sadursmes ar citu kodolu vai triecienu ar neitronu. Rezultāts visos gadījumos ir vienāds: Kodols nokrīt no ierosinātā stāvokļa zemākas enerģijas stāvoklī un procesā atbrīvo gamma starus.

Urāns-238 sadalās torija-234 sastāvā, izdalot alfa daļiņu (t.i., hēlija kodolu), un tas ir viens no vispazīstamākajiem radioaktīvās sabrukšanas piemēriem. Procesu var attēlot kā:

Lai aprēķinātu, cik daudz enerģijas izdalās šajā procesā, jums būs nepieciešamas atomu masas: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234,04363 amu un ⁴Viņš = 4,00260 amu, visām masām izteikts atomu masas vienībās. Tagad, lai noskaidrotu, cik daudz enerģijas tiek izdalīts procesā, jums jāatrod tikai ∆matņemot produktu masas no sākotnējā pamatatoma masas un pēc tam aprēķiniet enerģijas daudzumu, ko tas pārstāv.

Radioaktīvā sabrukšana bieži notiek ķēdēs ar vairākiem soļiem starp sākuma punktu un pēdējo punktu. Šīs sabrukšanas ķēdes ir garas, un tām būtu nepieciešami daudzi soļi, lai aprēķinātu, cik daudz enerģijas tiek izdalīts visā procesā, taču, ņemot vienu gabalu no vienas šādas ķēdes, pieeja tiek ilustrēta.

Ja paskatās uz torija-232 sabrukšanas ķēdi, kas atrodas netālu no ķēdes gala, nestabils kodols (t.i., nestabila izotopa atoms ar īss pusperiods) bismuta-212 beta-mīnus sadalīšanās notiek polonijs-212, kas pēc tam alfa sabrukšanas rezultātā svina-208, stabila izotops. Jūs varat aprēķināt šajā procesā atbrīvoto enerģiju, veicot to soli pa solim.

Pirmkārt, beta-mīnus sabrukšana no bismuta-212 (m= 211,99129 amu) polonija-212 (m= 211,98887 amu) dod:

Atceroties, ka elektronu skaita izmaiņas atceļ beta-mīnus sabrukšanas laikā. Tas atbrīvo:

Nākamais posms ir alfa sabrukšana no polonija-212 līdz svinam-208 (m= 207,97665 amu) un viens hēlija kodols.

Un enerģija ir:

Tad kopumā procesā izdalās 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV enerģijas. Protams, ja esat piesardzīgs (ieskaitot alfa daļiņu un papildu elektronus, ja jūsu process ietver beta-plus sabrukšanu), var vienā solī aprēķināt masas starpību un pēc tam konvertēt, taču šī pieeja stāsta par katru izdalīto enerģiju posmā.