Soorten radioactief verval: alfa, bèta, gamma

​radioactiefis een woord dat niet zo goed begrepen wordt. Overspoeld door angst en inherent buitenaards en gevaarlijk, is de aard van radioactief verval iets dat de moeite waard is om te leren, of je nu een natuurkundestudent bent of gewoon een geïnteresseerde leek.

De realiteit is dat radioactiviteit in wezen kernreacties beschrijft die leiden tot een verandering in het atoomnummer van een element en/of het vrijkomen van gammastraling. Het is gevaarlijk in grote hoeveelheden omdat de vrijgekomen straling "ioniserend" is (d.w.z. het heeft genoeg energie om elektronen van atomen te strippen) maar het is een interessant natuurkundig fenomeen en in de praktijk zullen de meeste mensen nooit voldoende in de buurt zijn van radioactieve materialen om risico te lopen.

Kernen kunnen een lagere energietoestand bereiken door fusie - dat is wanneer twee kernen samensmelten om een ​​zwaardere te creëren kern, waarbij daarbij energie vrijkomt – of door splijting, wat neerkomt op het splitsen van zware elementen in lichtere degenen. Splijting is de bron van de energie in kernreactoren, en ook in kernwapens, en dit is in het bijzonder wat de meeste mensen zich voorstellen als ze aan radioactiviteit denken. Maar meestal, wanneer kernen veranderen naar een lagere energietoestand in de natuur, is dit te wijten aan radioactief verval.

Er zijn drie soorten radioactief verval: alfaverval, bètaverval en gammaverval, hoewel bètaverval op zich in drie verschillende soorten voorkomt. Leren over deze vormen van nucleair verval is een cruciaal onderdeel van elke cursus kernfysica.

Alfa-verval treedt op wanneer een kern een zogenaamd "alfadeeltje" (α-deeltje) uitzendt. Een alfadeeltje is een combinatie van twee protonen en twee neutronen, die je, als je je periodiek systeem kent, herkent als een heliumkern.

Het proces is vrij eenvoudig te begrijpen in termen van de massa en eigenschappen van het resulterende atoom: het verliest vier van het massagetal (twee van de protonen en twee van de elektronen) en twee van het atoomnummer (van de twee protonen verloren). Dit betekent dat het oorspronkelijke atoom (d.w.z. de "ouder" -kern) een ander element wordt (gebaseerd op de "dochter" -kern) na het ondergaan van alfaverval.

Bij het berekenen van de energie die vrijkomt bij alfa-verval, moet je de massa van de heliumkern en de. aftrekken dochteratoom uit de massa van het ouderatoom, en zet dit om in een energiewaarde met behulp van Einsteins beroemde vergelijkingE​ = ​mc​². Het is meestal gemakkelijker om deze berekening uit te voeren als u in atomaire massa-eenheden (amu) werkt en de ontbrekende massa vermenigvuldigt met de factorc​² = 931.494 MeV/am. Dit retourneert een waarde van energie in MeV (d.w.z. mega-elektronvolt), waarbij een elektronvolt gelijk is aan 1,602 × 10⁻⁹ joules en in het algemeen een handiger eenheid voor het werken in energieën op atomaire schaal.

Aangezien bètaverval drie verschillende varianten heeft, is het handig om er achtereenvolgens over te leren, hoewel er veel overeenkomsten tussen zijn. Beta-plus verval is wanneer een proton verandert in een neutron, met het vrijkomen van een beta-plus deeltje (d.w.z. een β+ deeltje) samen met een ongeladen, bijna massaloos deeltje dat een neutrino wordt genoemd. Als resultaat van dit proces zal het dochteratoom één proton minder en één neutron meer hebben dan het ouderatoom, maar hetzelfde totale massagetal.

Het bèta-plusdeeltje wordt eigenlijk een positron genoemd, het antimateriedeeltje dat overeenkomt met het elektron. Het heeft een positieve lading van dezelfde grootte als de negatieve lading op het elektron en dezelfde massa als een elektron. Het vrijgekomen neutrino wordt technisch gezien een elektronenneutrino genoemd. Merk op dat bij dit proces één deeltje gewone materie en één deeltje antimaterie vrijkomen.

Het berekenen van de energie die vrijkomt bij dit vervalproces is iets ingewikkelder dan bij andere vormen van verval, omdat de massa van het ouderatoom de massa van één meer elektron zal bevatten dan die van het dochteratoom massa. Daarbovenop moet je ook nog de massa van het β+ deeltje dat daarbij wordt uitgestoten aftrekken. In wezen moet je de massa van het dochterdeeltje aftrekken entweeelektronen uit de massa van het ouderdeeltje, en worden dan zoals voorheen omgezet in energie. Het neutrino is zo klein dat het veilig kan worden verwaarloosd.

Bèta-minusverval is in wezen het tegenovergestelde proces van bèta-plusverval, waarbij een neutron verandert in een proton, dat een bèta-minusdeeltje (een β−-deeltje) en een elektron-antineutrino vrijgeeft in de werkwijze. Door dit proces zal het dochteratoom één neutron minder en één proton meer hebben dan het ouderatoom.

Het β−-deeltje is eigenlijk een elektron, maar heeft in deze context een andere naam, want toen de bèta-emissie voor het verval voor het eerst werd ontdekt, wist niemand wat het deeltje eigenlijk was. Bovendien is het handig om ze bètadeeltjes te noemen omdat het je eraan herinnert dat het afkomstig is van het bètavervalproces, en het kan handig zijn als je proberen te onthouden wat er in elk gebeurt - het positieve bètadeeltje komt vrij in bèta-plus-verval en het negatieve bètadeeltje komt vrij in bèta-minus verval. In dit geval is het neutrino echter een antimateriedeeltje, maar opnieuw komen er één antimaterie en één regulier materiedeeltje vrij.

Het berekenen van de energie die vrijkomt bij dit type bètaverval is iets eenvoudiger, omdat het extra elektron dat het dochteratoom bezit, wordt gecompenseerd door het elektron dat verloren gaat in de bèta-emissie. Dit betekent dat voor het berekenen van ∆m, trek je gewoon de massa van het dochteratoom af van die van het ouderatoom en vermenigvuldig je met de lichtsnelheid in het kwadraat (c​²), zoals eerder, uitgedrukt in mega-elektronvolt per atomaire massa-eenheid.

Het laatste type bètaverval is heel anders dan de eerste twee. Bij elektronenvangst "absorbeert" een proton een elektron en verandert het in een neutron, waarbij een elektronneutrino vrijkomt. Dit vermindert daarom het atoomnummer (d.w.z. het aantal protonen) met één en verhoogt het aantal neutronen met één.

Dit lijkt misschien alsof het het patroon tot dusver schendt, waarbij één materie- en één antimateriedeeltje wordt uitgestoten, maar het geeft een hint naar de werkelijke reden voor deze balans. Het "leptongetal" (dat u kunt zien als een "elektronenfamilie" -nummer) blijft behouden en een elektron of elektron-neutrino heeft een leptongetal van 1, terwijl het positron of elektron-antineutrino een leptongetal heeft van −1.

Je zou moeten kunnen zien dat alle andere processen dit gemakkelijk kunnen vervullen. Voor elektronenvangst neemt het leptongetal met 1 af wanneer het elektron wordt gevangen, dus om dit in evenwicht te brengen, moet een deeltje met een leptongetal van 1 worden uitgezonden.

Het berekenen van de energie die vrijkomt bij elektronenvangst is vrij eenvoudig: omdat het elektron afkomstig is van het ouderatoom, u hoeft zich geen zorgen te maken over het verschil in het aantal elektronen tussen de ouder en de dochter atomen. Je vindt ∆mdoor simpelweg de massa van het dochteratoom af te trekken van die van het ouderatoom. De uitdrukking voor het proces wordt over het algemeen geschreven met het elektron aan de linkerkant, maar de eenvoudige regel herinnert je eraan dat dit eigenlijk een deel van het ouderatoom is in termen van massa.

Gamma-verval omvat de emissie van een hoogenergetisch foton (elektromagnetische straling), maar het aantal protonen en neutronen in het atoom verandert niet als gevolg van het proces. Het is analoog aan de emissie van een foton wanneer een elektron overgaat van een hogere energietoestand naar een lagere energietoestand, maar de overgang vindt in dit geval plaats in de kern van het atoom.

Net als in de analoge situatie wordt de overgang van een hogere energietoestand naar een lagere energietoestand gecompenseerd door de emissie van een foton. Deze hebben energieën van meer dan 10 keV en worden over het algemeen gammastralen genoemd, hoewel de definitie niet echt strikt is (het energiebereik overlapt bijvoorbeeld met röntgenstralen).

Alfa- of bèta-emissie kan een kern in een hogere energie, aangeslagen toestand achterlaten, en de energie die vrijkomt als gevolg van deze processen wordt gedaan in de vorm van gammastralen. De kern kan echter ook in een hogere energietoestand terechtkomen na een botsing met een andere kern of door een neutron. Het resultaat is in alle gevallen hetzelfde: de kern zakt van zijn aangeslagen toestand naar een toestand met een lagere energie en geeft daarbij gammastraling af.

Uranium-238 vervalt in thorium-234 met het vrijkomen van een alfadeeltje (d.w.z. een heliumkern), en dit is een van de meest bekende voorbeelden van radioactief verval. Het proces kan worden weergegeven als:

Om te berekenen hoeveel energie hierbij vrijkomt, heb je de atoommassa's nodig: ²³⁸U = 238.05079 amu, ²³⁴D = 234.04363 amu en ⁴He = 4.00260 amu, met alle massa's uitgedrukt in atomaire massa-eenheden. Om erachter te komen hoeveel energie daarbij vrijkomt, hoef je alleen maar ∆. te vindenmdoor de massa's van de producten af ​​te trekken van de massa van het oorspronkelijke moederatoom en vervolgens de hoeveelheid energie te berekenen die dit vertegenwoordigt.

Radioactief verval gebeurt vaak in ketens, met meerdere stappen tussen het beginpunt en het eindpunt. Deze vervalketens zijn lang en zouden veel stappen vergen om te berekenen hoeveel energie er vrijkomt in het hele proces, maar het nemen van een stuk van zo'n keten illustreert de aanpak.

Als je kijkt naar de vervalketen van thorium-232, dicht bij het einde van de keten, een onstabiele kern (d.w.z. een atoom van een onstabiele isotoop, met een korte halfwaardetijd) van bismut-212 ondergaat bèta-minus verval tot polonium-212, dat vervolgens alfaverval ondergaat tot lood-208, een stabiel isotoop. De energie die daarbij vrijkomt, kun je stap voor stap berekenen.

Ten eerste, het bèta-minusverval van bismut-212 (m= 211.99129 amu) in polonium-212 (m= 211.98887 amu) geeft:

Onthoud dat de verandering in het aantal elektronen teniet wordt gedaan in bèta-minus verval. Dat geeft vrij:

De volgende fase is het alfaverval van polonium-212 naar lood-208 (m= 207.97665 amu) en één heliumkern.

En de energie is:

In totaal komt er dan 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV aan energie vrij bij het proces. Natuurlijk, als je voorzichtig bent (inclusief het alfadeeltje en extra elektronen als je proces een bèta-plus-verval bevat), kan het verschil in massa in een enkele stap berekenen en vervolgens omzetten, maar deze benadering vertelt je de energie die bij elk vrijkomt stadium.