Hva er alfa-, beta- og gammapartikler?

Alpha, beta, gammastråler: Det høres nesten ut som taglinjen til en film fra old school om romvesener fra verdensrommet, nylig ankommet på jorden med sine ultrahøyteknologiske dingser (og forhåpentligvis en varm disposisjon). I virkeligheten er dette ikke så langt unna. Alfa-, beta- og gammastråling er alle virkelige enheter i fysikkverdenen og er verdt å unngå når du klarer det.

Du vet sannsynligvis at forskjellige typer atomer kan gå sammen via kjemisk binding for å skape molekyler. For eksempel kan to hydrogenatomer (H på det periodiske elementet) og ett oksygenatom (O) kombineres for å danne et vannmolekyl (H₂O). Dette molekylet kan brytes inn i ionene H + og OH– ved å bryte en av O-H-bindingene.

I kjemiske bindinger samhandler elektroner med forskjellige atomer, men kjernene deres (flertallet av kjernen) forblir intakte. Dette er fordi kraften som holder protonene og nøytronene sammen er ekstremt sterk sammenlignet med de elektrostatiske kreftene som ligger til grunn for kjemisk binding mellom atomer.

Likevel forfaller atomkjerner, vanligvis spontant og ofte i utrolig lav hastighet, avhengig av hva elementet er. Denne radioaktiviteten kommer i de tre grunnleggende smakene som ble introdusert i første setning i denne artikkelen: Alpha, beta og gammastråling, også kalt alfa, beta og gammapartikler (bortsett fra, teknisk sett, i siste instans).

Atomet ble en gang beskrevet noe impetuøst som "den minste udelelige tingen" selv av folk som vet. Denne definisjonen er sant på noen måter: Ta ethvert enkelt element, eller stoff laget av en enkelt irredusibel komponent, og atomet er den minste hele enheten til det stoffet. Det er 118 elementer på det periodiske systemet fra og med 2020, 92 av dem forekommer naturlig.

Atomer består av en kjerne, som har ett eller flere protoner, og bortsett fra hydrogen (det minste elementet), minst ett nøytron. De har også en eller flere elektroner, funnet i en viss avstand fra kjernen i spesifikke energinivåer.

Protoner er positivt ladede og elektroner negativt ladede, med størrelsen på ladningen den samme i hver. Siden et atom i bakken har samme antall protoner som elektroner, er atomer det elektrisk nøytral med mindre ionisert (dvs. deres elektronnummer endres).

Et atoms protonnummer er dets atomnummer på det periodiske systemet og bestemmer identiteten (navnet) til elementet. Noen atomer kan få eller miste nøytroner mens de fortsetter å lykkelig eksistere, men hvis en kjerne mister eller får et proton i stedet er det en spillveksler, for nå har uansett elementet vært et helt nytt navn og nye attributter å gå med den.

Kraften som holder protoner og nøytroner sammen kalles ikke for ingenting den sterke kjernefysiske styrken. Atomkjernene kan på sett og vis betraktes som å sitte midt i all materie, så deres ekstreme stabilitet er fornuftig i et kosmos som er full av organisasjon og i stand til å opprettholde livet på minst en ydmyk planet.

Men kjerner er ikke helt stabile, og over tid forfaller de og avgir partikler og energi. Hvert element som gjennomgår radioaktivt forfall, eller mer spesifikt isotop av elementet som studeres, har sin egen karakteristiske halveringstid, som kan brukes til å forutsi hvor mange kjerner som vil forfalle over tid, mens de ikke gir informasjon om noen kjerner. Det ligner altså en risiko, i det vesentlige en sannsynlighetsstatistikk.

Halveringstiden til en radioaktiv art er den tiden det tar for halvparten av de ustabile kjernene i en prøve å forfalle til en annen form. Dette tallet kan gå veldig høyt, inn i milliarder av år, selv om det for karbon-14 er omtrent 5730 år (en blip i geologisk tid, om ikke i menneskelige sivilisasjoner).

De forskjellige typene av radioaktivt forfall får de tre første bokstavene i det greske alfabetet. Og dermed alfastråling avgir en partikkel som ofte er representert av en liten versjon av denne bokstaven, α. Det ville imidlertid være ukonvensjonelt å skrive "α-stråling."

Denne typen partikkler tilsvarer kjernen til et helium (He) -atomer. Helium er det andre elementet i det periodiske systemet, og med en atommasse på 4,00 har den to protoner og to nøytroner. Hele atomet har også to elektroner som balanserer ut ladningen til de to protonene, men disse er ikke en del av en alfapartikkel, bare kjernen.

Disse partiklene er enorme i forhold til andre typer stråling; betapartikkelen er for eksempel 7000 ganger mindre. Dette på overflaten kan gjøre at det ser ut til å være spesielt farlig, men faktisk er det motsatte: The størrelsen på α-partiklene betyr at de trenger inn i ting, inkludert biologiske barrierer som hud, veldig dårlig.

Betapartikler (β-partikler) er egentlig bare elektroner, men de beholder navnet sitt fordi oppdagelsen deres forut for den formelle identifikasjonen av elektroner som sådan. Når et atom avgir en beta-partikkel, avgir det også en annen subatomær partikkel som samtidig kalles et elektronantineutrino. Denne partikkelen deler på fremdriften og energien til partikkelutslipp, men den har nesten ingen masse (selv i forhold til et elektron, selv bare ca. 9,1 × 10^–31 kg i masse).

Betapartikler, som er mye mindre enn alfapartikler, kan trenge dypere enn deres langt mer massive kolleger.

En annen type betapartikkel er positron, som oppstår som et resultat av forfallet av nøytroner i kjernen. Disse partiklene har samme masse som elektroner, men har motsatt ladning (derav navnet deres).

Gamma-stråler, eller γ-stråler, representerer det farligste resultatet av radioaktivitet for mennesker. De er masseløse fordi de ikke er partikler i det hele tatt. "Stråler" er faktisk kort for den generelle betegnelsen elektromagnetisk stråling (EM-stråling), som beveger seg med lysets hastighet (betegnet c, eller 3 × 10⁸ m / s) og kommer i en rekke kombinasjoner av frekvens- og bølgelengdeverdier hvis produkter er c.

Gamma-stråler har veldig korte bølgelengder og dermed veldig høy energi. De ligner røntgenstråler, bortsett fra at røntgenstråler stammer utenfor kjernen. De passerer vanligvis gjennom menneskekropper uten å berøre noe, men fordi de er så gjennomtrengende, kreves det et blyhylster på to inches tykt for å sikre at de blir stoppet.

Alfapartikler kan trygt ignoreres, i den grad dette gjelder alt klassifisert som stråling. De kan bare reise mellom 10 og 17 cm i luften, og energien går tapt når de slår til protonene og nøytronene av uansett hvilket materiale de møter, og forhindrer dem i å trenge inn lengre.

Det meste av skaden fra betapartikler kommer fra inntak eller svelging av dem. (Dette kan også være sant for alfapartikler.) Å drikke eller spise radioaktivt materiale er den viktigste kilden til skade fra denne typen stråling, selv om langvarig eksponering for huden kan gi brannskader.

Gamma-stråler kan passere gjennom kropper uten å slå noe, men det er ingen sikkerhet for at de faktisk vil gjøre det, og de kan reise omtrent en kilometer i luften. Fordi de kan trenge gjennom praktisk talt hva som helst i tillegg til å reise lange avstander, kan de skade alle kroppssystemer og deres tilstedeværelse i miljøer med levende systemer må være nøye overvåket.