Typer av radioaktivt forfall: Alpha, Beta, Gamma

​Radioaktivter et ord som ikke er så godt forstått. Oversvømmet av frykt og i utgangspunktet virker fremmed og farlig, er karakteren av radioaktivt forfall noe som er verdt å lære om du er fysikkstudent eller bare en interessert lekmann.

Virkeligheten er at radioaktivitet i det vesentlige beskriver kjernefysiske reaksjoner som fører til en endring i atomnummeret til et element og / eller en frigjøring av gammastråling. Det er farlig i store mengder fordi den frigitte strålingen er "ioniserende" (dvs. den har nok energi til å fjerne elektroner fra atomer) men det er et interessant fysisk fenomen, og i praksis vil de fleste aldri være rundt radioaktive materialer nok til å være i fare.

Kjerner kan oppnå en lavere energitilstand ved fusjon - det er når to kjerner smelter sammen for å skape en tyngre kjernen, frigjør energi i prosessen - eller ved fisjon, som er splitting av tunge elementer i lettere de. Fisjon er kilden til energien i atomreaktorer, og også i atomvåpen, og spesielt dette er det folk flest forestiller seg når de tenker på radioaktivitet. Men mesteparten av tiden, når kjerner endres til en lavere energitilstand i naturen, er det ned til radioaktivt forfall.

Det er tre typer radioaktivt forfall: alfa-forfall, beta-forfall og gamma-forfall, selv om beta-forfall i seg selv kommer i tre forskjellige typer. Å lære om disse formene for kjerneforfall er en viktig del av ethvert kurs i kjernefysikk.

Alfa-forfall oppstår når en kjerne avgir det som kalles en "alfapartikkel" (α-partikkel). En alfapartikkel er en kombinasjon av to protoner og to nøytroner, som hvis du kjenner det periodiske systemet, vil du gjenkjenne det som en heliumkjerne.

Prosessen er ganske lett å forstå når det gjelder massen og egenskapene til det resulterende atomet: Den mister fire fra dens massetall (to fra protonene og to fra elektronene) og to fra dets atomnummer (fra de to protonene tapt). Dette betyr at det opprinnelige atomet (dvs. "foreldre" -kjernen) blir et annet element (basert på "datter" -kjernen) etter å ha gjennomgått alfa-forfall.

Når du beregner energien som frigjøres ved alfa-forfall, må du trekke fra massen til heliumkjernen og datteratom fra massen til moderatom, og konvertere dette til en verdi av energi ved hjelp av Einsteins berømte ligningE​ = ​mc​². Det er vanligvis lettere å utføre denne beregningen hvis du arbeider i atommasseenheter (amu) og multipliserer den manglende massen med faktorenc​² = 931,494 MeV / amu. Dette returnerer en verdi av energi i MeV (dvs. mega elektronvolter), med en elektronvolt som er lik 1,602 × 10⁻⁹ joule og generelt en mer praktisk enhet for å arbeide i energier i atomskalaen.

Siden beta-forfall har tre forskjellige varianter, er det nyttig å lære om hver enkelt i sin tur, selv om det er mange likheter mellom dem. Beta-pluss-forfall er når en proton blir til et nøytron, med frigjøring av en beta-pluss-partikkel (dvs. en β + -partikkel) sammen med en uladet, nesten masseløs partikkel kalt neutrino. Som et resultat av denne prosessen vil datteratomet ha ett mindre proton og ett mer nøytron enn foreldreatomet, men det samme totale massetallet.

Betaplus-partikkelen kalles faktisk en positron, som er antimateriellpartikkelen som tilsvarer elektronet. Den har en positiv ladning av samme størrelse som den negative ladningen på elektronet, og den samme massen som et elektron. Den frigjorte nøytrinoen kalles teknisk en elektronnøytrino. Legg merke til at en partikkel av vanlig materie og en partikkel av antimateriale frigjøres i denne prosessen.

Å beregne energien som frigjøres i denne forfallsprosessen er litt mer komplisert enn for andre former for forfall, fordi massen til overordnet atom vil inkludere massen til ett mer elektron enn datteratomet masse. På toppen av dette må du også trekke fra massen av β + -partikkelen som sendes ut i prosessen. I hovedsak må du trekke massen av datterpartikkelen ogtoelektroner fra massen til foreldrepartikkelen, og konverterer deretter til energi som før. Nøytrino er så liten at den trygt kan forsømmes.

Beta-minus-forfall er egentlig den motsatte prosessen med betaplus-forfall, hvor et nøytron blir til en proton som frigjør en beta-minus-partikkel (en β− partikkel) og et elektronantineutrino i prosess. På grunn av denne prosessen vil datteratomet ha ett mindre nøytron og ett mer proton enn foreldreatomet.

Β− partikkelen er faktisk et elektron, men den har et annet navn i denne sammenhengen fordi da beta-utslippet for forfallet først ble oppdaget, visste ingen hva partikkelen egentlig var. I tillegg er det nyttig å kalle dem betapartikler fordi det minner deg om at det kommer fra beta-forfallsprosessen, og det kan være nyttig når du er prøver å huske hva som skjer i hver - den positive beta-partikkelen frigjøres i beta-pluss forfall og den negative beta-partikkelen frigjøres i beta-minus forfall. I dette tilfellet er nøytrino imidlertid en antimateriellpartikkel, men igjen frigjøres en antimateriale og en vanlig materiellpartikkel i prosessen.

Å beregne energien som frigjøres i denne typen beta-forfall er litt enklere, fordi det ekstra elektronet som datteratomet har, kansellerer med elektronet tapt i beta-utslippet. Dette betyr at å beregne ∆mtrekker du ganske enkelt massen til datteratomet fra det forelderatomet og deretter multipliserer du med lysets hastighet i kvadrat (c​²), som tidligere, uttrykt i mega elektronvolt per atommasseenhet.

Den siste typen beta-forfall er ganske forskjellig fra de to første. I elektroninnfanging “absorberer” en proton et elektron og blir til et nøytron, med frigjøring av et elektronnøytrino. Dette reduserer derfor atomnummeret (dvs. antall protoner) med ett og øker antall nøytroner med ett.

Dette kan virke som om det bryter med mønsteret så langt, med en sak og en antimateriellpartikkel som sendes ut, men det gir et snev av den faktiske årsaken til denne balansen. "Lepton-nummeret" (som du kan tenke på som et "elektronfamilienummer") er bevart, og et elektron eller elektronnøytrino har et leptontall på 1, mens positron eller elektronantineutrino har et leptontall på −1.

Du bør kunne se at alle de andre prosessene enkelt oppfyller dette. For elektroninnfangning reduseres leptontallet med 1 når elektronen fanges opp, så for å balansere dette, må en partikkel med et leptontall på 1 sendes ut.

Å beregne energien som frigjøres ved elektroninnfanging er ganske enkel: Fordi elektronen kommer fra foreldreaatom, du trenger ikke å bekymre deg for å ta hensyn til forskjellen i antall elektroner mellom foreldre og datter atomer. Du finner ∆mved ganske enkelt å trekke massen til datteratomet fra det forelderatomet. Uttrykket for prosessen vil vanligvis skrives med elektronet på venstre side, men den enkle regelen minner deg om at dette faktisk er en del av det overordnede atomet når det gjelder massen.

Gamma-forfall innebærer utslipp av et højenergifoton (elektromagnetisk stråling), men antall protoner og nøytroner i atomet endres ikke som et resultat av prosessen. Det er analogt med utslipp av et foton når et elektron overgår fra en høyere energitilstand til en lavere energitilstand, men overgangen skjer i dette tilfellet i atomkjernen.

Akkurat som i den analoge situasjonen balanseres overgangen fra en høyere energitilstand til en lavere energitilstand ved utslipp av et foton. Disse har energier over 10 keV og kalles vanligvis gammastråler, selv om definisjonen ikke er veldig streng (for eksempel overlapper energiområdet med røntgenstråler).

Alfa- eller beta-utslipp kan etterlate en kjerne i en høyere energi, opphisset tilstand, og energien som frigjøres som et resultat av disse prosessene gjøres i form av gammastråler. Imidlertid kan kjernen også havne i en høyere energitilstand etter å ha kollidert med en annen kjerne eller blitt truffet av et nøytron. Resultatet er i alle tilfeller det samme: Kjernen faller fra sin eksiterte tilstand til en lavere energitilstand og frigjør gammastråler i prosessen.

Uran-238 forfaller til thorium-234 med frigjøring av en alfapartikkel (dvs. en heliumkjerne), og dette er et av de mest kjente eksemplene på radioaktivt forfall. Prosessen kan fremstilles som:

For å beregne hvor mye energi som frigjøres i denne prosessen, trenger du atommassene: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234.04363 amu og ⁴Han = 4,00260 amu, med alle massene uttrykt i atommasseenheter. Nå for å finne ut hvor mye energi som frigjøres i prosessen, er alt du trenger å finne ∆mved å trekke massene av produktene fra massen til det opprinnelige hovedatomet, og deretter beregne hvor mye energi dette representerer.

Radioaktivt forfall skjer ofte i kjeder, med flere trinn mellom startpunktet og sluttpunktet. Disse forfallskjedene er lange og vil kreve mange trinn for å beregne hvor mye energi som frigjøres i hele prosessen, men å ta et stykke av en slik kjede illustrerer tilnærmingen.

Hvis du ser på forfallskjeden til thorium-232, nær enden av kjeden, en ustabil kjerne (dvs. et atom av en ustabil isotop, med en kort halveringstid) av vismut-212 gjennomgår beta-minus forfall til polonium-212, som deretter gjennomgår alfa forfall til bly-208, en stabil isotop. Du kan beregne energien som frigjøres i denne prosessen ved å ta den trinnvis.

For det første forfaller beta-minus fra vismut-212 (m= 211.99129 amu) til polonium-212 (m= 211.98887 amu) gir:

Husk at endringen i elektrontall annullerer i beta-minus forfall. Som frigjør:

Neste trinn er alfa-forfallet fra polonium-212 til bly-208 (m= 207,97665 amu) og en heliumkjerne.

Og energien er:

Totalt er det da 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energi frigitt i prosessen. Selvfølgelig, hvis du er forsiktig (inkludert alfapartikkelen og tilleggselektroner hvis prosessen inkluderer et betaplus-forfall), kan beregne forskjellen i masse i et enkelt trinn og deretter konvertere, men denne tilnærmingen forteller deg energien som frigjøres ved hvert trinn scene.