Czym są cząstki alfa, beta i gamma?

Promienie alfa, beta, gamma: Brzmi to prawie jak slogan oldschoolowego filmu o kosmitach z kosmosu, nowo przybyłych na Ziemię z ich ultra-nowoczesnymi gadżetami (i miejmy nadzieję, że mają ciepłe usposobienie). W rzeczywistości nie jest to zbyt odległe. Promieniowanie alfa, beta i gamma są prawdziwymi bytami w świecie fizyki i warto ich unikać, kiedy można sobie z tym poradzić.

Prawdopodobnie wiesz, że różne rodzaje atomów mogą łączyć się ze sobą w procesie wiązania chemicznego, tworząc cząsteczki. Na przykład dwa atomy wodoru (H w układzie okresowym pierwiastków) i jeden atom tlenu (O) mogą łączyć się, tworząc cząsteczkę wody (H₂O). Cząsteczka ta może zostać rozbita na jony H+ i OH– poprzez zerwanie jednego z wiązań O-H.

W wiązaniach chemicznych elektrony różnych atomów oddziałują, ale ich jądra (liczba mnoga jądra) pozostają nienaruszone. Dzieje się tak, ponieważ siła utrzymująca razem protony i neutrony jest niezwykle silna w porównaniu z siłami elektrostatycznymi leżącymi u podstaw wiązania chemicznego między atomami.

Niemniej jednak jądra atomowe ulegają rozpadowi, zwykle spontanicznie i często w niewiarygodnie niskim tempie, w zależności od tego, czym jest pierwiastek. Ta radioaktywność występuje w trzech podstawowych smakach wprowadzonych w pierwszym zdaniu tego artykułu: Alpha beta i promieniowanie gamma, nazywany również Alpha beta i cząstki gamma (z wyjątkiem, technicznie, w ostatniej instancji).

Atom był kiedyś określany jako „najmniejsza niepodzielna rzecz” nawet przez ludzi wtajemniczonych. Ta definicja jest pod pewnymi względami prawdziwa: weź dowolny pojedynczy pierwiastek lub substancję złożoną z jednego nieredukowalnego składnika, a atom jest najmniejszą całością tej substancji. W układzie okresowym pierwiastków na rok 2020 znajduje się 118 pierwiastków, z których 92 występuje naturalnie.

Atomy składają się z jądra, które ma jeden lub więcej protonów i, z wyjątkiem wodoru (najmniejszego pierwiastka), co najmniej jednego neutronu. Mają także jeden lub więcej elektronów, znajdujących się w pewnej odległości od jądra na określonych poziomach energii.

Protony są naładowane dodatnio, a elektrony ujemnie, przy czym w każdym z nich wielkość ładunku jest taka sama. Ponieważ atom w stanie podstawowym ma taką samą liczbę protonów jak elektronów, atomy są elektrycznie obojętny, ??? chyba że są zjonizowane (tj. ich liczba elektronów zmienia się).

Liczba protonowa atomu jest jego liczbą atomową w układzie okresowym i określa tożsamość (nazwę) pierwiastka. Niektóre atomy mogą zyskać lub stracić neutrony, kontynuując szczęśliwe istnienie, ale jeśli jądro traci lub zyskuje proton zamiast tego zmienia zasady gry, ponieważ teraz każdy element ma zupełnie nową nazwę i nowe atrybuty, z którymi można się połączyć to.

Siła, która utrzymuje razem protony i neutrony, nie bez powodu nazywana jest silną siłą jądrową. Jądra atomów można w pewnym sensie uważać za znajdujące się w centrum całej materii, a więc ich ekstremum stabilność ma sens w kosmosie pełnym organizacji i zdolnym do podtrzymania życia przynajmniej na jednym skromnym planeta.

Jednak jądra nie są idealnie stabilne iz czasem ulegają rozpadowi, emitując cząstki i energię. Każdy pierwiastek ulegający rozpadowi promieniotwórczemu, a dokładniej izotop badanego pierwiastka ma swój charakterystyczny okres półtrwania, który można wykorzystać do przewidywania, ile jąder ulegnie rozpadowi w czasie, nie dostarczając informacji o żadnym jądrze. Jest zatem podobny do ryzyka, zasadniczo jest to statystyka prawdopodobieństwa.

Okres półtrwania gatunku radioaktywnego to czas, w którym połowa niestabilnych jąder w próbce rozpada się na inną formę. Ta liczba może sięgać bardzo wysoko, sięgając miliardów lat, chociaż dla węgla-14 wynosi około 5730 lat (przerwa w czasie geologicznym, jeśli nie w cywilizacjach ludzkich).

Różne rodzaje rozpadu promieniotwórczego mają pierwsze trzy litery alfabetu greckiego. A zatem promieniowanie alfa emituje cząstkę często reprezentowaną przez małą wersję tej litery, α. Byłoby jednak niekonwencjonalne napisanie „promieniowania α”.

Ten rodzaj cząstki jest równoznaczny z jądrem atomów helu (He). Hel jest drugim pierwiastkiem w układzie okresowym pierwiastków, a przy masie atomowej 4,00 ma dwa protony i dwa neutrony. Cały atom ma również dwa elektrony, które równoważą ładunek dwóch protonów, ale nie są one częścią cząstki alfa, tylko jądra.

Cząstki te są masywne w porównaniu z innymi rodzajami promieniowania; Na przykład cząstka beta jest około 7000 razy mniejsza. Z pozoru może się to wydawać szczególnie niebezpieczne, ale w rzeczywistości jest odwrotnie: wielkość cząstek α ​​oznacza, że ​​penetrują one rzeczy, w tym bariery biologiczne, takie jak skóra, bardzo słabo.

Cząstki beta (β-cząstki) są w rzeczywistości tylko elektronami, ale zachowują swoją nazwę, ponieważ ich odkrycie poprzedza formalną identyfikację elektronów jako takich. Kiedy atom emituje cząsteczkę beta, emituje jednocześnie inną cząsteczkę subatomową, zwaną antyneutrinem elektronowym. Cząstka ta ma udział w pędzie i energii emisji cząstki, ale prawie nie ma masy (nawet w porównaniu z elektronem, sam tylko około 9,1 × 10^–31 kg masy).

Cząstki beta, znacznie mniejsze niż cząstki alfa, mogą penetrować głębiej niż ich znacznie bardziej masywne odpowiedniki.

Innym rodzajem cząstki beta jest pozyton, który następuje w wyniku rozpadu neutronów w jądrze. Cząstki te mają taką samą masę jak elektrony, ale mają przeciwny ładunek (stąd ich nazwa).

Promienie gamma, lub promienie γ, stanowią najbardziej niebezpieczny wynik radioaktywności dla ludzi. Są bezmasowe, ponieważ w ogóle nie są cząsteczkami. „Promienie” jest w rzeczywistości skrótem od ogólnego terminu promieniowanie elektromagnetyczne (promieniowanie EM), które przemieszcza się z prędkością światła (oznaczone jako c lub 3 × 10⁸ m/s) i występuje w różnych kombinacjach wartości częstotliwości i długości fali, których iloczyny wynoszą c.

Promienie gamma mają bardzo krótkie długości fal, a co za tym idzie bardzo wysoką energię. Są podobne do promieni rentgenowskich, z tą różnicą, że promienie rentgenowskie powstają poza jądrem. Zazwyczaj przechodzą przez ludzkie ciała, nie dotykając niczego, ale ponieważ są tak penetrujące, wymagana jest ołowiana osłona o grubości dwóch cali, aby zapewnić ich zatrzymanie.

Cząstki alfa można bezpiecznie zignorować, do tego stopnia, że ​​dotyczy to wszystkiego, co klasyfikuje się jako promieniowanie. Mogą podróżować w powietrzu tylko od 10 do 17 cm, a ich energia jest tracona podczas uderzenia protony i neutrony każdego napotkanego materiału, uniemożliwiając im penetrację them dalej.

Większość uszkodzeń spowodowanych przez cząstki beta pochodzi z ich spożycia lub połknięcia. (Może to dotyczyć również cząstek alfa.) Picie lub spożywanie materiałów radioaktywnych jest głównym źródłem uszkodzeń spowodowanych tego rodzaju promieniowaniem, chociaż długotrwałe narażenie skóry może powodować oparzenia.

Promienie gamma mogą przenikać przez ciała, nie uderzając w nic, ale nie ma pewności, że rzeczywiście to przejdą, a mogą przebyć w powietrzu około mili. Ponieważ mogą penetrować praktycznie wszystko, oprócz pokonywania dużych odległości, mogą: uszkodzenia wszystkich układów organizmu i ich obecność w środowiskach z żywymi układami musi być ostrożna monitorowane.