Rodzaje rozpadu promieniotwórczego: alfa, beta, gamma

​Radioaktywnyto słowo, które nie jest zbyt dobrze zrozumiane. Pogrążony w strachu i z natury pozornie obcy i niebezpieczny, natura rozpadu promieniotwórczego jest czymś, czego warto się nauczyć, niezależnie od tego, czy jesteś studentem fizyki, czy tylko zainteresowanym laikiem.

W rzeczywistości radioaktywność zasadniczo opisuje reakcje jądrowe, które prowadzą do zmiany liczby atomowej pierwiastka i/lub uwolnienia promieniowania gamma. Jest niebezpieczny w dużych ilościach, ponieważ uwalniane promieniowanie jest „jonizujące” (tj. ma wystarczającą energię, aby oderwać elektrony od atomów) ale jest to interesujące zjawisko fizyczne i w praktyce większość ludzi nigdy nie znajdzie się w pobliżu materiałów radioaktywnych na tyle, aby być zagrożonym.

Jądra mogą osiągnąć niższy stan energetyczny przez fuzję – czyli wtedy, gdy dwa jądra łączą się, tworząc cięższe jądro, uwalniając energię w procesie – lub przez rozszczepienie, czyli rozszczepienie ciężkich pierwiastków na lżejsze te. Rozszczepienie jest źródłem energii w reaktorach jądrowych, a także w broni jądrowej, i właśnie to wyobraża sobie większość ludzi myśląc o radioaktywności. Ale przez większość czasu, gdy jądra przechodzą w stan o niższej energii w naturze, jest to spowodowane rozpadem radioaktywnym.

Istnieją trzy rodzaje rozpadu promieniotwórczego: rozpad alfa, rozpad beta i rozpad gamma, chociaż sam rozpad beta występuje w trzech różnych typach. Poznanie tych form rozpadu jądrowego jest kluczową częścią każdego kursu fizyki jądrowej.

Rozpad alfa występuje, gdy jądro emituje tak zwaną „cząstkę alfa” (cząstka α). Cząstka alfa to połączenie dwóch protonów i dwóch neutronów, które, jeśli znasz swój układ okresowy, rozpoznasz jako jądro helu.

Proces jest dość łatwy do zrozumienia pod względem masy i właściwości powstałego atomu: traci cztery z jego liczba masowa (dwa z protonów i dwa z elektronów) i dwa z liczby atomowej (z dwóch protonów Stracony). Oznacza to, że pierwotny atom (tj. jądro „rodzice”) po rozpadzie alfa staje się innym pierwiastkiem (opartym na jądrze „córki”).

Obliczając energię uwalnianą w rozpadzie alfa, należy odjąć masę jądra helu i atom potomny z masy atomu macierzystego i przekształć to na wartość energii za pomocą słynnego Einsteina równaniemi​ = ​mc​². Zwykle łatwiej jest wykonać te obliczenia, jeśli pracujesz w jednostkach masy atomowej (amu) i mnożysz brakującą masę przez współczynnikdo​² = 931,494 MeV / amu. Zwraca to wartość energii w MeV (tj. mega elektronowoltach), przy czym elektronowolt jest równy 1,602 × 10⁻⁹ dżule i ogólnie wygodniejsza jednostka do pracy w energiach w skali atomowej.

Ponieważ rozpad beta ma trzy różne odmiany, warto poznać każdą z nich po kolei, chociaż istnieje między nimi wiele podobieństw. Rozpad beta-plus ma miejsce, gdy proton zamienia się w neutron, z uwolnieniem cząstki beta-plus (tj. cząstki β+) wraz z nienaładowaną, prawie bezmasową cząstką zwaną neutrinem. W wyniku tego procesu atom potomny będzie miał o jeden proton mniej i jeden neutron więcej niż atom macierzysty, ale taką samą całkowitą liczbę masową.

Cząstka beta-plus jest w rzeczywistości nazywana pozytonem, który jest cząsteczką antymaterii odpowiadającą elektronowi. Ma ładunek dodatni tej samej wielkości co ładunek ujemny elektronu i taką samą masę jak elektron. Uwolnione neutrino jest technicznie nazywane neutrinem elektronowym. Zauważ, że w tym procesie uwalniana jest jedna cząsteczka zwykłej materii i jedna cząsteczka antymaterii.

Obliczenie energii uwolnionej w tym procesie rozpadu jest nieco bardziej skomplikowane niż w przypadku innych form rozpadu, ponieważ masa atomu macierzystego będzie zawierała masę jednego elektronu więcej niż masa atomu potomnego masa. Oprócz tego musisz również odjąć masę cząstki β+, która jest emitowana w procesie. Zasadniczo musisz odjąć masę cząstki potomnej idwaelektrony z masy cząstki macierzystej, a następnie przekształcają się w energię, jak poprzednio. Neutrino jest tak małe, że można je spokojnie pominąć.

Rozpad beta-minus jest zasadniczo procesem odwrotnym do rozpadu beta-plus, w którym neutron zamienia się w proton, uwalniając cząstkę beta-minus (cząstkę β−) i antyneutrino elektronowe w proces. Z powodu tego procesu atom potomny będzie miał o jeden neutron mniej i o jeden proton więcej niż atom macierzysty.

Cząstka β− jest w rzeczywistości elektronem, ale w tym kontekście ma inną nazwę, ponieważ kiedy po raz pierwszy odkryto emisję beta związaną z rozpadem, nikt nie wiedział, czym właściwie jest ta cząstka. Dodatkowo nazywanie ich cząstkami beta jest przydatne, ponieważ przypomina, że ​​pochodzą one z procesu rozpadu beta i mogą być przydatne, gdy jesteś próbując zapamiętać, co się dzieje w każdym z nich – pozytywna cząsteczka beta uwalniana jest w fazie beta-plus, a ujemna cząsteczka beta uwalniana jest w fazie beta-minus rozkład. W tym przypadku jednak neutrino jest cząsteczką antymaterii, ale znowu w tym procesie uwalniana jest jedna antymateria i jedna zwykła cząsteczka materii.

Obliczenie energii uwolnionej w tego typu rozpadzie beta jest nieco prostsze, ponieważ dodatkowy elektron posiadany przez atom potomny znosi się wraz z elektronem utraconym w emisji beta. Oznacza to, że aby obliczyć ∆mi, po prostu odejmujesz masę atomu potomnego od masy atomu macierzystego, a następnie mnożysz przez prędkość światła do kwadratu (do​²), jak poprzednio, wyrażone w megaelektronowoltach na jednostkę masy atomowej.

Ostatni rodzaj rozpadu beta różni się od dwóch pierwszych. W wychwytywaniu elektronów proton „absorbuje” elektron i zamienia się w neutron z uwolnieniem neutrina elektronowego. Zmniejsza to zatem liczbę atomową (tj. liczbę protonów) o jeden i zwiększa liczbę neutronów o jeden.

Może się wydawać, że do tej pory narusza schemat, emitując jedną materię i jedną cząsteczkę antymaterii, ale daje wskazówkę co do rzeczywistej przyczyny tej równowagi. „Liczba leptonowa” (którą można uznać za liczbę „rodziny elektronów”) jest zachowana, a elektron lub neutrino elektronowe ma liczbę leptonową 1, podczas gdy antyneutrino pozytonowe lub elektronowe ma liczbę leptonową równą −1.

Powinieneś być w stanie zobaczyć, że wszystkie inne procesy spełniają to z łatwością. W przypadku wychwytywania elektronów liczba leptonów zmniejsza się o 1, gdy elektron jest wychwytywany, więc aby to zrównoważyć, musi zostać wyemitowana cząstka o liczbie leptonów 1.

Obliczenie energii uwolnionej podczas przechwytywania elektronów jest dość proste: ponieważ elektron pochodzi z atomu macierzystego, nie musisz się martwić o rozliczenie różnicy w liczbie elektronów między rodzicem a córką atomy. Znajdziesz ∆mipo prostu odejmując masę atomu potomnego od masy atomu macierzystego. Wyrażenie na proces będzie na ogół zapisywane z elektronem po lewej stronie, ale prosta zasada przypomina, że ​​jest to w rzeczywistości część atomu macierzystego pod względem masy.

Rozpad gamma obejmuje emisję fotonu o wysokiej energii (promieniowania elektromagnetycznego), ale liczba protonów i neutronów w atomie nie zmienia się w wyniku tego procesu. Jest to analogiczne do emisji fotonu, gdy elektron przechodzi ze stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii, ale w tym przypadku przejście następuje w jądrze atomu.

Podobnie jak w analogicznej sytuacji, przejście ze stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii jest równoważone emisją fotonu. Mają one energie powyżej 10 keV i są ogólnie nazywane promieniami gamma, chociaż definicja nie jest zbyt ścisła (na przykład zakres energii pokrywa się z promieniami rentgenowskimi).

Emisja alfa lub beta może pozostawić jądro w stanie wzbudzonym o wyższej energii, a energia uwalniana w wyniku tych procesów odbywa się w postaci promieni gamma. Jednak jądro może również znaleźć się w stanie wyższej energii po zderzeniu z innym jądrem lub uderzeniu przez neutron. Wynik we wszystkich przypadkach jest taki sam: jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii i uwalnia w tym procesie promienie gamma.

Uran-238 rozpada się na tor-234 z uwolnieniem cząstki alfa (tj. jądra helu) i jest to jeden z najbardziej znanych przykładów rozpadu radioaktywnego. Proces można przedstawić jako:

Aby obliczyć, ile energii jest uwalniane w tym procesie, będziesz potrzebować mas atomowych: ²³⁸U = 238.05079 amu, ²³⁴Th = 234,04363 amu i ⁴He = 4,00260 amu, przy czym wszystkie masy są wyrażone w jednostkach masy atomowej. Teraz, aby obliczyć, ile energii jest uwalniane w procesie, wystarczy znaleźć ∆miodejmując masy produktów od masy pierwotnego atomu macierzystego, a następnie obliczyć ilość energii, jaką reprezentuje.

Rozpad radioaktywny często zachodzi w łańcuchach, z wieloma krokami między punktem początkowym a punktem końcowym. Te łańcuchy rozpadu są długie i wymagałyby wielu kroków, aby obliczyć, ile energii jest uwalniane w całym procesie, ale biorąc kawałek jednego takiego łańcucha, ilustruje to podejście.

Jeśli spojrzysz na łańcuch rozpadu toru-232, blisko końca łańcucha, niestabilne jądro (tj. atom niestabilnego izotopu, z krótki okres półtrwania) bizmutu-212 ulega rozpadowi beta-minus na polon-212, który następnie ulega rozpadowi alfa na ołów-208, stabilny izotop. Możesz obliczyć energię uwolnioną w tym procesie, wykonując ją krok po kroku.

Po pierwsze, rozpad beta-minus z bizmutu-212 (mi= 211,99129 amu) na polon-212 (mi= 211,9887 amu) daje:

Pamiętając, że zmiana liczby elektronów znosi rozpad beta-minus. To uwalnia:

Kolejnym etapem jest rozpad alfa od polonu-212 do ołowiu-208 (mi= 207.97665 amu) i jedno jądro helu.

A energia to:

W sumie w tym procesie powstaje 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energii. Oczywiście, jeśli jesteś ostrożny (łącznie z cząsteczką alfa i dodatkowymi elektronami, jeśli twój proces obejmuje rozpad beta-plus), możesz można obliczyć różnicę masy w jednym kroku, a następnie przekonwertować, ale to podejście mówi o energii uwalnianej w każdym kroku etap.