Tipuri de dezintegrare radioactivă: Alpha, Beta, Gamma

​Radioactiveste un cuvânt care nu este atât de bine înțeles. Înfricoșat de frică și în mod inerent străin și periculos, natura decăderii radioactive este ceva care merită să fie învățat dacă sunteți un student la fizică sau doar un profan interesat.

Realitatea este că radioactivitatea descrie în esență reacțiile nucleare care duc la o schimbare a numărului atomic al unui element și / sau la o eliberare de radiații gamma. Este periculos în cantități mari, deoarece radiația eliberată este „ionizantă” (adică are suficientă energie pentru a elimina electronii din atomi) dar este un fenomen fizic interesant și, în practică, majoritatea oamenilor nu vor fi niciodată în preajma materialelor radioactive suficient pentru a fi expuși riscului.

Nucleii pot obține o stare de energie mai mică prin fuziune - care este atunci când doi nuclei se fuzionează împreună pentru a crea o greutate nucleu, eliberând energie în proces - sau prin fisiune, care este divizarea elementelor grele în brichetă cele. Fisiunea este sursa energiei din reactoarele nucleare și, de asemenea, din armele nucleare, iar acest lucru este în special ceea ce își imaginează majoritatea oamenilor când se gândesc la radioactivitate. Dar de cele mai multe ori, atunci când nucleele trec la o stare de energie mai mică în natură, se reduce la dezintegrarea radioactivă.

Există trei tipuri de dezintegrare radioactivă: decăderea alfa, decăderea beta și decăderea gamma, deși decăderea beta în sine vine în trei tipuri diferite. Învățarea despre aceste forme de degradare nucleară este o parte crucială a oricărui curs de fizică nucleară.

Dezintegrarea alfa se produce atunci când un nucleu emite ceea ce se numește „particulă alfa” (particula α). O particulă alfa este o combinație de doi protoni și doi neutroni, pe care, dacă vă cunoașteți tabelul periodic, o veți recunoaște ca un nucleu de heliu.

Procesul este destul de ușor de înțeles în ceea ce privește masa și proprietățile atomului rezultat: pierde patru din numărul său de masă (doi din protoni și doi din electroni) și doi din numărul său atomic (din cei doi protoni pierdut). Aceasta înseamnă că atomul original (adică nucleul „părinte”) devine un element diferit (bazat pe nucleul „fiică”) după ce a suferit o descompunere alfa.

Când calculați energia eliberată în decăderea alfa, trebuie să scădeți masa nucleului de heliu și atomul fiică din masa atomului părinte și transformă-l într-o valoare a energiei folosind celebrul Einstein ecuaţieE​ = ​mc​². De obicei, este mai ușor să efectuați acest calcul dacă lucrați în unități de masă atomică (amu) și înmulțiți masa lipsă cu factorulc​² = 931,494 MeV / amu. Aceasta returnează o valoare a energiei în MeV (adică, mega electronvolți), un electronvolt fiind egal cu 1,602 × 10⁻⁹ jouli și, în general, o unitate mai convenabilă pentru lucrul în energii la scară atomică.

Întrucât descompunerea beta are trei soiuri diferite, este util să aflați la rândul lor fiecare, deși există o mulțime de asemănări între ele. Dezintegrarea beta-plus este atunci când un proton se transformă într-un neutron, cu eliberarea unei particule beta-plus (adică o particulă β +) împreună cu o particulă neîncărcată, aproape fără masă, numită neutrino. Ca rezultat al acestui proces, atomul fiică va avea un proton mai puțin și încă un neutron decât atomul părinte, dar același număr total de masă.

Particula beta-plus este de fapt numită pozitron, care este particula de antimaterie care corespunde electronului. Are o sarcină pozitivă de aceeași dimensiune ca sarcina negativă pe electron și aceeași masă ca un electron. Neutrinul eliberat este numit tehnic un neutrino de electroni. Observați că o particulă de materie regulată și o particulă de antimaterie sunt eliberate în acest proces.

Calculul energiei eliberate în acest proces de descompunere este puțin mai complicat decât pentru alte forme de decadere, deoarece masa atomului părinte va include masa unui electron mai mult decât cea a atomului fiică masa. În plus, trebuie să scăpați și masa particulei β + care este emisă în proces. În esență, trebuie să scădem masa particulei fiice șiDouăelectronii din masa particulei părinte și apoi se transformă în energie ca înainte. Neutrinul este atât de mic încât poate fi neglijat în siguranță.

Dezintegrarea beta-minus este în esență procesul opus al dezintegrării beta-plus, în care se transformă un neutron un proton, eliberând o particulă beta-minus (o particulă β) și un antineutrin de electroni în proces. Datorită acestui proces, atomul fiică va avea un neutron mai puțin și un proton mai mult decât atomul părinte.

Particula β este de fapt un electron, dar are un nume diferit în acest context, deoarece atunci când a fost descoperită pentru prima dată emisia beta pentru dezintegrare, nimeni nu știa ce este particula. În plus, numirea lor de particule beta este utilă deoarece vă amintește că provine din procesul de descompunere beta și poate fi utilă atunci când sunteți încercând să ne amintim ce se întâmplă în fiecare - particula beta pozitivă este eliberată în decădere beta-plus și particula beta negativă este eliberată în beta-minus descompunere. În acest caz, totuși, neutrino este o particulă de antimaterie, dar din nou, o antimaterie și o particulă de materie obișnuită sunt eliberate în acest proces.

Calculul energiei eliberate în acest tip de dezintegrare beta este puțin mai simplu, deoarece electronul suplimentar deținut de atomul fiică se anulează odată cu electronul pierdut în emisiunea beta. Aceasta înseamnă că pentru a calcula ∆m, pur și simplu scădem masa atomului fiică din cea a atomului părinte și apoi înmulțim cu viteza luminii la pătrat (c​²), ca și înainte, exprimat în mega electronvolți pe unitate de masă atomică.

Ultimul tip de descompunere beta este destul de diferit de primele două. În captarea electronilor, un proton „absoarbe” un electron și se transformă într-un neutron, cu eliberarea unui neutrino de electroni. Prin urmare, aceasta reduce numărul atomic (adică, numărul de protoni) cu unul și crește numărul de neutroni cu unul.

Acest lucru s-ar putea părea că încalcă modelul de până acum, cu o materie și o particulă de antimaterie emise, dar oferă un indiciu asupra motivului real al acestui echilibru. „Numărul de lepton” (la care vă puteți gândi ca un număr de „familie de electroni”) este păstrat și un electron sau electron neutrino are un număr de leptoni de 1, în timp ce pozitronul sau antineutrino de electroni are un număr de leptoni de −1.

Ar trebui să puteți vedea că toate celelalte procese îndeplinesc acest lucru cu ușurință. Pentru captarea electronilor, numărul leptonului scade cu 1 atunci când electronul este capturat, deci pentru a echilibra acest lucru, trebuie să fie emisă o particulă cu un număr de leptoni 1.

Calculul energiei eliberate în captarea electronilor este destul de simplu: Deoarece electronul provine din atomul părinte, nu trebuie să vă faceți griji cu privire la diferența numărului de electroni dintre părinte și fiică atomi. Găsiți ∆mprin simpla scădere a masei atomului fiică din cea a atomului părinte. Expresia procesului va fi în general scrisă cu electronul din partea stângă, dar regula simplă vă amintește că aceasta este de fapt o parte a atomului părinte în termeni de masă.

Dezintegrarea gamma implică emisia unui foton de mare energie (radiație electromagnetică), dar numărul de protoni și neutroni din atom nu se modifică ca urmare a procesului. Este analog cu emisia unui foton atunci când un electron trece de la o stare de energie mai mare la o stare de energie mai mică, dar tranziția are loc în acest caz în nucleul atomului.

La fel ca în situația analogă, tranziția de la o stare de energie mai mare la o stare de energie mai mică este echilibrată de emisia unui foton. Acestea au energii peste 10 keV și sunt, în general, numite raze gamma, deși definiția nu este chiar strictă (gama de energie se suprapune cu raze X, de exemplu).

Emisia de alfa sau beta poate lăsa un nucleu într-o stare de energie mai mare, excitată, iar energia eliberată ca urmare a acestor procese se face sub formă de raze gamma. Cu toate acestea, nucleul poate ajunge, de asemenea, într-o stare de energie mai mare după ce se ciocnește cu un alt nucleu sau este lovit de un neutron. Rezultatul în toate cazurile este același: nucleul cade din starea sa excitată într-o stare de energie mai mică și eliberează raze gamma în acest proces.

Uraniul-238 se descompune în toriu-234 odată cu eliberarea unei particule alfa (adică un nucleu de heliu), iar acesta este unul dintre cele mai cunoscute exemple de dezintegrare radioactivă. Procesul poate fi reprezentat ca:

Pentru a calcula câtă energie este eliberată în acest proces, veți avea nevoie de masele atomice: ²³⁸U = 238.05079 amu, ²³⁴Th = 234.04363 amu și ⁴He = 4.00260 amu, cu toate masele exprimate în unități de masă atomică. Acum, pentru a afla câtă energie este eliberată în proces, tot ce trebuie să faceți este să găsiți ∆mprin scăderea masei produselor din masa atomului părinte original și apoi calculați cantitatea de energie pe care aceasta o reprezintă.

Dezintegrarea radioactivă se întâmplă adesea în lanțuri, cu pași multipli între punctul de plecare și punctul final. Aceste lanțuri de dezintegrare sunt lungi și ar necesita mulți pași pentru a calcula câtă energie este eliberată în întregul proces, dar luarea unei bucăți dintr-un astfel de lanț ilustrează abordarea.

Dacă te uiți la lanțul de descompunere al toriului-232, aproape de capătul lanțului, un nucleu instabil (adică un atom al unui izotop instabil, cu o scurtă perioadă de înjumătățire) a bismut-212 suferă descompunere beta-minus în poloniu-212, care apoi suferă descompunere alfa în plumb-208, un stabil izotop. Puteți calcula energia eliberată în acest proces luând-o pas cu pas.

În primul rând, decăderea beta-minus de la bismut-212 (m= 211.99129 amu) în poloniu-212 (m= 211.98887 amu) dă:

Amintindu-ne că schimbarea numerelor de electroni se anulează în decăderea beta-minus. Aceasta eliberează:

Următoarea etapă este decăderea alfa de la poloniu-212 la plumb-208 (m= 207.97665 amu) și un nucleu de heliu.

Iar energia este:

În total, există 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV de energie eliberată în proces. Desigur, dacă aveți grijă (inclusiv particula alfa și electroni suplimentari dacă procesul include o descompunere beta-plus) poate calcula diferența de masă într-un singur pas și apoi poate converti, dar această abordare vă spune energia eliberată la fiecare etapă.