Что такое альфа-, бета- и гамма-частицы?

Альфа, бета, гамма-лучи: Это почти похоже на слоган старой школы об инопланетянах из космоса, недавно прибывших на Землю со своими сверхтехнологичными гаджетами (и, надеюсь, с теплым характером). На самом деле это не так уж и далеко. Альфа, бета и гамма-излучение - все это реальные сущности в мире физики, и их стоит избегать, если вы можете управлять ими.

Вы, наверное, знаете, что различные виды атомов могут объединяться в процессе химической связи, образуя молекулы. Например, два атома водорода (H в периодической таблице элементов) и один атом кислорода (O) могут объединяться в молекулу воды (H₂О). Эта молекула может быть разбита на ионы H + и OH–, разорвав одну из связей O-H.

В химических связях электроны разных атомов взаимодействуют, но их ядра (множественное число ядер) остаются нетронутыми. Это связано с тем, что сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе, чрезвычайно велика по сравнению с электростатическими силами, лежащими в основе химической связи между атомами.

Тем не менее, атомные ядра действительно распадаются, обычно спонтанно и часто с невероятно низкой скоростью, в зависимости от того, что это за элемент. Эта радиоактивность бывает трех основных видов, описанных в первом предложении этой статьи:

Когда-то даже знающие люди описывали атом как «мельчайшую неделимую вещь». Это определение в некотором смысле верно: возьмите любой отдельный элемент или вещество, состоящее из единственного неразложимого компонента, и атом - это наименьшая целая единица этого вещества. По состоянию на 2020 год в периодической таблице Менделеева 118 элементов, 92 из которых встречаются в природе.

Атомы состоят из ядра, которое имеет один или несколько протонов и, кроме водорода (наименьшего элемента), по крайней мере, один нейтрон. У них также есть один или несколько электронов, находящихся на некотором расстоянии от ядра на определенных энергетических уровнях.

Протоны заряжены положительно, а электроны - отрицательно, причем величина заряда одинакова в каждом. Поскольку атом в основном состоянии имеет такое же количество протонов, как и электронов, атомы электрически нейтральны если они не ионизированы (т. е. их электронное число изменяется).

Номер протона атома - это его атомный номер в периодической таблице Менделеева, определяющий идентичность (имя) элемента. Некоторые атомы могут получать или терять нейтроны, продолжая счастливо существовать, но если ядро ​​теряет или получает протон вместо этого, это меняет правила игры, потому что теперь у любого элемента есть совершенно новое имя и новые атрибуты. Это.

Сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе, недаром называется сильной ядерной силой. Ядра атомов можно рассматривать в некотором смысле как находящиеся в центре всей материи, поэтому их крайние стабильность имеет смысл в космосе, изобилующем организацией и способным поддерживать жизнь хотя бы на одном скромном планета.

Но ядра не совсем стабильны, и со временем они распадаются, выделяя частицы и энергию. Каждый элемент, подвергающийся радиоактивному распаду, а точнее, изотоп изучаемого элемента, имеет свой собственный характерный период полураспада, который можно использовать для предсказания того, сколько ядер будет распадаться с течением времени, не предлагая при этом никакой информации о каком-либо одном ядре. Таким образом, это похоже на риск, по сути, на статистику вероятности.

Период полураспада радиоактивных частиц - это время, за которое половина нестабильных ядер в образце распадается в другую форму. Это число может достигать миллиардов лет, хотя для углерода-14 оно составляет около 5730 лет (временная отметка в геологическом времени, если не в человеческих цивилизациях).

Различные виды радиоактивного распада обозначаются первыми тремя буквами греческого алфавита. Таким образом альфа-излучение испускает частицу, часто представленную строчной версией этой буквы, α. Однако было бы нетрадиционным писать «α-излучение».

Эта частица равносильна ядру атомов гелия (He). Гелий - второй элемент в периодической таблице, и с атомной массой 4,00 он имеет два протона и два нейтрона. У всего атома также есть два электрона, которые уравновешивают заряд двух протонов, но они не являются частью альфа-частицы, только ядром.

Эти частицы массивны по сравнению с другими видами излучения; бета-частица, например, примерно в 7000 раз меньше. На первый взгляд это может показаться особенно опасным, но на самом деле все наоборот: размер α-частиц означает, что они проникают сквозь предметы, в том числе биологические барьеры, такие как кожа, очень плохо.

Бета-частицы (β-частицы) на самом деле являются просто электронами, но они сохранили свое название, потому что их открытие предшествовало формальной идентификации электронов как таковых. Когда атом испускает бета-частицу, он одновременно испускает и другую субатомную частицу, называемую электронным антинейтрино. Эта частица разделяет импульс и энергию испускания частицы, но почти не имеет массы (даже по сравнению с электроном, который сам составляет всего около 9,1 × 10^–31 кг массы).

Бета-частицы, будучи намного меньше альфа-частиц, могут проникать глубже, чем их гораздо более массивные аналоги.

Другой тип бета-частицы - это позитрон, который происходит в результате распада нейтронов в ядре. Эти частицы имеют ту же массу, что и электроны, но имеют противоположный заряд (отсюда и их название).

Гамма лучи, или же γ-лучи, представляют собой наиболее опасный для человека результат радиоактивности. Они безмассовые, потому что вовсе не являются частицами. «Лучи» на самом деле являются сокращением от общего термина электромагнитное излучение (ЭМ-излучение), которое распространяется со скоростью света (обозначается с, или 3 × 10⁸ м / с) и имеет множество комбинаций значений частоты и длины волны, произведения которых равны c.

Гамма-лучи имеют очень короткие длины волн и, следовательно, очень высокую энергию. Они похожи на рентгеновские лучи, за исключением того, что рентгеновские лучи возникают вне ядра. Обычно они проходят сквозь человеческие тела, не касаясь чего-либо, но из-за того, что они очень проникающие, требуется свинцовый щит толщиной в два дюйма, чтобы гарантировать их остановку.

Альфа-частицы можно спокойно игнорировать, поскольку это верно в отношении всего, что классифицируется как излучение. Они могут перемещаться по воздуху всего на 10-17 см, и их энергия теряется при ударе. протоны и нейтроны любого материала, с которым они сталкиваются, не позволяя им проникнуть способствовать.

Большая часть ущерба от бета-частиц возникает в результате их проглатывания или проглатывания. (Это может быть верно и для альфа-частиц.) Употребление или употребление в пищу радиоактивных материалов является основным источником повреждений от этого вида излучения, хотя длительное воздействие на кожу может вызвать ожоги.

Гамма-лучи могут проходить сквозь тела, не задевая ничего, но нет никакой гарантии, что они действительно это сделают, и они могут путешествовать по воздуху примерно на милю. Поскольку они могут проникать практически во все, помимо путешествий на большие расстояния, они могут повредить все системы организма и их присутствие в среде с живыми системами необходимо тщательно контролируется.