Типы радиоактивного распада: альфа, бета, гамма

​Радиоактивныйэто слово не так хорошо понимают. Охваченная страхом и по своей природе кажущаяся чуждой и опасной, природа радиоактивного распада - это то, о чем стоит узнать, независимо от того, изучаете ли вы физику или просто заинтересованный неспециалист.

Реальность такова, что радиоактивность по существу описывает ядерные реакции, которые приводят к изменению атомного номера элемента и / или выбросу гамма-излучения. Это опасно в больших количествах, потому что испускаемое излучение является «ионизирующим» (то есть имеет достаточно энергии, чтобы оторвать электроны от атомов). но это интересное физическое явление, и на практике большинство людей никогда не будут находиться рядом с радиоактивными материалами настолько, чтобы подвергаться риску.

Ядра могут достичь более низкого энергетического состояния путем слияния, когда два ядра сливаются вместе, чтобы создать более тяжелое ядро, высвобождая энергию в процессе - или путем деления, которое представляет собой расщепление тяжелых элементов на более легкие единицы. Деление является источником энергии в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии, и это, в частности, то, что большинство людей представляют, когда думают о радиоактивности. Но в большинстве случаев, когда ядра переходят в более низкое энергетическое состояние в природе, это сводится к радиоактивному распаду.

Есть три типа радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад и гамма-распад, хотя сам по себе бета-распад бывает трех разных типов. Изучение этих форм ядерного распада является важной частью любого курса ядерной физики.

Альфа-распад происходит, когда ядро ​​испускает так называемую «альфа-частицу» (α-частицу). Альфа-частица - это комбинация двух протонов и двух нейтронов, которые, если вы знаете свою периодическую таблицу, вы узнаете как ядро ​​гелия.

Процесс довольно легко понять с точки зрения массы и свойств образующегося атома: он теряет четыре из его массовое число (два от протонов и два от электронов) и два от его атомного номера (от двух протонов потерянный). Это означает, что исходный атом (то есть «родительское» ядро) становится другим элементом (основанным на «дочернем» ядре) после прохождения альфа-распада.

При вычислении энергии, выделяющейся при альфа-распаде, необходимо вычесть массу ядра гелия и дочерний атом из массы родительского атома, и преобразовать это в значение энергии, используя знаменитую уравнениеE​ = ​MC​². Обычно этот расчет проще выполнить, если вы работаете в атомных единицах массы (а.е.м.) и умножаете недостающую массу на коэффициентc​² = 931,494 МэВ / а.е.м. Это возвращает значение энергии в МэВ (т. Е. Мегаэлектронвольтах), при этом электронвольт будет равен 1,602 × 10.⁻⁹ джоулей и, как правило, более удобная единица для работы с энергиями в атомном масштабе.

Поскольку бета-распад бывает трех различных разновидностей, полезно узнать о каждом из них по очереди, хотя между ними есть много общего. Бета-плюсовый распад - это когда протон превращается в нейтрон с высвобождением бета-частицы (т. Е. Β + -частицы) вместе с незаряженной, почти безмассовой частицей, называемой нейтрино. В результате этого процесса дочерний атом будет иметь на один протон и на один нейтрон больше, чем родительский атом, но с таким же общим массовым числом.

Бета-частица на самом деле называется позитроном, то есть частица антивещества, соответствующая электрону. Он имеет положительный заряд того же размера, что и отрицательный заряд электрона, и такую ​​же массу, как и электрон. Высвободившееся нейтрино технически называется электронным нейтрино. Обратите внимание, что в этом процессе высвобождаются одна частица обычного вещества и одна частица антивещества.

Расчет энергии, выделяющейся в этом процессе распада, немного сложнее, чем для других форм распад, потому что масса родительского атома будет включать массу на один электрон больше, чем масса дочернего атома масса. Вдобавок к этому вы также должны вычесть массу частицы β +, которая испускается в процессе. По сути, вам нужно вычесть массу дочерней частицы идваэлектроны из массы родительской частицы, а затем преобразуются в энергию, как и раньше. Нейтрино настолько крошечные, что им можно спокойно пренебречь.

Бета-минус-распад - это, по сути, процесс, противоположный бета-плюсовому распаду, когда нейтрон превращается в протон, высвобождая бета-минус частицу (β- частица) и электронный антинейтрино в процесс. Из-за этого процесса дочерний атом будет иметь на один нейтрон меньше и на один протон больше, чем родительский атом.

Β− частица на самом деле является электроном, но в этом контексте у нее другое название, потому что, когда было впервые обнаружено бета-излучение для распада, никто не знал, что это за частица на самом деле. Кроме того, называть их бета-частицами полезно, потому что это напоминает вам, что они возникают в процессе бета-распада, и это может быть полезно, когда вы пытаясь вспомнить, что происходит в каждом из них - положительная бета-частица высвобождается в бета-положительном распаде, а отрицательная бета-частица высвобождается в бета-минусе разлагаться. В этом случае, однако, нейтрино представляет собой частицу антивещества, но опять же, при этом высвобождаются одно антивещество и одна обычная частица материи.

Вычислить энергию, выделяемую при этом типе бета-распада, немного проще, потому что дополнительный электрон, которым обладает дочерний атом, компенсируется электроном, потерянным в бета-излучении. Это означает, что для вычисления ∆м, вы просто вычитаете массу дочернего атома из массы родительского атома, а затем умножаете на квадрат скорости света (c​²), как и раньше, выражается в мегаэлектронвольтах на атомную единицу массы.

Последний тип бета-распада сильно отличается от первых двух. При захвате электрона протон «поглощает» электрон и превращается в нейтрон с выделением электронного нейтрино. Следовательно, это уменьшает атомный номер (то есть количество протонов) на единицу и увеличивает количество нейтронов на единицу.

Может показаться, что до сих пор это нарушает закономерность, когда излучаются одна материя и одна частица антивещества, но это дает намек на истинную причину этого баланса. «Лептонное число» (которое можно рассматривать как число «электронного семейства») сохраняется, а электрон или у электронного нейтрино есть лептонное число 1, в то время как у позитронного или электронного антинейтрино есть лептонное число −1.

Вы должны увидеть, что все остальные процессы легко справляются с этой задачей. При захвате электрона лептонное число уменьшается на 1, когда электрон захватывается, поэтому для уравновешивания этого должна быть испущена частица с лептонным числом, равным 1.

Вычислить энергию, выделяемую при захвате электрона, довольно просто: поскольку электрон исходит от родительского атома, вам не нужно беспокоиться об учете разницы в количестве электронов между родителем и дочерью атомы. Вы найдете ∆мпросто вычитая массу дочернего атома из массы родительского атома. Выражение для процесса обычно записывается с электроном в левой части, но простое правило напоминает вам, что на самом деле это часть родительского атома с точки зрения массы.

Гамма-распад включает испускание фотона высокой энергии (электромагнитное излучение), но количество протонов и нейтронов в атоме не изменяется в результате этого процесса. Это аналогично испусканию фотона, когда электрон переходит из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией, но в этом случае переход происходит в ядре атома.

Как и в аналогичной ситуации, переход от состояния с более высокой энергией к состоянию с более низкой энергией уравновешивается испусканием фотона. Они имеют энергию более 10 кэВ и обычно называются гамма-лучами, хотя определение не совсем строгое (например, диапазон энергий перекрывается с рентгеновскими лучами).

Альфа- или бета-излучение может оставлять ядро ​​в возбужденном состоянии с более высокой энергией, а энергия, выделяемая в результате этих процессов, осуществляется в форме гамма-лучей. Однако ядро ​​также может оказаться в состоянии с более высокой энергией после столкновения с другим ядром или столкновения с нейтроном. Результат во всех случаях один и тот же: ядро ​​переходит из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией и при этом испускает гамма-лучи.

Уран-238 распадается на торий-234 с высвобождением альфа-частицы (то есть ядра гелия), и это один из самых известных примеров радиоактивного распада. Процесс можно представить как:

Чтобы рассчитать, сколько энергии выделяется в этом процессе, вам понадобятся атомные массы: ²³⁸U = 238,05079 а.е.м, ²³⁴Th = 234,04363 а.е.м. и ⁴He = 4,00260 а.е.м., причем все массы выражены в атомных единицах массы. Теперь, чтобы определить, сколько энергии выделяется в процессе, все, что вам нужно сделать, это найти ∆мвычитая массы продуктов из массы исходного родительского атома, а затем вычислите количество энергии, которое это представляет.

Радиоактивный распад часто происходит цепочками, с несколькими шагами от начальной до конечной точки. Эти цепочки распада длинные и потребуют множества шагов, чтобы вычислить, сколько энергии выделяется во всем процессе, но пример такой цепочки иллюстрирует подход.

Если вы посмотрите на цепочку распада тория-232, ближе к концу цепи, нестабильное ядро ​​(то есть атом нестабильного изотопа с короткий период полураспада) висмута-212 подвергается бета-минус распаду до полония-212, который затем претерпевает альфа-распад до свинца-208, стабильного изотоп. Вы можете рассчитать энергию, выделяемую в этом процессе, шаг за шагом.

Во-первых, бета-минус-распад висмута-212 (м= 211,99129 а.е.м.) в полоний-212 (м= 211,98887 а.е.м.) дает:

Помните, что изменение числа электронов сводится к бета-минус-распаду. Это выпускает:

Следующая стадия - это альфа-распад полония-212 на свинец-208 (м= 207,97665 а.е.м.) и одно ядро ​​гелия.

А энергия такая:

В итоге в процессе выделяется 2,25 МэВ + 8,96 МэВ = 11,21 МэВ энергии. Конечно, если вы будете осторожны (включая альфа-частицу и дополнительные электроны, если ваш процесс включает в себя бета-распад), вы можно вычислить разницу в массе за один шаг, а затем преобразовать, но этот подход сообщает вам энергию, выделяемую в каждом сцена.