Čo sú častice alfa, beta a gama?

Alfa, beta, gama lúče: Skoro to znie ako slogan oldschoolového filmu o mimozemšťanoch z vesmíru, ktorí na Zem pricestovali novo so svojimi ultravysokými vymoženosťami (a dúfajme, že sú v teple). V skutočnosti to nie je príliš ďaleko. Alfa, beta a gama žiarenie sú všetky skutočné entity vo svete fyziky a stojí za to sa im vyhnúť, keď to zvládnete.

Pravdepodobne viete, že rôzne druhy atómov sa môžu spojiť pomocou procesu chemickej väzby a vytvoriť molekuly. Napríklad dva atómy vodíka (H v periodickej sústave prvkov) a jeden atóm kyslíka (O) sa môžu spojiť a vytvoriť molekulu vody (H₂O). Túto molekulu je možné rozdeliť na ióny H + a OH– rozbitím jednej z väzieb O-H.

V chemických väzbách interagujú elektróny rôznych atómov, ale ich jadrá (množné číslo jadra) zostávajú nedotknuté. Je to preto, že sila, ktorá drží protóny a neutróny pohromade, je mimoriadne silná v porovnaní s elektrostatickými silami, ktoré sú základom chemickej väzby medzi atómami.

Napriek tomu sa atómové jadrá rozpadajú, zvyčajne spontánne a často neuveriteľne nízkou rýchlosťou, v závislosti od toho, o aký prvok ide. Táto rádioaktivita pochádza z troch základných príchutí uvedených v prvej vete tohto článku:

Atóm bol kedysi akosi popudlivo označovaný za „najmenšiu nedeliteľnú vec“ dokonca aj známymi ľuďmi. Táto definícia je platná niekoľkými spôsobmi: Vezmite akýkoľvek jednotlivý prvok alebo látku vyrobenú z jedinej neredukovateľnej zložky a atóm je najmenšia celá jednotka tejto látky. Od roku 2020 je v periodickej tabuľke 118 prvkov, z ktorých 92 sa prirodzene vyskytuje.

Atómy pozostávajú z jadra, ktoré má jeden alebo viac protónov a okrem vodíka (najmenší prvok) najmenej jeden neutrón. Majú tiež jeden alebo viac elektrónov, ktoré sa nachádzajú v určitej vzdialenosti od jadra v špecifických energetických hladinách.

Protóny sú pozitívne nabité a elektróny negatívne nabité, pričom veľkosť náboja je v každom z nich rovnaká. Pretože atóm v základnej fáze má rovnaký počet protónov ako elektróny, atómy sú elektricky neutrálny pokiaľ nie sú ionizované (t.j. mení sa ich počet elektrónov).

Protónové číslo atómu je jeho atómové číslo v periodickej tabuľke a určuje identitu (názov) prvku. Niektoré atómy môžu získať alebo stratiť neutróny, zatiaľ čo naďalej šťastne existujú, ale ak jadro stratí alebo získa protón namiesto toho je to zmena hry, pretože nech už bol element akýkoľvek, má teraz úplne nový názov a nové atribúty to.

Sila, ktorá drží protóny a neutróny pohromade, sa nie nadarmo nazýva silná jadrová sila. Za jadrá atómov možno považovať v istom zmysle sedenie v strede všetkej hmoty, teda ich extrém stabilita má zmysel v kozme, ktorý je organizovaný a schopný udržať život aspoň na jednom pokornom planéty.

Ale jadrá nie sú úplne stabilné a časom sa rozpadajú a emitujú častice a energiu. Každý prvok, ktorý prechádza rádioaktívnym rozpadom, alebo konkrétnejšie izotop študovaného prvku má svoj charakteristický polčas rozpadu, pomocou ktorého je možné predpovedať, koľko jadier sa časom rozpadne, pričom neposkytuje informácie o žiadnom jadre. Je to teda podobné ako riziko, v podstate štatistika pravdepodobnosti.

Polčas rozpadu rádioaktívneho druhu je čas potrebný na to, aby sa polovica nestabilných jadier vo vzorke rozpadla na inú formu. Toto číslo môže ísť veľmi vysoko, až do miliárd rokov, hoci pre uhlík-14 je to asi 5 730 rokov (zlom v geologickom čase, ak nie v ľudských civilizáciách).

Rôznym druhom rádioaktívneho rozpadu sú dané prvé tri písmená gréckej abecedy. Teda alfa žiarenie vyžaruje časticu často predstavovanú malou verziou tohto písmena α. Bolo by netradičné písať „a-žiarenie“.

Tento druh častíc sa rovná jadru atómov hélia (He). Hélium je druhým prvkom periodickej tabuľky a s atómovou hmotnosťou 4,00 má dva protóny a dva neutróny. Celý atóm má tiež dva elektróny, ktoré vyrovnávajú náboj dvoch protónov, ale nie sú to častice alfa, iba jadro.

Tieto častice sú masívne vzhľadom na iné druhy žiarenia; napríklad beta častica je asi 7 000-krát menšia. Toto naoko by sa mohlo zdať ako obzvlášť nebezpečné, ale v skutočnosti je pravdou opak: veľkosť α-častíc znamená, že prenikajú do vecí, vrátane biologických bariér, ako je pokožka úboho.

Beta častice (β-častice) sú v skutočnosti iba elektróny, ale zachovávajú si svoje meno, pretože ich objav predchádza formálnej identifikácii elektrónov ako takých. Keď atóm emituje beta časticu, emituje súčasne aj ďalšiu subatomárnu časticu, ktorá sa nazýva elektrónové antineutríno. Táto častica sa podieľa na hybnosti a energii emisie častíc, ale nemá takmer žiadnu hmotnosť (dokonca ani v porovnaní s elektrónom samotným len asi 9,1 × 10^–31 kg hmotnosti).

Beta častice, ktoré sú oveľa menšie ako alfa častice, môžu preniknúť hlbšie ako ich ďaleko masívnejšie náprotivky.

Ďalším typom beta častíc je pozitrón, ku ktorému dochádza v dôsledku rozpadu neutrónov v jadre. Tieto častice majú rovnakú hmotnosť ako elektróny, ale majú opačný náboj (odtiaľ pochádza aj ich názov).

Gama lúčealebo y-lúče, predstavujú pre človeka najnebezpečnejší výsledok rádioaktivity. Sú nehmotné, pretože to vôbec nie sú častice. „Lúče“ sú vlastne krátke skratky pre všeobecný pojem elektromagnetické žiarenie (EM žiarenie), ktoré sa šíri rýchlosťou svetla (označené c alebo 3 × 10⁸ m / s) a dodáva sa v rôznych kombináciách hodnôt frekvencií a vlnových dĺžok, ktorých produktom je c.

Gama lúče majú veľmi krátke vlnové dĺžky, a teda veľmi vysokú energiu. Sú podobné röntgenovým lúčom, až na to, že röntgenové lúče pochádzajú z jadra. Spravidla prechádzajú ľudskými telami bez toho, aby sa niečoho dotkli, ale pretože sú tak prenikavé, je na zaistenie ich zastavenia potrebný olovený štít s hrúbkou dva palce.

Alfa častice môžu byť bezpečne ignorované, pokiaľ to platí pre všetko, čo je klasifikované ako žiarenie. Vo vzduchu môžu cestovať iba 10 až 17 cm (4 až 7 palcov) a pri údere sa ich energia stratí protóny a neutróny z ľubovoľného materiálu, s ktorým sa stretnú, a bránia im v penetrácii ďalej.

Väčšina škôd spôsobených beta časticami pochádza z ich požitia alebo prehltnutia. (To môže platiť aj pre alfa častice.) Pitie alebo konzumácia rádioaktívneho materiálu je hlavným zdrojom poškodenia tohto druhu žiarenia, aj keď dlhodobé vystavenie pokožke môže spôsobiť popáleniny.

Gama lúče môžu prechádzať cez telá bez toho, aby na niečo narazili, ale neexistuje žiadna záruka, že to tak v skutočnosti urobia, a môžu cestovať asi míľu vo vzduchu. Pretože okrem cestovania na veľké vzdialenosti môžu preniknúť aj do všetkého poškodiť všetky systémy tela a ich prítomnosť v prostrediach so živými systémami musí byť starostlivo monitorované.