Typy rádioaktívneho rozpadu: Alfa, Beta, Gama

​Rádioaktívnyje slovo, ktoré nie je tak dobre pochopené. Povahou rádioaktívneho rozpadu, ktorý je obklopený strachom a vo svojej podstate sa javí ako mimozemský a nebezpečný, stojí za to sa o ňom dozvedieť, či už ste študentom fyziky alebo len laikom, ktorý sa zaujíma.

Realita je taká, že rádioaktivita v podstate popisuje jadrové reakcie, ktoré vedú k zmene atómového čísla prvku a / alebo k uvoľneniu gama žiarenia. Je nebezpečný vo veľkých množstvách, pretože uvoľnené žiarenie je „ionizujúce“ (tj. Má dostatok energie na odstránenie elektrónov z atómov). ale je to zaujímavý fyzikálny jav a v praxi nebude väčšina ľudí nikdy okolo rádioaktívnych materiálov natoľko, aby boli ohrození.

Jadrá môžu dosiahnuť nižší energetický stav pomocou fúzie - to je prípad, keď sa dve jadrá spoja a vytvoria ťažšie jadro, uvoľňujúce energiu v procese - alebo štiepením, čo je štiepenie ťažkých prvkov na ľahšie tie. Štiepenie je zdrojom energie v jadrových reaktoroch a tiež v jadrových zbraniach, a to si väčšina ľudí predstavuje najmä pri pomyslení na rádioaktivitu. Ale väčšinou, keď sa jadrá v prírode zmenia na nízkoenergetický stav, dôjde k rádioaktívnemu rozpadu.

Existujú tri typy rádioaktívneho rozpadu: alfa rozpad, beta rozpad a gama rozpad, aj keď beta rozpad sám o sebe má tri rôzne typy. Učenie sa o týchto formách jadrového rozpadu je rozhodujúcou súčasťou každého kurzu jadrovej fyziky.

Alfa rozpad nastáva, keď jadro emituje takzvanú „alfa časticu“ (α-častica). Alfa častica je kombináciou dvoch protónov a dvoch neutrónov, ktoré, ak poznáte svoju periodickú tabuľku, poznáte ako jadro hélia.

Tento proces je celkom ľahko pochopiteľný, pokiaľ ide o hmotnosť a vlastnosti výsledného atómu: stratí štyri z jeho hmotnostné číslo (dva z protónov a dva z elektrónov) a dva z jeho atómového čísla (z dvoch protónov stratený). To znamená, že pôvodný atóm (t. J. „Materské“ jadro) sa po prechode alfa stane iným prvkom (na základe „dcérskeho“ jadra).

Pri výpočte energie uvoľnenej pri alfa rozpade musíte odpočítať hmotnosť jadra hélia a dcérsky atóm z hmotnosti pôvodného atómu a pomocou Einsteinovho slávneho konvertovať túto hodnotu energie rovnicaE​ = ​mc​². Tento výpočet je zvyčajne jednoduchšie vykonať, ak pracujete v jednotkách atómovej hmotnosti (amu) a vynásobíte chýbajúcu hmotnosť koeficientomc​² = 931,494 MeV / amu. Toto vráti hodnotu energie v MeV (tj. Mega elektrónvoltov), ​​pričom elektrónvolt sa rovná 1,602 × 10⁻⁹ joulov a všeobecne pohodlnejšia jednotka na prácu v energiách v atómovom meradle.

Pretože rozpad beta má tri rôzne odrody, je užitočné dozvedieť sa o každej z nich postupne, aj keď je medzi nimi veľa podobností. K úpadku beta-plus dochádza, keď sa protón zmení na neutrón s uvoľnením častice beta-plus (t.j. častice β +) spolu s nenabitou, takmer nehmotnou časticou nazývanou neutríno. Výsledkom tohto procesu bude, že dcérsky atóm bude mať o jeden protón menej a o jeden neutrón viac ako pôvodný atóm, ale bude mať rovnaké celkové hmotnostné číslo.

Častica beta-plus sa v skutočnosti nazýva pozitrón, čo je častica antihmoty zodpovedajúca elektrónu. Má kladný náboj rovnakej veľkosti ako záporný náboj na elektróne a rovnakú hmotnosť ako elektrón. Uvoľnené neutríno sa odborne nazýva elektrónové neutríno. Všimnite si, že pri tomto procese sa uvoľňuje jedna častica pravidelnej hmoty a jedna častica antihmoty.

Výpočet energie uvoľnenej v tomto procese rozpadu je trochu komplikovanejší ako v prípade iných foriem rozpad, pretože hmotnosť materského atómu bude obsahovať hmotnosť jedného elektrónu viac ako dcérskeho atómu omša. Okrem toho musíte tiež odpočítať hmotnosť častice β +, ktorá je emitovaná v procese. V zásade musíte odčítať hmotnosť dcérskej častice advaelektróny z hmotnosti pôvodnej častice a potom sa prevedú na energiu ako doteraz. Neutríno je také malé, že sa dá bezpečne zanedbať.

Rozpad beta-mínus je v podstate opačný proces rozpadu beta-plus, kde sa neutrón premení na protón, ktorý uvoľňuje beta-mínus časticu (β− častica) a elektrónové antineutríno v procesu. Kvôli tomuto procesu bude mať dcérsky atóm o jeden neutrón menej a o jeden viac protónov ako pôvodný atóm.

Β-častica je v skutočnosti elektrón, ale v tejto súvislosti má iný názov, pretože keď bol prvýkrát objavený emisný signál beta pre rozpad, nikto nevedel, čo to vlastne je. Okrem toho je nazývanie beta častice užitočné, pretože vám pripomína, že pochádza z procesu rozpadu beta, a môže byť užitočné, keď ste snaží sa spomenúť, čo sa deje v každej z nich - pozitívna beta častica sa uvoľní v rozpade beta-plus a negatívna beta častica sa uvoľní v beta-mínuse rozklad. V tomto prípade je však neutríno častica antihmoty, ale opäť sa v procese uvoľní jedna antihmota a jedna častica pravidelnej hmoty.

Výpočet energie uvoľnenej pri tomto type rozpadu beta je o niečo jednoduchší, pretože elektrón navyše, ktorý vlastní dcérsky atóm, sa ruší elektrónom strateným v emisii beta. To znamená, že pre výpočet ∆m, jednoducho odčítate hmotnosť dcérskeho atómu od hmotnosti materského atómu a potom vynásobíte druhou mocninou rýchlosti svetla (c​²), ako predtým, vyjadrený v megaelektvoltoch na jednotku atómovej hmotnosti.

Posledný typ rozpadu beta sa úplne líši od prvých dvoch. Pri zachytávaní elektrónov protón „absorbuje“ elektrón a mení sa na neutrón s uvoľnením elektrónového neutrína. To teda znižuje atómové číslo (t.j. počet protónov) o jeden a zvyšuje počet neutrónov o jeden.

Mohlo by sa to zdať, že to doteraz porušuje zákonitosti, pričom je emitovaná jedna hmota a jedna častica antihmoty, ale naznačuje to skutočný dôvod tejto rovnováhy. „Leptónové číslo“ (ktoré si môžete predstaviť ako číslo „elektrónovej rodiny“) je zachované a elektrón alebo elektrónové neutríno má leptónové číslo 1, zatiaľ čo pozitrón alebo elektrónové antineutríno má leptónové číslo −1.

Mali by ste byť schopní vidieť, že všetky ostatné procesy to ľahko spĺňajú. Na zachytenie elektrónov sa leptónové číslo pri zachytení elektrónu zníži o 1, aby sa to vyvážilo, musí sa emitovať častica s leptónovým číslom 1.

Výpočet energie uvoľnenej pri zachytávaní elektrónov je dosť jednoduchý: Pretože elektrón pochádza z materského atómu, nemusíte sa starať o zohľadnenie rozdielu v počte elektrónov medzi rodičom a dcérou atómy. Nájdete ∆mjednoduchým odčítaním hmotnosti dcérskeho atómu od hmotnosti materského atómu. Výraz pre tento proces bude všeobecne napísaný s elektrónom na ľavej strane, ale jednoduché pravidlo vám pripomína, že z hľadiska hmotnosti je to vlastne súčasť materského atómu.

Úpadok gama zahrnuje emisiu vysokoenergetického fotónu (elektromagnetické žiarenie), ale počet protónov a neutrónov v atóme sa v dôsledku tohto procesu nemení. Je to analogické s emisiou fotónu, keď elektrón prechádza z vyššieho energetického stavu do nižšieho energetického stavu, ale prechod v tomto prípade prebieha v jadre atómu.

Rovnako ako v analogickej situácii je prechod z vyššieho energetického stavu do nízkoenergetického vyvážený emisiou fotónu. Tieto majú energie nad 10 keV a všeobecne sa nazývajú gama lúče, aj keď definícia nie je naozaj striktná (napríklad energetický rozsah sa prekrýva s röntgenovými lúčmi).

Emisia alfa alebo beta môžu zanechať jadro v excitovanom stave s vyššou energiou a energia uvoľnená v dôsledku týchto procesov sa deje vo forme gama lúčov. Jadro však môže tiež skončiť v stave vyššej energie po zrážke s iným jadrom alebo po zasiahnutí neutrónom. Výsledok je vo všetkých prípadoch rovnaký: Jadro klesá z excitovaného stavu do stavu s nižšou energiou a uvoľňuje pri tom gama lúče.

Urán-238 sa rozpadá na tórium-234 za uvoľnenia častice alfa (t.j. jadra hélia), čo je jeden z najznámejších príkladov rádioaktívneho rozpadu. Proces možno predstaviť ako:

Aby ste mohli vypočítať, koľko energie sa uvoľní v tomto procese, budete potrebovať atómové hmotnosti: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234,04363 amu a ⁴He = 4,00260 amu, pričom všetky hmotnosti sú vyjadrené v atómových hmotnostných jednotkách. Teraz, aby ste zistili, koľko energie sa v procese uvoľní, musíte len nájsť ∆modčítaním hmotností produktov od hmotnosti pôvodného materského atómu a potom vypočítať množstvo energie, ktoré predstavuje.

Rádioaktívny rozpad sa často deje v reťazcoch s viacerými krokmi medzi východiskovým a konečným bodom. Tieto rozpadové reťazce sú dlhé a vyžadovali by si veľa krokov na výpočet toho, koľko energie sa uvoľní v celom procese, ale prístup jedného z týchto reťazcov ilustruje tento prístup.

Ak sa pozriete na rozpadový reťazec tória-232, blízko konca reťazca, nestabilné jadro (tj. Atóm nestabilného izotopu, s krátky polčas rozpadu) bizmutu-212 prechádza rozpadom beta-mínus na polónium-212, ktorý potom prechádza rozkladom alfa na olovo-208, stabilný izotop. Energiu uvoľnenú v tomto procese môžete vypočítať tak, že ju budete brať krok za krokom.

Po prvé, rozpad beta-mínus z bizmutu-212 (m= 211,99129 amu) na polónium-212 (m= 211,98887 amu) dáva:

Pamätajte, že zmena počtu elektrónov sa ruší rozpadom beta-mínus. To vydáva:

Ďalšou etapou je alfa rozpad z polónium-212 na olovo-208 (m= 207,96665 amu) a jedno jadro hélia.

A energia je:

Celkovo teda existuje 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energie uvoľnenej v procese. Samozrejme, ak ste opatrní (vrátane častice alfa a ďalších elektrónov, ak váš proces zahrnuje rozpad beta plus), ste môže vypočítať rozdiel v hmotnosti v jednom kroku a potom previesť, ale tento prístup vám povie energiu uvoľnenú pri každom z nich etapa.