Vrste radioaktivnega razpada: alfa, beta, gama

​Radioaktivnije beseda, ki ni tako dobro razumljena. V naravi radioaktivnega razpada, preplavljena s strahom in na videz tuja in nevarna, se je vredno naučiti, ne glede na to, ali ste študent fizike ali samo zainteresirani laik.

Dejansko je, da radioaktivnost v bistvu opisuje jedrske reakcije, ki vodijo do spremembe atomskega števila elementa in / ali sproščanja gama sevanja. Nevarno je v velikih količinah, ker se sproščeno sevanje "ionizira" (tj. Ima dovolj energije, da odstrani elektrone iz atomov) je pa zanimiv fizični pojav in v praksi večina ljudi nikoli ne bo v bližini radioaktivnih materialov, da bi bili ogroženi.

Jedra lahko s fuzijo dosežejo nižje energijsko stanje - to je, ko se dve jedri zlijeta in ustvarijo težje jedro, ki sprošča energijo v procesu - ali s cepitvijo, ki je razdelitev težkih elementov na lažje tistih. Fisija je vir energije v jedrskih reaktorjih in tudi v jedrskem orožju, zlasti pa si večina ljudi predstavlja, ko razmišlja o radioaktivnosti. Toda večino časa, ko se jedra v naravi spremenijo v nižje energijsko stanje, gre za radioaktivni razpad.

Obstajajo tri vrste radioaktivnega razpada: alfa razpad, beta razpad in gama razpad, čeprav beta razpad sam po sebi obstaja v treh različnih vrstah. Spoznavanje teh oblik jedrskega razpada je ključni del vsakega tečaja jedrske fizike.

Alfa razpad se zgodi, ko jedro oddaja tako imenovani "alfa delci" (α-delci). Alfa delci so kombinacija dveh protonov in dveh nevtronov, ki jih boste, če poznate periodni sistem, prepoznali kot jedro helija.

Postopek je dokaj enostavno razumeti z vidika mase in lastnosti nastalega atoma: od njega izgubi štiri njegovo masno število (dva iz protonov in dva iz elektronov) in dva iz atomskega števila (iz dveh protonov izgubljeno). To pomeni, da prvotni atom (tj. "Matično" jedro) postane drugačen element (ki temelji na "hčerinskem" jedru) po razpadu alfa.

Pri izračunu energije, sproščene v alfa razpadu, morate odšteti maso helijevega jedra in hčerinski atom iz mase matičnega atoma in to pretvorite v vrednost energije z uporabo Einsteinovega slavnega enačbaE​ = ​mc​². Običajno je lažje izvesti ta izračun, če delate v atomskih masnih enotah (amu) in manjkajočo maso pomnožite s faktorjemc​² = 931,494 MeV / amu. To vrne vrednost energije v MeV (tj. Mega elektrovolte), pri čemer je elektrovolta enaka 1.602 × 10⁻⁹ džulov in na splošno bolj priročna enota za delo v energijah na atomski lestvici.

Ker ima beta razpad tri različne sorte, je koristno, če se o njih naučimo po vrsti, čeprav je med njima veliko podobnosti. Beta-plus razpad je, ko se proton spremeni v nevtron, s sproščanjem delca beta plus (tj. Delca β +) skupaj z nenaelektrenim, skoraj brezmasnim delcem, imenovanim nevtrino. Kot rezultat tega procesa bo imel hčerinski atom en proton manj in en nevtron več kot matični atom, vendar enako skupno masno število.

Beta-plus delci se dejansko imenujejo pozitron, ki je antimaterija, ki ustreza elektronu. Ima pozitiven naboj enake velikosti kot negativni naboj na elektronu in enako maso kot elektron. Sproščeni nevtrino se tehnično imenuje elektronski nevtrino. Upoštevajte, da se v tem procesu sprosti en del normalne snovi in ​​en del antimaterije.

Izračun energije, ki se sprosti v tem procesu razpada, je nekoliko bolj zapleten kot pri drugih oblikah razpada, ker bo masa nadrejenega atoma vključevala maso enega elektrona več od hčerinskega atoma maso. Poleg tega morate še odšteti maso delca β +, ki se v procesu oddaja. V bistvu morate odšteti maso hčerinskega delca indvaelektronov iz mase matičnega delca in se nato pretvorijo v energijo kot prej. Nevtrino je tako majhen, da ga lahko varno zanemarimo.

Beta-minus razpad je v bistvu nasprotni proces razpada beta-plus, kjer se nevtron spremeni protona, ki sprosti beta-minus delce (β-delce) in elektronski antineutrino v proces. Zaradi tega procesa bo imel hčerinski atom en nevtron manj in en proton več kot matični atom.

Delček β je pravzaprav elektron, vendar ima v tem kontekstu drugačno ime, kajti ko je bila prvič odkrita beta emisija za razpad, nihče ni vedel, kaj dejansko je. Poleg tega je njihovo imenovanje delcev beta koristno, ker vas opomni, da izvirajo iz procesa razpada beta, in je lahko koristno, ko poskušamo si zapomniti, kaj se zgodi v vsaki - pozitivni beta delci se sprostijo v razpadu beta-plus, negativni beta delci pa v beta-minus razpadanje. V tem primeru je nevtrino delček antimaterije, vendar se pri tem sprosti ena antimaterija in en običen delček snovi.

Izračun energije, sproščene pri tej vrsti razpada beta, je nekoliko preprostejši, saj se odvečni elektron, ki ga ima hčerinski atom, izbriše z elektronom, izgubljenim v emisiji beta. To pomeni, da za izračun ∆m, maso hčerinskega atoma preprosto odštejete od mase matičnega atoma in nato pomnožite s svetlobno hitrostjo na kvadrat (c​²), kot prej, izraženo v megavolvoltih na enoto atomske mase.

Zadnja vrsta razpada beta se precej razlikuje od prvih dveh. Pri zajetju elektronov proton "absorbira" elektron in se spremeni v nevtron, s sproščanjem elektronskega nevtrina. To torej zmanjša atomsko število (tj. Število protonov) za eno in poveča število nevtronov za enega.

Morda se zdi, da krši dosedanji vzorec z oddajanjem ene snovi in ​​enega delca antimaterije, vendar namiguje na dejanski razlog za to ravnovesje. »Leptonsko število« (ki si ga lahko predstavljate kot število »družine elektronov«) je ohranjeno in elektron oz. elektronsko nevtrino ima leptonsko število 1, medtem ko ima pozitron ali elektronski antinevtrino leptonsko število −1.

Morali bi biti prepričani, da vsi drugi procesi to zlahka izpolnijo. Pri zajemanju elektronov se število leptonov zmanjša za 1, ko zajame elektron, zato je treba za uravnoteženje le-tega oddati delec z leptonskim številom 1.

Izračun energije, ki se sprosti pri zajemanju elektronov, je precej preprost: ker elektron prihaja iz matičnega atoma, vam ni treba skrbeti, da boste upoštevali razliko v številu elektronov med staršem in hčerko atomi. Najdete ∆mtako da maso hčerinskega atoma preprosto odštejemo od mase matičnega atoma. Izraz za postopek bo na splošno zapisan z elektronom na levi strani, vendar preprosto pravilo vas opozarja, da je to dejansko del nadrejenega atoma glede na maso.

Gama razpad vključuje oddajanje visokoenergijskega fotona (elektromagnetno sevanje), vendar se število protonov in nevtronov v atomu zaradi procesa ne spremeni. Analogno je oddajanju fotona, ko elektron prehaja iz višjeenergijskega stanja v nižjeenergijsko, vendar prehod v tem primeru poteka v jedru atoma.

Tako kot v analogni situaciji je tudi prehod iz višjega v nižje energijsko stanje uravnotežen z oddajanjem fotona. Ti imajo energijo nad 10 keV in jih na splošno imenujemo gama žarki, čeprav opredelitev v resnici ni stroga (na primer energijski razpon se prekriva z rentgenskimi žarki).

Alfa ali beta emisija lahko jedro pusti v višjeenergijskem, vzbujenem stanju, energija, ki se sprosti kot rezultat teh procesov, pa je v obliki gama žarkov. Vendar pa lahko jedro po trku z drugim jedrom ali udarcu nevtrona konča tudi v višjeenergijskem stanju. Rezultat je v vseh primerih enak: Jedro pade iz vzbujenega stanja v nižje energijsko stanje in v tem procesu sprosti gama žarke.

Uran-238 razpade v torij-234 s sproščanjem delca alfa (tj. Jedro helija) in to je eden najbolj znanih primerov radioaktivnega razpada. Postopek lahko predstavimo kot:

Če želite izračunati, koliko energije se sprosti v tem procesu, boste potrebovali atomske mase: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234,04363 amu in ⁴He = 4,00260 amu, z vsemi masami, izraženimi v atomskih masnih enotah. Zdaj, da ugotovite, koliko energije se sprosti v procesu, morate le najti ∆mtako da od mase prvotnega matičnega atoma odštejemo mase izdelkov in nato izračunamo količino energije, ki jo to predstavlja.

Radioaktivni razpad se pogosto zgodi v verigah, z več koraki med začetno in končno točko. Te razpadajoče verige so dolge in bi zahtevale veliko korakov za izračun, koliko energije se sprosti v celotnem procesu, vendar pristop ponazarja del take verige.

Če pogledate razpadajočo verigo torija-232, blizu konca verige, nestabilno jedro (tj. Atom nestabilnega izotopa, z kratkega razpolovnega časa) bizmuta-212 pretvori beta-minus v polonij-212, ki nato alfa razpade v svinec-208, stabilno izotop. Energijo, ki se sprosti v tem procesu, lahko izračunate tako, da jo upoštevate korak za korakom.

Najprej razpad beta-minus iz bizmuta-212 (m= 211,99129 amu) v polonij-212 (m= 211,98887 amu) daje:

Spomnimo se, da sprememba števila elektronov izgine pri razpadu beta-minus. To izda:

Naslednja stopnja je razpad alfa s polonija-212 na svinec-208 (m= 207,97665 amu) in eno jedro helija.

In energija je:

Skupaj torej v procesu nastane 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energije. Seveda, če ste previdni (vključno z delcem alfa in dodatnimi elektroni, če vaš postopek vključuje razpad beta-plus), lahko izračuna masno razliko v enem koraku in nato pretvori, vendar ta pristop pove energijo, ki se sprosti pri vsakem stopnja.