Врсте радиоактивног распада: Алфа, Бета, Гама

​Радиоактивније реч која се не разуме тако добро. Преплављена страхом и по својој природи привидно ванземаљска и опасна, природа радиоактивног распада је нешто о чему вреди научити без обзира јесте ли студент физике или сте само заинтересовани лаик.

Реалност је таква да радиоактивност у основи описује нуклеарне реакције које доводе до промене атомског броја елемента и / или ослобађања гама зрачења. Опасно је у великим количинама јер се ослобођено зрачење „јонизује“ (тј. Има довољно енергије да одузме електроне од атома) али то је занимљив физички феномен иу пракси већина људи никада неће бити у близини радиоактивних материјала толико да буде у опасности.

Нуклеуси фузијом могу постићи ниже енергетско стање - то је када се два језгра стапају да би створила теже језгро, ослобађајући енергију у процесу - или цепањем, а то је цепање тешких елемената на лакше оне. Фисија је извор енергије у нуклеарним реакторима, а такође и у нуклеарном оружју, а то је нарочито оно што већина људи замишља када размишља о радиоактивности. Али већину времена, када се језгра у природи промене у ниже енергетско стање, све се своди на радиоактивно распадање.

Постоје три врсте радиоактивног распада: алфа распад, бета распад и гама распад, иако бета распад сам по себи постоји у три различита типа. Учење о овим облицима нуклеарног распада је пресудан део сваког курса нуклеарне физике.

Алфа распад се дешава када језгро емитује оно што се назива „алфа честица“ (α-честица). Алфа честица је комбинација два протона и два неутрона, коју ћете, ако познајете периодни систем, препознати као језгро хелијума.

Процес је прилично лако разумети у смислу масе и својстава насталог атома: од њега се губе четири његов масени број (два из протона и два из електрона) и два из свог атомског броја (из два протона изгубљено). То значи да изворни атом (тј. „Матично“ језгро) постаје другачији елемент (заснован на „кћерком“ језгру) након проласка алфа распада.

Када рачунате енергију ослобођену у алфа распаду, треба да одузмете масу језгра хелијума и кћерки атом из масе матичног атома и претворите ово у вредност енергије користећи Ајнштајнов познати једначинаЕ.​ = ​мц​². Обично је лакше извршити овај прорачун ако радите у јединицама атомске масе (аму) и масу која недостаје помножите са факторомц​² = 931,494 МеВ / аму. Ово даје вредност енергије у МеВ (тј. Мега електроволти), при чему је електроволта једнака 1.602 × 10⁻⁹ џула и генерално погоднија јединица за рад у енергијама на атомској скали.

Будући да бета распад има три различите сорте, корисно је научити о свакој заузврат, иако постоји много сличности међу њима. Бета-плус распад је када се протон претвори у неутрон, уз ослобађање бета-плус честице (тј. Β + честице) заједно са ненаелектрисаном, скоро без масе, честицом која се назива неутрино. Као резултат овог процеса, ћерка-атом ће имати један протон мање и један неутрон више од матичног атома, али исти укупни масени број.

Бета-плус честица се заправо назива позитрон, што је честица антиматерије која одговара електрону. Има позитиван набој исте величине као негативни набој на електрону и исте масе као и електрон. Ослобођени неутрино се технички назива електронски неутрино. Приметите да се у овом процесу ослобађа једна честица правилне материје и једна честица антиматерије.

Израчунавање енергије ослобођене у овом процесу распадања је мало сложеније него за друге облике распадања, јер ће маса матичног атома укључивати масу још једног електрона од атома ћерке миса. Поврх свега, такође морате да одузмете масу β + честице која се емитује у процесу. У основи, морате одузети масу ћерке честице идваелектрони из масе матичне честице, а затим се претварају у енергију као и раније. Неутрино је толико мален да се може сигурно занемарити.

Бета-минус распад је у суштини супротан процес бета-плус распада, где се неутрон претвара у протона, ослобађајући бета-минус честицу (β-честицу) и електронски антинеутрино у процес. Због овог процеса, кћерки атом ће имати један неутрон мање и један протон више од матичног атома.

Β− честица је заправо електрон, али у овом контексту има другачије име, јер када је бета емисија распадања први пут откривена, нико није знао шта је та честица заправо била. Поред тога, њихово називање бета честицама корисно је јер вас подсећа да потичу из процеса бета распада и може бити корисно када покушавајући да се сетим шта се дешава у свакој - позитивна бета честица се ослобађа у бета-плус распаду, а негативна бета честица се ослобађа у бета-минусу пропадање. У овом случају, међутим, неутрино је честица антиматерије, али опет се у процесу ослобађају једна антиматерија и једна редовна честица материје.

Израчунавање енергије ослобођене у овој врсти бета распада је мало једноставније, јер се додатни електрон који поседује кћерки атом поништава са електроном изгубљеним у бета емисији. То значи да за израчунавање ∆м, једноставно одузмете масу матичног атома од матичног атома и затим помножите са квадратом брзине светлости (ц​²), као и раније, изражено у мега електронволтама по јединици атомске масе.

Последњи тип бета пропадања прилично се разликује од прва два. У хватању електрона, протон „апсорбује“ електрон и претвара се у неутрон, уз ослобађање електронског неутрина. Због тога се атомски број (тј. Број протона) смањује за један, а број неутрона повећава за један.

Ово може изгледати као да крши досадашњи образац, при чему се емитују једна материја и једна честица антиматерије, али даје наговештај стварног разлога за ову равнотежу. „Лептонски број“ (који можете сматрати бројем „породице електрона“) је сачуван, а електрон или електронски неутрино има лептонски број 1, док позитрон или електронски антинеутрино има лептонски број −1.

Требали бисте бити у стању да видите да сви остали процеси ово лако испуњавају. За хватање електрона, број лептона се смањује за 1 када се електрон ухвати, па да би се то уравнотежило, мора се емитовати честица с лептонским бројем 1.

Израчунавање енергије ослобођене при хватању електрона је прилично једноставно: јер електрон долази из матичног атома, не треба да бринете да ли ћете рачунати разлику у броју електрона између родитеља и ћерке атома. Наћи ћете ∆мједноставним одузимањем масе матичног атома од матичног атома. Израз за процес обично ће бити написан са електроном на левој страни, али једноставно правило вас подсећа да је ово заправо део матичног атома у смислу масе.

Гама распад укључује емисију фотона високе енергије (електромагнетно зрачење), али се број протона и неутрона у атому не мења као резултат процеса. Аналогно је емисији фотона када електрон пређе из вишег у ниже енергетско стање, али прелазак се у овом случају одвија у језгру атома.

Баш као у аналогној ситуацији, прелазак из вишег у ниже енергетско стање уравнотежен је емисијом фотона. Они имају енергију већу од 10 кеВ и обично се називају гама зрацима, мада дефиниција у ствари није строга (на пример, енергетски опсег се преклапа са рендгенским зрацима).

Алфа или бета емисија може језгро оставити у вишеенергијском побуђеном стању, а енергија која се ослобађа као резултат ових процеса врши се у облику гама зрака. Међутим, језгро такође може завршити у енергетски вишем стању након судара са другим језгром или удара неутрона. Резултат је у свим случајевима исти: Језгро пада из свог побуђеног стања у ниже енергетско стање и у том процесу ослобађа гама зраке.

Уранијум-238 се распада у торијум-234 ослобађањем алфа честице (тј. Језгра хелијума), а ово је један од најпознатијих примера радиоактивног распада. Процес се може представити као:

Да бисте израчунали колико се енергије ослобађа у овом процесу, требаће вам атомске масе: ²³⁸У = 238,05079 аму, ²³⁴Тх = 234,04363 аму и ⁴Он = 4,00260 аму, са свим масама израженим у јединицама атомске масе. Сада да бисте утврдили колико се енергије ослобађа у процесу, све што требате је да пронађете ∆модузимањем маса производа од масе првобитног матичног атома, а затим израчунати количину енергије коју то представља.

Радиоактивни распад се често дешава у ланцима, са више корака између почетне и крајње тачке. Ови ланци распадања су дуги и било би потребно много корака да би се израчунало колико се енергије ослобађа у целом процесу, али узимање дела једног таквог ланца илуструје приступ.

Ако погледате ланац распадања торијума-232, близу краја ланца, нестабилно језгро (тј. Атом нестабилног изотопа, са кратак полуживот) бизмута-212 пролази кроз бета-минус распадање у полонијум-212, који се затим подвргава алфа-распадању у олову-208, стабилном изотоп. Можете израчунати енергију која се ослобађа у овом процесу узимајући је корак по корак.

Прво, бета-минус распадање бизмута-212 (м= 211,99129 аму) у полонијум-212 (м= 211,98887 аму) даје:

Сећајући се да се промена бројева електрона поништава у бета-минус распаду. То објављује:

Следећа фаза је алфа распадање од полонијума-212 до олова-208 (м= 207,97665 аму) и једно језгро хелијума.

А енергија је:

Тада укупно има 2,25 МеВ + 8,96 МеВ = 11,21 МеВ енергије која се ослобађа у процесу. Наравно, ако сте пажљиви (укључујући алфа честице и додатне електроне ако ваш процес укључује бета-плус распад) може израчунати разлику у маси у једном кораку, а затим претворити, али овај приступ вам говори о енергији која се ослобађа у сваком фаза.