Vad är alfa-, beta- och gammapartiklar?

Alpha, beta, gammastrålning: Det låter nästan som tagline för en film från gamla skolor om utomjordingar från yttre rymden, nyanlända på jorden med sina ultrahögteknologiska prylar (och förhoppningsvis en varm disposition). I verkligheten är det inte så långt borta. Alfa-, beta- och gammastrålning är alla verkliga enheter i fysikvärlden och är värda att undvika när du kan hantera den.

Du vet nog att olika typer av atomer kan gå samman genom kemisk bindningsprocess för att skapa molekyler. Till exempel kan två väteatomer (H i det periodiska elementet) och en syreatom (O) kombineras för att bilda en vattenmolekyl (H₂O). Denna molekyl kan brytas in i jonerna H + och OH– genom att bryta en av O-H-bindningarna.

I kemiska bindningar interagerar elektroner med olika atomer, men deras kärnor (kärnans flertal) förblir intakta. Detta beror på att kraften som håller ihop protonerna och neutronerna är extremt stark jämfört med de elektrostatiska krafterna som ligger bakom kemisk bindning mellan atomer.

Ändå sönderfaller atomkärnor, vanligtvis spontant och ofta i en otroligt låg hastighet, beroende på vad elementet är. Denna radioaktivitet finns i de tre grundläggande smakerna som introducerades i den första meningen i denna artikel: Alpha, beta och gammastrålning, även kallad alfa, beta och gammapartiklar (utom i sista hand tekniskt).

Atomen beskrevs en gång impetuöst som "den minsta odelbara sak" även av människor som känner till. Denna definition är sant på vissa sätt: Ta varje enskilt element, eller ämne gjord av en enda irreducerbar komponent, och atomen är den minsta hela enheten i den substansen. Det finns 118 element i det periodiska systemet från och med 2020, 92 av dem är naturligt förekommande.

Atomer består av en kärna, som har en eller flera protoner och, förutom väte (det minsta elementet), minst en neutron. De har också en eller flera elektroner som finns på något avstånd från kärnan i specifika energinivåer.

Protoner är positivt laddade och elektroner negativt laddade, med laddningens storlek samma i varje. Eftersom en atom i marktillståndet har samma antal protoner som elektroner, är atomer det elektriskt neutral om inte joniserat (dvs. deras elektronnummer ändras).

En atoms protonnummer är dess atomnummer i det periodiska systemet och bestämmer elementets identitet (namn). Vissa atomer kan få eller förlora neutroner medan de fortsätter att lyckas existera, men om en kärna tappar eller får en proton istället är det en spelväxlare, för nu har elementet ett helt nytt namn och nya attribut att gå med Det.

Kraften som håller protoner och neutroner tillsammans kallas inte för ingenting för den starka kärnkraften. Atomkärnorna kan i viss mening betraktas som att sitta i centrum för all materia, så deras yttersta stabilitet är vettigt i en kosmos som är full av organisation och som kan upprätthålla livet på minst en ödmjuk planet.

Men kärnor är inte helt stabila, och över tid förfaller de och avger partiklar och energi. Varje element som genomgår radioaktivt sönderfall, eller mer specifikt isotop av det element som studeras har sin egen karaktäristiska halveringstid, som kan användas för att förutsäga hur många kärnor som kommer att förfalla över tiden utan att ge någon information om någon kärna. Det liknar således en risk, i huvudsak en sannolikhetsstatistik.

Halveringstiden för en radioaktiv art är den tid det tar för hälften av de instabila kärnorna i ett prov att förfalla till en annan form. Detta antal kan gå mycket högt, in i miljarder år, även om det för kol-14 är cirka 5 730 år (en blip i geologisk tid, om inte i mänskliga civilisationer).

De olika typerna av radioaktivt förfall ger de tre första bokstäverna i det grekiska alfabetet. Således alfastrålning avger en partikel som ofta representeras av en gemenerversion av denna bokstav, α. Det skulle dock vara okonventionellt att skriva "α-strålning."

Denna typ av partikel motsvarar kärnan i heliumatomer (He). Helium är det andra elementet i det periodiska systemet och med en atommassa på 4,00 har det två protoner och två neutroner. Hela atomen har också två elektroner som balanserar laddningen av de två protonerna, men dessa är inte en del av en alfapartikel, bara kärnan.

Dessa partiklar är massiva med avseende på andra typer av strålning; betapartikeln är till exempel cirka 7 000 gånger mindre. Detta på ytan kan göra att det verkar vara särskilt farligt, men i själva verket är det motsatt: The storleken på α-partiklarna innebär att de tränger igenom saker, inklusive biologiska barriärer som hud, mycket dåligt.

Betapartiklar (β-partiklar) är faktiskt bara elektroner, men de behåller sitt namn eftersom deras upptäckt föregår den formella identifieringen av elektroner som sådana. När en atom avger en beta-partikel avger den också en annan subatomär partikel samtidigt som kallas elektronantineutrino. Denna partikel delar med sig av kraften och energin för partikelemissionen, men den har nästan ingen massa (även jämfört med en elektron, i sig endast cirka 9,1 × 10^–31 kg i vikt).

Betapartiklar, som är mycket mindre än alfapartiklar, kan tränga djupare än deras mycket mer massiva motsvarigheter.

En annan typ av betapartikel är positron, som inträffar som ett resultat av förfallet av neutroner i kärnan. Dessa partiklar har samma massa som elektroner, men har motsatt laddning (därav deras namn).

Gamma-strålar, eller y-strålar, representerar det farligaste resultatet av radioaktivitet för människor. De är masslösa eftersom de inte alls är partiklar. "Strålar" är egentligen kort för den allmänna termen elektromagnetisk strålning (EM-strålning), som färdas med ljusets hastighet (betecknad c eller 3 × 10⁸ m / s) och finns i en mängd olika kombinationer av frekvens- och våglängdsvärden vars produkter är c.

Gamma-strålar har mycket korta våglängder och därmed mycket hög energi. De liknar röntgenstrålar, förutom att röntgenstrålar har sitt ursprung utanför kärnan. De passerar vanligtvis genom människokroppar utan att röra vid någonting, men eftersom de är så genomträngande krävs en blyskärm som är två tum tjock för att säkerställa att de stoppas.

Alfapartiklar kan säkert ignoreras, i den utsträckning att detta gäller allt som klassificeras som strålning. De kan bara resa cirka 10 till 17 cm i luft och deras energi går förlorad när de slår protonerna och neutronerna av vilket material de än stöter på och hindrar dem från att tränga in ytterligare.

Det mesta av skadorna från betapartiklar kommer från intag eller sväljning av dem. (Detta kan också vara fallet med alfapartiklar.) Att dricka eller äta radioaktivt material är den största källan till skador från denna typ av strålning, även om långvarig exponering för huden kan orsaka brännskador.

Gamma-strålar kan passera genom kroppar utan att slå på något, men det finns ingen försäkran om att de faktiskt kommer att göra det, och de kan färdas ungefär en mil i luften. Eftersom de kan tränga igenom praktiskt taget vad som helst förutom att resa långa sträckor, kan de skada alla kroppssystem och deras närvaro i miljöer med levande system måste vara försiktigt övervakas.