Typer av radioaktivt förfall: Alpha, Beta, Gamma

​Radioaktivär ett ord som inte är så väl förstådd. Övertrampad av rädsla och till sin natur verkar främmande och farlig, karaktären av radioaktivt förfall är något som är värt att lära sig om du är en fysikstudent eller bara en intresserad lekman.

Verkligheten är att radioaktivitet i huvudsak beskriver kärnreaktioner som leder till en förändring i atomnummer för ett element och / eller frisättning av gammastrålning. Det är farligt i stora mängder eftersom strålningen som frigörs är "joniserande" (dvs. den har tillräckligt med energi för att ta bort elektroner från atomer) men det är ett intressant fysiskt fenomen och i praktiken kommer de flesta aldrig att vara tillräckligt nära radioaktiva material för att vara i fara.

Kärnor kan uppnå ett lägre energitillstånd genom fusion - det är när två kärnor smälter samman för att skapa en tyngre kärnan, frigör energi i processen - eller genom klyvning, vilket är att dela tunga element i lättare de. Fission är källan till energin i kärnreaktorer, och även i kärnvapen, och detta är särskilt vad de flesta föreställer sig när de tänker på radioaktivitet. Men för det mesta, när kärnor ändras till ett lägre energitillstånd i naturen, beror det på radioaktivt sönderfall.

Det finns tre typer av radioaktivt sönderfall: alfa-sönderfall, beta-sönderfall och gamma-sönderfall, även om beta-sönderfall i sig finns i tre olika typer. Att lära sig om dessa former av kärnkraftsförfall är en avgörande del av varje kurs i kärnfysik.

Alfa-sönderfall uppstår när en kärna avger det som kallas en "alfa-partikel" (α-partikel). En alfapartikel är en kombination av två protoner och två neutroner, som om du känner till ditt periodiska system kommer du att känna igen dem som en heliumkärna.

Processen är ganska lätt att förstå i termer av den resulterande atommens massa och egenskaper: Den förlorar fyra från dess massnummer (två från protonerna och två från elektronerna) och två från dess atomnummer (från de två protonerna förlorat). Detta innebär att den ursprungliga atomen (dvs. "föräldrakärnan") blir ett annat element (baserat på "dotter" -kärnan) efter att ha genomgått alfa-sönderfall.

När du beräknar den energi som frigörs i alfa-sönderfall, måste du subtrahera massan av heliumkärnan och dotteratom från moderns atommassa och konvertera detta till ett energivärde med Einsteins berömda ekvationE​ = ​mc​². Det är vanligtvis lättare att utföra denna beräkning om du arbetar i atommasseenheter (amu) och multiplicerar den saknade massan med faktornc​² = 931,494 MeV / amu. Detta returnerar ett energivärde i MeV (dvs. mega elektronvolt), med en elektronvolt lika med 1,602 × 10⁻⁹ joules och i allmänhet en mer bekväm enhet för att arbeta i energier i atomskala.

Eftersom betaförfall har tre olika varianter är det bra att lära sig om var och en i sin tur, även om det finns många likheter mellan dem. Beta-plus-sönderfall är när en proton förvandlas till en neutron, med frisättningen av en beta-plus-partikel (dvs. en β + -partikel) tillsammans med en oladdad, nästan masslös partikel som kallas neutrino. Som ett resultat av denna process kommer dotteratomen att ha en mindre proton och en mer neutron än moderatomen, men samma totala massnummer.

Betaplus-partikeln kallas faktiskt en positron, vilket är den antimateriepartikel som motsvarar elektronen. Den har en positiv laddning av samma storlek som den negativa laddningen på elektronen, och samma massa som en elektron. Den frigjorda neutrino kallas tekniskt en elektronneutrino. Lägg märke till att en partikel av vanlig materia och en partikel av antimateria frigörs i denna process.

Att beräkna den energi som frigörs i denna förfallsprocess är lite mer komplicerad än för andra former av förfall eftersom massan av moderatomen kommer att inkludera massan av en elektron till än dottern massa. Utöver detta måste du också subtrahera massan av β + -partikeln som emitteras under processen. I huvudsak måste du subtrahera massan av dotterpartikeln ochtvåelektroner från moderpartikelns massa och omvandlas sedan till energi som tidigare. Neutrino är så liten att den säkert kan försummas.

Beta-minus-sönderfall är i princip den motsatta processen av beta-plus-sönderfall, där en neutron förvandlas till en proton, som frigör en beta-minus-partikel (en β− partikel) och en elektronantineutrino i bearbeta. På grund av denna process kommer dotteratomen att ha en mindre neutron och en mer proton än moderatomen.

Β− partikeln är faktiskt en elektron, men den har ett annat namn i detta sammanhang för när beta-utsläppet för förfall först upptäcktes visste ingen vad partikeln egentligen var. Dessutom är det bra att kalla dem betapartiklar eftersom det påminner dig om att det kommer från beta-sönderfallsprocessen, och det kan vara användbart när du är försöker komma ihåg vad som händer i var och en - den positiva beta-partikeln frigörs i beta-plus-sönderfall och den negativa beta-partikeln frigörs i beta-minus förfall. I detta fall är dock neutrinoen en antimateriepartikel, men återigen frigörs en antimateria och en vanlig materiepartikel under processen.

Att beräkna den energi som frigörs i denna typ av betaförfall är lite enklare, eftersom den extra elektronen som dotteratomen innehar avbryts med elektronen förlorad i betaemissionen. Detta betyder att för att beräkna ∆m, subtraherar du helt enkelt dotteratomens massa från moderatom och multiplicerar sedan med ljusets hastighet i kvadrat (c​²), som tidigare, uttryckt i mega elektronvolt per atommasseenhet.

Den sista typen av betaförfall skiljer sig ganska från de två första. Vid elektronupptagning “absorberar” en proton en elektron och förvandlas till en neutron med frigörandet av en elektronneutrino. Detta minskar därför atomantalet (dvs. antalet protoner) med en och ökar antalet neutroner med en.

Detta kan tyckas som att det bryter mot mönstret hittills, med en sak och en antimateriepartikel som emitteras, men det ger en antydan till den verkliga orsaken till denna balans. ”Lepton-numret” (som du kan tänka dig som ett ”elektronfamilj” -nummer) bevaras och en elektron eller elektronneutrino har ett leptontal på 1, medan positron- eller elektronantineutrino har ett leptontal på −1.

Du borde kunna se att alla andra processer enkelt uppfyller detta. För elektronupptagning minskar leptontalet med 1 när elektronen fångas upp, så för att balansera detta måste en partikel med ett leptontal på 1 emitteras.

Att beräkna den energi som frigörs vid elektronupptagning är ganska enkel: Eftersom elektronen kommer från moderatomen, du behöver inte oroa dig för att redovisa skillnaden i antalet elektroner mellan föräldern och dottern atomer. Du hittar ∆mgenom att helt enkelt subtrahera massan av dotteratomen från den för moderatom. Uttrycket för processen kommer generellt att skrivas med elektronen på vänster sida, men den enkla regeln påminner dig om att detta faktiskt är en del av moderatomen när det gäller massan.

Gamma-sönderfall involverar utsläpp av en högenergifoton (elektromagnetisk strålning), men antalet protoner och neutroner i atomen ändras inte till följd av processen. Det är analogt med emissionen av en foton när en elektron övergår från ett högre energitillstånd till ett lägre energitillstånd, men övergången sker i detta fall i atomens kärna.

Precis som i den analoga situationen balanseras övergången från ett högre energitillstånd till ett lägre energitillstånd genom emissionen av en foton. Dessa har energier över 10 keV och kallas i allmänhet gammastrålar, även om definitionen inte är riktigt strikt (till exempel överlappar energiområdet med röntgenstrålar).

Alfa- eller beta-utsläpp kan lämna en kärna i ett högre energi, upphetsat tillstånd, och den energi som frigörs som ett resultat av dessa processer görs i form av gammastrålar. Emellertid kan kärnan också hamna i ett högre energitillstånd efter att ha kolliderat med en annan kärna eller träffats av en neutron. Resultatet är i alla fall detsamma: kärnan faller från sitt exciterade tillstånd till ett lägre energitillstånd och frigör gammastrålar under processen.

Uranium-238 förfaller till thorium-234 med frisättning av en alfapartikel (dvs. en heliumkärna), och detta är ett av de mest kända exemplen på radioaktivt förfall. Processen kan representeras som:

För att beräkna hur mycket energi som frigörs i denna process behöver du atommassorna: ²³⁸U = 238,05079 amu, ²³⁴Th = 234.04363 amu och ⁴Han = 4,00260 amu, med alla massorna uttryckta i atommasseenheter. För att räkna ut hur mycket energi som släpps ut i processen behöver du bara hitta findmgenom att subtrahera massorna av produkterna från massan av den ursprungliga moderatomen och sedan beräkna mängden energi detta representerar.

Radioaktivt förfall händer ofta i kedjor, med flera steg mellan startpunkten och slutpunkten. Dessa sönderfallskedjor är långa och skulle kräva många steg för att beräkna hur mycket energi som frigörs under hela processen, men att ta en bit av en sådan kedja illustrerar tillvägagångssättet.

Om du tittar på förfallskedjan av thorium-232, nära slutet av kedjan, en instabil kärna (dvs en atom av en instabil isotop, med en kort halveringstid) av vismut-212 genomgår beta-minus-sönderfall till polonium-212, som sedan genomgår alfa-sönderfall till bly-208, en stabil isotop. Du kan beräkna den energi som frigörs i denna process genom att ta den steg för steg.

Först sönderfaller beta-minus från vismut-212 (m= 211.99129 amu) till polonium-212 (m= 211.98887 amu) ger:

Att komma ihåg att förändringen i elektrontal upphävs i beta-minus-sönderfall. Som släpper:

Nästa steg är alfa-förfallet från polonium-212 till bly-208 (m= 207,97665 amu) och en heliumkärna.

Och energin är:

Totalt då frigörs 2,25 MeV + 8,96 MeV = 11,21 MeV energi i processen. Naturligtvis, om du är försiktig (inklusive alfapartikeln och ytterligare elektroner om din process innehåller ett beta-plus-sönderfall) du kan beräkna skillnaden i massa i ett enda steg och sedan konvertera, men detta tillvägagångssätt berättar vilken energi som frigörs vid varje skede.