ประเภทของการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี: อัลฟ่า, เบต้า, แกมมา

​กัมมันตรังสีเป็นคำที่ไม่ค่อยเข้าใจนัก ธรรมชาติของการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีเป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การเรียนรู้ว่าคุณเป็นนักเรียนฟิสิกส์หรือคนธรรมดาที่สนใจ

ความจริงก็คือกัมมันตภาพรังสีอธิบายปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในเลขอะตอมของธาตุและ/หรือการปล่อยรังสีแกมมา เป็นอันตรายในปริมาณมากเพราะรังสีที่ปล่อยออกมานั้น "แตกตัวเป็นไอออน" (กล่าวคือ มีพลังงานเพียงพอที่จะดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม) แต่เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่น่าสนใจ และในทางปฏิบัติ คนส่วนใหญ่ไม่เคยอยู่ใกล้วัสดุกัมมันตภาพรังสีมากพอที่จะเสี่ยง

นิวเคลียสสามารถบรรลุสภาวะพลังงานที่ต่ำลงได้โดยการหลอมรวม ซึ่งก็คือเมื่อนิวเคลียสสองนิวเคลียสหลอมรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างให้หนักขึ้น นิวเคลียสปล่อยพลังงานในกระบวนการ - หรือโดยการแยกตัวซึ่งเป็นการแยกธาตุหนักออกเป็นไฟแช็ก คน ฟิชชันคือแหล่งพลังงานในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และในอาวุธนิวเคลียร์ด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นี่คือสิ่งที่คนส่วนใหญ่นึกภาพเมื่อพวกเขานึกถึงกัมมันตภาพรังสี แต่โดยส่วนใหญ่แล้ว เมื่อนิวเคลียสเปลี่ยนเป็นสถานะพลังงานที่ต่ำกว่าในธรรมชาติ ก็จะสลายตัวไปสู่การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี

การสลายกัมมันตภาพรังสีมีอยู่สามประเภท: การสลายตัวของอัลฟ่า การสลายตัวของบีตา และการสลายตัวของแกมมา แม้ว่าการสลายตัวของบีตาในตัวเองจะมีสามประเภท การเรียนรู้รูปแบบการสลายตัวของนิวเคลียร์เป็นส่วนสำคัญของหลักสูตรฟิสิกส์นิวเคลียร์

การสลายตัวของอัลฟ่าเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสปล่อยสิ่งที่เรียกว่า "อนุภาคอัลฟา" (อนุภาคแอลฟา) อนุภาคแอลฟาเป็นการรวมกันของโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว ซึ่งถ้าคุณรู้ตารางธาตุ คุณจะจำได้ว่าเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม

กระบวนการนี้ค่อนข้างเข้าใจง่ายในแง่ของมวลและคุณสมบัติของอะตอมที่เกิด: มันสูญเสียสี่จาก เลขมวลของมัน (สองตัวจากโปรตอนและสองตัวจากอิเล็กตรอน) และสองตัวจากเลขอะตอมของมัน (จากโปรตอนสองตัว สูญหาย). ซึ่งหมายความว่าอะตอมดั้งเดิม (เช่น นิวเคลียส "แม่") กลายเป็นองค์ประกอบที่แตกต่างกัน (ขึ้นอยู่กับนิวเคลียส "ลูกสาว") หลังจากผ่านการสลายตัวของอัลฟา

เมื่อคำนวณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการสลายแอลฟา คุณต้องลบมวลของนิวเคลียสฮีเลียมและ อะตอมลูกสาวจากมวลของอะตอมแม่และแปลงเป็นค่าพลังงานโดยใช้ชื่อเสียงของไอน์สไตน์ สมการอี​ = ​mc​². การคำนวณนี้มักจะง่ายกว่าถ้าคุณทำงานในหน่วยมวลอะตอม (amu) และคูณมวลที่หายไปด้วยตัวประกอบค​² = 931.494 MeV / amu. ค่านี้จะคืนค่าพลังงานใน MeV (เช่น เมกะอิเล็กตรอนโวลต์) โดยอิเล็กตรอนโวลต์จะเท่ากับ 1.602 × 10⁻⁹ จูลและโดยทั่วไปเป็นหน่วยที่สะดวกกว่าสำหรับการทำงานในพลังงานในระดับอะตอม

เนื่องจากเบต้าสลายตัวมีสามแบบที่แตกต่างกัน การเรียนรู้แต่ละอย่างในทางกลับกันจึงเป็นประโยชน์ แม้ว่าจะมีความคล้ายคลึงกันมากระหว่างพวกเขา การสลายตัวของเบต้าบวกคือเมื่อโปรตอนกลายเป็นนิวตรอน โดยมีการปล่อยอนุภาคเบต้าบวก (เช่น อนุภาค β+) ไปพร้อมกับอนุภาคเกือบไม่มีมวลที่เรียกว่านิวตริโน ผลของกระบวนการนี้ อะตอมของลูกสาวจะมีโปรตอนน้อยกว่าหนึ่งตัวและมีนิวตรอนมากกว่าอะตอมหลักหนึ่งตัว แต่มีเลขมวลรวมเท่ากัน

จริงๆ แล้วอนุภาคเบต้าบวกเรียกว่าโพซิตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคปฏิสสารที่สอดคล้องกับอิเล็กตรอน มันมีประจุบวกที่มีขนาดเท่ากับประจุลบของอิเล็กตรอน และมีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน นิวตริโนที่ปล่อยออกมาในทางเทคนิคเรียกว่าอิเล็กตรอนนิวตริโน สังเกตว่ามีการปล่อยอนุภาคของสสารปกติหนึ่งอนุภาคและปฏิสสารหนึ่งอนุภาคในกระบวนการนี้

การคำนวณพลังงานที่ปล่อยออกมาในกระบวนการสลายนี้ซับซ้อนกว่ารูปแบบอื่นเล็กน้อย สลายตัว เพราะมวลของอะตอมแม่จะรวมมวลของอิเล็กตรอนมากกว่าอะตอมของลูกสาวหนึ่งตัว มวล. ยิ่งไปกว่านั้น คุณต้องลบมวลของอนุภาค β+ ที่ปล่อยออกมาในกระบวนการด้วย โดยพื้นฐานแล้ว คุณต้องลบมวลของอนุภาคลูกสาวและสองอิเล็กตรอนจากมวลของอนุภาคแม่แล้วแปลงเป็นพลังงานเช่นเดิม นิวตริโนมีขนาดเล็กมากจนสามารถละเลยได้อย่างปลอดภัย

การสลายตัวของเบต้า - ลบนั้นเป็นกระบวนการที่ตรงกันข้ามกับการสลายตัวของเบต้าบวกโดยที่นิวตรอนกลายเป็น โปรตอนปล่อยอนุภาคเบต้าลบ (อนุภาค β−) และแอนตินิวตริโนอิเล็กตรอนใน กระบวนการ. เนื่องจากกระบวนการนี้ อะตอมของลูกสาวจะมีนิวตรอนน้อยกว่าหนึ่งนิวตรอนและมีโปรตอนหนึ่งตัวมากกว่าอะตอมหลัก

อนุภาค β− แท้จริงแล้วเป็นอิเล็กตรอน แต่มีชื่อแตกต่างกันในบริบทนี้ เนื่องจากเมื่อมีการค้นพบการปล่อยบีตาสำหรับการสลายครั้งแรก ไม่มีใครรู้ว่าจริงๆ แล้วอนุภาคคืออะไร นอกจากนี้ การเรียกพวกมันว่าอนุภาคเบต้านั้นมีประโยชน์เพราะเตือนคุณว่ามันมาจากกระบวนการสลายตัวของเบต้า และอาจมีประโยชน์เมื่อคุณ พยายามจำสิ่งที่เกิดขึ้นในแต่ละส่วน – อนุภาคบีตาที่เป็นบวกจะถูกปล่อยออกมาในการสลายตัวของเบต้าบวกและอนุภาคเบต้าเชิงลบจะถูกปล่อยออกมาในเบต้าลบ การสลายตัว ในกรณีนี้ แม้ว่านิวตริโนจะเป็นอนุภาคปฏิสสาร แต่อีกครั้ง ปฏิสสารหนึ่งตัวและอนุภาคสสารปกติหนึ่งตัวจะถูกปล่อยออกมาในกระบวนการ

การคำนวณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการสลายตัวของเบต้าประเภทนี้ทำได้ง่ายกว่าเล็กน้อย เนื่องจากอิเล็กตรอนส่วนเกินที่อะตอมของลูกสาวครอบครองจะหักล้างด้วยอิเล็กตรอนที่สูญเสียไปในการปล่อยบีตา ซึ่งหมายความว่าการคำนวณ ∆มคุณเพียงแค่ลบมวลของอะตอมลูกสาวออกจากอะตอมหลักแล้วคูณด้วยความเร็วของแสงกำลังสอง (ค​²) เช่นเคย แสดงเป็นเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ต่อหน่วยมวลอะตอม

การสลายตัวของเบต้าประเภทสุดท้ายค่อนข้างแตกต่างจากสองครั้งแรก ในการดักจับอิเล็กตรอน โปรตอน "ดูดซับ" อิเล็กตรอนและกลายเป็นนิวตรอนด้วยการปล่อยอิเล็กตรอนนิวตริโน ดังนั้นจึงลดจำนวนอะตอม (เช่น จำนวนโปรตอน) ลงหนึ่งและเพิ่มจำนวนนิวตรอนขึ้นหนึ่ง

นี่อาจดูเหมือนละเมิดรูปแบบจนถึงตอนนี้ โดยมีสสารหนึ่งตัวและอนุภาคปฏิสสารหนึ่งตัวถูกปล่อยออกมา แต่มันบอกใบ้ถึงเหตุผลที่แท้จริงของความสมดุลนี้ “หมายเลขเลปตัน” (ซึ่งคุณอาจคิดว่าเป็นหมายเลข “ตระกูลอิเล็กตรอน”) จะถูกอนุรักษ์ไว้ และอิเล็กตรอนหรือ อิเล็กตรอนนิวตริโนมีจำนวนเลปตันเป็น 1 ในขณะที่โพซิตรอนหรือแอนตินิวตริโนอิเล็กตรอนมีจำนวนเลปตันของ −1.

คุณควรจะสามารถเห็นได้ว่ากระบวนการอื่นๆ ทั้งหมดทำได้อย่างง่ายดาย สำหรับการดักจับอิเล็กตรอน จำนวนเลปตันจะลดลง 1 เมื่อจับอิเล็กตรอน ดังนั้นเพื่อให้สมดุล จึงต้องปล่อยอนุภาคที่มีเลปตันเป็น 1

การคำนวณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากการดักจับอิเล็กตรอนนั้นค่อนข้างง่าย เนื่องจากอิเล็กตรอนมาจากอะตอมหลัก คุณไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการคำนึงถึงความแตกต่างของจำนวนอิเล็กตรอนระหว่างพ่อแม่และลูกสาว อะตอม คุณพบว่า ∆มโดยเพียงแค่ลบมวลของอะตอมของลูกสาวออกจากอะตอมของแม่ นิพจน์สำหรับกระบวนการโดยทั่วไปจะเขียนด้วยอิเล็กตรอนทางด้านซ้ายมือ แต่กฎง่ายๆ เตือนคุณว่านี่เป็นส่วนหนึ่งของอะตอมหลักในแง่ของมวล

การสลายตัวของแกมมาเกี่ยวข้องกับการปล่อยโฟตอนพลังงานสูง (รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า) แต่จำนวนของโปรตอนและนิวตรอนในอะตอมจะไม่เปลี่ยนแปลงอันเป็นผลมาจากกระบวนการ คล้ายกับการปล่อยโฟตอนเมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนจากสถานะพลังงานที่สูงขึ้นไปเป็นสถานะพลังงานที่ต่ำกว่า แต่การเปลี่ยนแปลงในกรณีนี้เกิดขึ้นในนิวเคลียสของอะตอม

เช่นเดียวกับในสถานการณ์ที่คล้ายคลึงกัน การเปลี่ยนจากสถานะพลังงานที่สูงขึ้นไปเป็นสถานะพลังงานที่ต่ำกว่านั้นสมดุลกันโดยการปล่อยโฟตอน สิ่งเหล่านี้มีพลังงานมากกว่า 10 keV และโดยทั่วไปเรียกว่ารังสีแกมมาแม้ว่าคำจำกัดความจะไม่เข้มงวดจริงๆ (เช่นช่วงพลังงานทับซ้อนกับรังสีเอกซ์)

การปล่อยแอลฟาหรือเบตาสามารถปล่อยให้นิวเคลียสอยู่ในสถานะที่มีพลังงานสูง ตื่นเต้น และพลังงานที่ปล่อยออกมาจากกระบวนการเหล่านี้จะทำในรูปของรังสีแกมมา อย่างไรก็ตาม นิวเคลียสยังสามารถจบลงในสถานะพลังงานที่สูงขึ้นได้หลังจากชนกับนิวเคลียสอื่นหรือถูกนิวตรอนโจมตี ผลลัพธ์จะเหมือนกันทุกกรณี: นิวเคลียสลดลงจากสถานะตื่นเต้นไปสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าและปล่อยรังสีแกมมาในกระบวนการ

ยูเรเนียม-238 สลายตัวเป็นทอเรียม-234 ด้วยการปล่อยอนุภาคแอลฟา (เช่น นิวเคลียสฮีเลียม) และนี่เป็นหนึ่งในตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดของการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี กระบวนการสามารถแสดงเป็น:

ในการคำนวณปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาในกระบวนการนี้ คุณจะต้องใช้มวลอะตอม: ²³⁸U = 238.05079 อามู ²³⁴Th = 234.04363 amu และ ⁴เขา = 4.00260 amu โดยมวลทั้งหมดแสดงเป็นหน่วยมวลอะตอม ตอนนี้เพื่อคำนวณปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาในกระบวนการ สิ่งที่คุณต้องทำคือค้นหา ∆มโดยการลบมวลของผลิตภัณฑ์ออกจากมวลของอะตอมหลักดั้งเดิม แล้วคำนวณปริมาณพลังงานที่แสดง

การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีมักเกิดขึ้นเป็นลูกโซ่ โดยมีหลายขั้นตอนระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสุดท้าย ห่วงโซ่การสลายตัวเหล่านี้มีความยาวและต้องใช้หลายขั้นตอนในการคำนวณจำนวนพลังงานที่ปล่อยออกมาในกระบวนการทั้งหมด แต่การใช้ชิ้นส่วนของห่วงโซ่ดังกล่าวแสดงให้เห็นถึงวิธีการ

หากคุณดูที่สายการสลายตัวของทอเรียม-232 ใกล้กับปลายสาย ซึ่งเป็นนิวเคลียสที่ไม่เสถียร (เช่น อะตอมของไอโซโทปที่ไม่เสถียรด้วย ครึ่งชีวิตสั้น) ของบิสมัท-212 ผ่านการสลายเบต้าลบเป็นพอโลเนียม-212 ซึ่งผ่านการสลายตัวของอัลฟาเป็นตะกั่ว-208 เสถียร ไอโซโทป. คุณสามารถคำนวณพลังงานที่ปล่อยออกมาในกระบวนการนี้โดยทำทีละขั้นตอน

อย่างแรก การสลายตัวของเบต้า-ลบจากบิสมัท-212 (ม= 211.99129 amu) เท่ากับ พอโลเนียม-212 (ม= 211.98887 amu) ให้:

จำไว้ว่าการเปลี่ยนแปลงของจำนวนอิเล็กตรอนจะยกเลิกการสลายตัวของเบต้า-ลบ ที่เผยแพร่:

ขั้นต่อไปคือการสลายตัวของอัลฟาจากพอโลเนียม-212 ถึงตะกั่ว-208 (ม= 207.97665 amu) และหนึ่งนิวเคลียสฮีเลียม

และพลังงานคือ:

รวมแล้วมี 2.25 MeV + 8.96 MeV = 11.21 MeV ของพลังงานที่ปล่อยออกมาในกระบวนการ แน่นอน หากคุณระมัดระวัง (รวมถึงอนุภาคแอลฟา และอิเล็กตรอนเพิ่มเติม หากกระบวนการของคุณมีการสลายตัวของเบต้าบวกด้วย) คุณ สามารถคำนวณความแตกต่างของมวลในขั้นตอนเดียวแล้วแปลง แต่วิธีนี้จะบอกให้คุณทราบถึงพลังงานที่ปล่อยออกมาในแต่ละขั้นตอน เวที.