Radyoaktif Bozunma Türleri: Alfa, Beta, Gama

​Radyoaktifpek anlaşılmayan bir kelimedir. Korkuyla boğuşan ve doğası gereği uzaylı ve tehlikeli görünen radyoaktif bozunmanın doğası, ister bir fizik öğrencisi olun, ister sadece ilgili bir meslekten olmayan kişi olun, öğrenmeye değer bir şeydir.

Gerçek şu ki, radyoaktivite esasen bir elementin atom numarasında bir değişikliğe ve/veya gama radyasyonu salınımına yol açan nükleer reaksiyonları tanımlar. Büyük miktarlarda tehlikelidir çünkü salınan radyasyon "iyonlaştırıcıdır" (yani atomlardan elektronları soymak için yeterli enerjiye sahiptir) ama bu ilginç bir fiziksel fenomen ve pratikte çoğu insan asla risk altında olacak kadar radyoaktif materyallerin etrafında olmayacak.

Çekirdekler, füzyon yoluyla daha düşük bir enerji durumuna ulaşabilir - bu, iki çekirdeğin daha ağır bir enerji oluşturmak için bir araya geldiği zamandır çekirdek, süreçte enerjiyi serbest bırakır - veya ağır elementlerin daha hafif parçalara bölünmesi olan fisyon yoluyla olanlar. Fisyon, nükleer reaktörlerdeki ve ayrıca nükleer silahlardaki enerjinin kaynağıdır ve çoğu insan radyoaktivite hakkında düşündüklerinde özellikle bunu hayal eder. Ancak çoğu zaman, çekirdekler doğada daha düşük bir enerji durumuna geçtiğinde, bu radyoaktif bozunmaya bağlıdır.

Üç tür radyoaktif bozunma vardır: alfa bozunması, beta bozunması ve gama bozunması, ancak beta bozunması kendi içinde üç farklı tipte gelir. Bu nükleer bozunma biçimleri hakkında bilgi edinmek, herhangi bir nükleer fizik dersinin çok önemli bir parçasıdır.

Alfa bozunması, bir çekirdek "alfa parçacığı" (α-parçacığı) denilen şeyi yaydığında meydana gelir. Bir alfa parçacığı, iki proton ve iki nötronun birleşimidir; periyodik tablonuzu biliyorsanız, bir helyum çekirdeği olarak tanıyacaksınız.

Oluşan atomun kütlesi ve özellikleri açısından süreci anlamak oldukça kolaydır: kütle numarası (iki protondan ve iki elektrondan) ve iki atom numarasından (iki protondan) kayıp). Bu, orijinal atomun (yani “ana” çekirdek), alfa bozunmasından sonra farklı bir element (“kız” çekirdeğe dayanarak) olduğu anlamına gelir.

Alfa bozunmasında açığa çıkan enerjiyi hesaplarken, helyum çekirdeğinin kütlesini çıkarmanız gerekir. ana atomun kütlesinden kızı atom ve bunu Einstein'ın ünlü yöntemini kullanarak bir enerji değerine dönüştürün. denklemE​ = ​mc​². Atomik kütle birimlerinde (amu) çalışıyorsanız ve eksik kütleyi faktörle çarparsanız, bu hesaplamayı yapmak genellikle daha kolaydır.c​² = 931.494 MeV / amu. Bu, elektronvolt 1.602 × 10'a eşit olan MeV cinsinden bir enerji değeri (yani mega elektronvolt) döndürür.⁻⁹ joule'dür ve genellikle atomik ölçekte enerjilerde çalışmak için daha uygun bir birimdir.

Beta bozunmasının üç farklı çeşidi olduğundan, aralarında pek çok benzerlik olmasına rağmen, her birini sırayla öğrenmek faydalı olacaktır. Beta-artı bozunması, bir protonun bir nötrona dönüşmesiyle, bir beta-artı parçacığının (yani, bir β+ parçacığının) ve nötrino adı verilen yüksüz, neredeyse kütlesiz bir parçacığın salınmasıyla olur. Bu işlemin bir sonucu olarak, yavru atom, ana atomdan bir proton eksik ve bir nötrona sahip olacak, ancak toplam kütle numarası aynı olacaktır.

Beta-artı parçacığına aslında elektrona karşılık gelen antimadde parçacığı olan pozitron denir. Elektron üzerindeki negatif yük ile aynı büyüklükte pozitif bir yüke ve bir elektron ile aynı kütleye sahiptir. Serbest kalan nötrinoya teknik olarak elektron nötrino denir. Bu süreçte bir düzenli madde parçacığının ve bir antimadde parçacığının salındığına dikkat edin.

Bu bozunma sürecinde açığa çıkan enerjiyi hesaplamak, diğer türlerden biraz daha karmaşıktır. bozunur, çünkü ana atomun kütlesi, yavru atomunkinden bir fazla elektronun kütlesini içerecektir. kitle. Bunun üzerine, süreçte yayılan β+ parçacığının kütlesini de çıkarmanız gerekir. Esasen, yavru parçacığın kütlesini çıkarmanız gerekir veikiana parçacığın kütlesinden elektronlar ve daha sonra daha önce olduğu gibi enerjiye dönüşür. Nötrino o kadar küçüktür ki güvenle ihmal edilebilir.

Beta-eksi bozunma, esasen, bir nötronun dönüştüğü beta-artı bozunmasının zıt sürecidir. bir beta-eksi parçacık (bir β− parçacık) ve bir elektron antinötrino salan bir proton süreç. Bu işlem nedeniyle, yavru atom, ana atomdan bir daha az nötrona ve bir protona sahip olacaktır.

β− parçacığı aslında bir elektrondur, ancak bu bağlamda farklı bir adı vardır, çünkü bozunma için beta emisyonu ilk keşfedildiğinde, parçacığın gerçekte ne olduğunu kimse bilmiyordu. Ek olarak, onlara beta parçacıkları demek faydalıdır çünkü size bunun beta bozunma sürecinden geldiğini hatırlatır ve her birinde ne olduğunu hatırlamaya çalışmak – pozitif beta partikülü beta-artı bozunmasında salınır ve negatif beta partikülü beta-eksi olarak salınır çürüme. Bu durumda, yine de, nötrino bir antimadde parçacığıdır, ancak yine, süreçte bir antimadde ve bir düzenli madde parçacığı salınır.

Bu tür beta bozunmasında açığa çıkan enerjiyi hesaplamak biraz daha basittir, çünkü yavru atomun sahip olduğu fazladan elektron, beta emisyonunda kaybedilen elektron ile birbirini götürür. Bu, ∆ hesaplamak için şu anlama gelir:m, sadece yavru atomun kütlesini ana atomun kütlesinden çıkarırsınız ve sonra ışık hızının karesi ile çarparsınız (c​²), daha önce olduğu gibi, atomik kütle birimi başına mega elektronvolt cinsinden ifade edilir.

Beta bozunmasının son türü, ilk ikisinden oldukça farklıdır. Elektron yakalamada, bir proton bir elektronu "soğurur" ve bir elektron nötrinosunun serbest bırakılmasıyla bir nötrona dönüşür. Bu nedenle atom numarasını (yani proton sayısını) bir azaltır ve nötron sayısını bir artırır.

Bu, bir madde ve bir antimadde parçacığının yayılmasıyla şimdiye kadarki düzeni ihlal ediyor gibi görünebilir, ancak bu dengenin gerçek nedeni hakkında bir ipucu verir. "Lepton sayısı" ("elektron ailesi" sayısı olarak düşünebilirsiniz) korunur ve bir elektron veya elektron nötrinosunun lepton sayısı 1 iken, pozitron veya elektron antinötrinosunun lepton sayısı 1'dir. −1.

Diğer tüm süreçlerin bunu kolaylıkla yerine getirdiğini görebilmelisiniz. Elektron yakalama için, elektron yakalandığında lepton sayısı 1 azalır, bu nedenle bunu dengelemek için lepton sayısı 1 olan bir parçacık yayılmalıdır.

Elektron yakalamada açığa çıkan enerjiyi hesaplamak oldukça basittir: Elektron ana atomdan geldiği için, ebeveyn ve kızı arasındaki elektron sayısındaki farkı hesaba katma konusunda endişelenmenize gerek yok atomlar. ∆ bulursunmsadece yavru atomun kütlesini ana atomun kütlesinden çıkararak. Sürecin ifadesi genellikle elektron sol tarafta olacak şekilde yazılır, ancak basit kural size bunun kütle açısından ana atomun bir parçası olduğunu hatırlatır.

Gama bozunması, yüksek enerjili bir foton (elektromanyetik radyasyon) emisyonunu içerir, ancak işlemin bir sonucu olarak atomdaki proton ve nötron sayısı değişmez. Bir elektron daha yüksek bir enerji durumundan daha düşük bir enerji durumuna geçtiğinde bir foton emisyonuna benzer, ancak bu durumda geçiş atomun çekirdeğinde gerçekleşir.

Tıpkı benzer durumda olduğu gibi, daha yüksek bir enerji durumundan daha düşük bir enerji durumuna geçiş, bir foton emisyonu ile dengelenir. Bunların enerjileri 10 keV'nin üzerindedir ve tanım gerçekten katı olmasa da (örneğin enerji aralığı X-ışınları ile örtüşür) genel olarak gama ışınları olarak adlandırılır.

Alfa veya beta emisyonu, çekirdeği daha yüksek enerjili, uyarılmış halde bırakabilir ve bu işlemler sonucunda açığa çıkan enerji gama ışınları şeklinde yapılır. Bununla birlikte, çekirdek, başka bir çekirdekle çarpıştıktan veya bir nötron tarafından vurulduktan sonra da daha yüksek enerjili bir duruma gelebilir. Her durumda sonuç aynıdır: Çekirdek uyarılmış durumundan daha düşük bir enerji durumuna düşer ve bu süreçte gama ışınları yayar.

Uranyum-238, bir alfa parçacığının (yani bir helyum çekirdeğinin) salınmasıyla toryum-234'e bozunur ve bu, radyoaktif bozunmanın en iyi bilinen örneklerinden biridir. Süreç şu şekilde temsil edilebilir:

Bu süreçte ne kadar enerji açığa çıktığını hesaplamak için atomik kütlelere ihtiyacınız olacak: ²³⁸U = 238.05079 amu, ²³⁴Th = 234.04363 amu ve ⁴He = 4.00260 amu, tüm kütleler atomik kütle birimlerinde ifade edilir. Şimdi süreçte ne kadar enerji açığa çıktığını bulmak için tek yapmanız gereken ∆'yi bulmak.mürünlerin kütlelerini orijinal ana atomun kütlesinden çıkararak ve ardından bunun temsil ettiği enerji miktarını hesaplayarak.

Radyoaktif bozunma genellikle zincirler halinde olur ve başlangıç ​​noktası ile son nokta arasında çok sayıda adım bulunur. Bu bozunma zincirleri uzundur ve tüm süreçte ne kadar enerjinin salındığını hesaplamak için birçok adım gerektirir, ancak böyle bir zincirin bir parçasını almak yaklaşımı gösterir.

Toryum-232'nin bozunma zincirine bakarsanız, zincirin sonuna yakın, kararsız bir çekirdek (yani, kararsız bir izotopun atomu, bizmut-212'nin kısa bir yarılanma ömrü) beta-eksi bozunmadan polonyum-212'ye dönüşür, bu daha sonra alfa bozunmasından kurşun-208'e, kararlı bir izotop. Bu süreçte açığa çıkan enerjiyi adım adım alarak hesaplayabilirsiniz.

İlk olarak, bizmut-212'den beta-eksi bozunma (m= 211.99129 amu) polonyum-212'ye (m= 211.98887 amu) verir:

Elektron sayılarındaki değişimin beta-eksi bozunmada birbirini götürdüğünü hatırlamak. Bu yayınlar:

Bir sonraki aşama, polonyum-212'den kurşun-208'e alfa bozunumudur (m= 207.97665 amu) ve bir helyum çekirdeği.

Ve enerji:

Toplamda 2.25 MeV + 8.96 MeV = 11.21 MeV süreçte açığa çıkan enerji vardır. Elbette dikkatli olursanız (alfa parçacığı ve işleminiz beta artı bozunma içeriyorsa ek elektronlar dahil) kütle farkını tek bir adımda hesaplayabilir ve sonra dönüştürebilir, ancak bu yaklaşım size her adımda salınan enerjiyi söyler. sahne.