Типи радіоактивного розпаду: альфа, бета, гамма

​Радіоактивнийце слово, яке не так добре зрозуміле. Поглинений страхом і суттєво здаючись чужим та небезпечним, природа радіоактивного розпаду - це те, про що варто дізнатися, студентом фізики чи просто зацікавленим неспеціалістом.

Реальність така, що радіоактивність по суті описує ядерні реакції, які призводять до зміни атомного номера елемента та / або викиду гамма-випромінювання. Це небезпечно у великих кількостях, оскільки випромінювання, яке виділяється, є "іонізуючим" (тобто воно має достатньо енергії, щоб позбавити електрони від атомів) але це цікаве фізичне явище, і на практиці більшість людей ніколи не будуть поруч із радіоактивними матеріалами, щоб бути в зоні ризику.

Ядра можуть досягти нижчого енергетичного стану за допомогою синтезу - це коли два ядра зливаються між собою, створюючи важче ядро, виділяючи енергію в процесі - або шляхом ділення, що є розщепленням важких елементів на легші ті. Ділення є джерелом енергії в ядерних реакторах, а також в ядерній зброї, і саме це, зокрема, уявляє більшість людей, коли вони думають про радіоактивність. Але більшу частину часу, коли ядра переходять у нижчий енергетичний стан в природі, це зводиться до радіоактивного розпаду.

Існує три типи радіоактивного розпаду: альфа-розпад, бета-розпад та гамма-розпад, хоча сам по собі бета-розпад буває трьох різних типів. Дізнання про ці форми ядерного розпаду є найважливішою частиною будь-якого курсу ядерної фізики.

Альфа-розпад відбувається, коли ядро ​​випромінює так звану «альфа-частинку» (α-частинку). Альфа-частинка - це поєднання двох протонів і двох нейтронів, які, якщо ви знаєте свою періодичну таблицю, ви розпізнаєте ядро ​​гелію.

Процес досить легко зрозуміти з точки зору маси та властивостей отриманого атома: він втрачає чотири його масове число (два від протонів і два від електронів) і два від атомного номера (від двох протонів загублений). Це означає, що вихідний атом (тобто, «батьківське» ядро) стає іншим елементом (на основі «дочірнього» ядра) після зазналого альфа-розпаду.

Під час обчислення енергії, що виділяється при альфа-розпаді, потрібно відняти масу ядра гелію та дочірнього атома з маси батьківського атома, і перетворити це у значення енергії за допомогою знаменитого Ейнштейна рівнянняЕ​ = ​мк​². Зазвичай простіше виконати це обчислення, якщо ви працюєте в атомних одиницях маси (аму) і множите відсутню масу на коефіцієнтc​² = 931,494 МеВ / аму. Це повертає значення енергії в МеВ (тобто мегаелектронвольт), при цьому електронвольта дорівнює 1,602 × 10⁻⁹ джоулів і, як правило, більш зручна одиниця для роботи в енергіях в атомному масштабі.

Оскільки бета-розпад має три різні різновиди, корисно дізнатись про кожен по черзі, хоча між ними існує багато подібностей. Бета-плюс розпад - це коли протон перетворюється на нейтрон із вивільненням бета-плюс частинки (тобто β + частинки) разом із незарядженою, майже безмасовою частинкою, яка називається нейтрино. В результаті цього процесу дочірній атом матиме на один менше протона і на один нейтрон більше, ніж батьківський атом, але при цьому однакове загальне масове число.

Частина бета-плюс насправді називається позитроном, який є частинкою антиматерії, що відповідає електрону. Він має позитивний заряд того самого розміру, що і негативний заряд на електроні, і тієї ж маси, що і електрон. Випущене нейтрино технічно називається електронним нейтрино. Зверніть увагу, що в цьому процесі виділяється одна частинка звичайної речовини та одна частинка антиречовини.

Розрахунок енергії, що виділяється в цьому процесі розпаду, трохи складніший, ніж для інших форм розпаду, оскільки маса батьківського атома включатиме масу ще одного електрона, ніж дочірній атом маси. Крім цього, вам також потрібно відняти масу частинки β +, яка виділяється в процесі. По суті, вам доведеться відняти масу дочірньої частинки ідваелектрони з маси батьківської частинки, а потім перетворюються в енергію, як і раніше. Нейтрино настільки крихітне, що ним можна спокійно знехтувати.

Розпад бета-мінус - це, по суті, протилежний процес розпаду бета-плюс, де нейтрон перетворюється протон, вивільняючи бета-мінус-частинку (β-частинку) та електронне антинейтрино в процес. Через цей процес дочірній атом матиме на один нейтрон менше і на один протон більше, ніж батьківський атом.

Частина β - насправді є електроном, але в цьому контексті вона має іншу назву, тому що коли бета-випромінювання для розпаду було вперше виявлено, ніхто не знав, що це за частка. Крім того, називати їх бета-частинками корисно, оскільки це нагадує вам, що це відбувається в процесі бета-розпаду, і це може бути корисно, коли ви намагаючись запам'ятати, що відбувається в кожному - позитивна бета-частинка виділяється при розпаді бета-плюс, а негативна бета-частинка виділяється в бета-мінусі розпад. Хоча в цьому випадку нейтрино є частинкою антиматерії, але знову ж таки в процесі виділяється одна антиматерія та одна звичайна частинка речовини.

Розрахувати енергію, що виділяється при цьому типі бета-розпаду, дещо простіше, оскільки зайвий електрон, яким володіє дочірній атом, анулюється разом з електроном, втраченим в результаті бета-емісії. Це означає, що для обчислення ∆м, ви просто віднімаєте масу дочірнього атома від маси батьківського атома, а потім множите на швидкість світла в квадраті (c​²), як і раніше, виражається в мегаелектронвольтах на одиницю атомної маси.

Останній тип бета-розпаду досить сильно відрізняється від перших двох. При захопленні електрона протон «поглинає» електрон і перетворюється на нейтрон, з виходом електронного нейтрино. Отже, це зменшує атомне число (тобто кількість протонів) на одиницю і збільшує кількість нейтронів на одиницю.

Це може здатися, що це порушує модель дотепер, коли виділяється одна речовина та одна частинка антиматерії, але це дає підказку про фактичну причину цього балансу. “Лептонове число” (яке можна сприймати як число “сімейства електронів”) зберігається, а електрон або електронне нейтрино має лептонне число 1, тоді як позитрон або електронне антинейтрино має лептонне число −1.

Ви повинні бачити, що всі інші процеси виконують це легко. Для захоплення електрона число лептона зменшується на 1, коли електрон захоплюється, тому, щоб збалансувати це, повинна випромінюватися частинка з числом лептона 1.

Розрахувати енергію, що виділяється при захопленні електронів, досить просто: оскільки електрон походить від материнського атома, вам не потрібно турбуватися про те, щоб врахувати різницю в кількості електронів між батьком і дочкою атоми. Ви знайдете ∆мпростим відніманням маси дочірнього атома від маси батьківського атома. Вираз для процесу зазвичай буде записаний з електроном ліворуч, але просте правило нагадує вам, що це насправді є частиною батьківського атома з точки зору маси.

Гамма-розпад включає випромінювання фотона високої енергії (електромагнітне випромінювання), але кількість протонів та нейтронів в атомі не змінюється в результаті процесу. Це аналогічно випромінюванню фотона, коли електрон переходить із вищого енергетичного стану в нижчий енергетичний, але перехід у цьому випадку відбувається в ядрі атома.

Як і в аналогічній ситуації, перехід від вищого енергетичного стану до нижчого енергетичного стану врівноважується випромінюванням фотона. Вони мають енергію понад 10 кэВ і зазвичай їх називають гамма-променями, хоча визначення насправді не є суворим (наприклад, діапазон енергій перекривається рентгенівськими променями).

Альфа- або бета-випромінювання може залишити ядро ​​у більш енергетичному збудженому стані, і енергія, що виділяється в результаті цих процесів, здійснюється у формі гамма-променів. Однак ядро ​​може також опинитися в стані вищої енергії після зіткнення з іншим ядром або ураження нейтроном. Результат у всіх випадках однаковий: Ядро переходить зі свого збудженого стану в нижчий енергетичний стан і при цьому вивільняє гамма-промені.

Уран-238 розпадається на торій-234 з виділенням альфа-частинки (тобто ядра гелію), і це один з найбільш відомих прикладів радіоактивного розпаду. Процес може бути представлений у вигляді:

Для того, щоб підрахувати, скільки енергії виділяється в цьому процесі, вам знадобляться атомні маси: ²³⁸U = 238,05079 аму, ²³⁴Th = 234,04363 аму і ⁴Він = 4,00260 аму, з усіма масами, вираженими в атомних одиницях маси. Тепер, щоб з’ясувати, скільки енергії виділяється в процесі, все, що вам потрібно зробити, це знайти ∆мвіднімаючи маси продуктів від маси вихідного материнського атома, а потім обчислити кількість енергії, яку це представляє.

Радіоактивний розпад часто відбувається в ланцюгах, з кількома кроками між початковою і кінцевою точками. Ці ланцюги розпаду є довгими і потребують багатьох кроків для підрахунку, скільки енергії виділяється за весь процес, але взяття частини такого ланцюга ілюструє підхід.

Якщо подивитися на ланцюг розпаду торію-232, поблизу кінця ланцюга, нестійке ядро ​​(тобто атом нестійкого ізотопу, з короткий період напіввиведення) вісмуту-212 зазнає бета-мінус розпаду до полонію-212, який потім зазнає альфа-розпаду до свинцю-208, стабільного ізотоп. Ви можете розрахувати енергію, що виділяється в цьому процесі, виконуючи її поетапно.

По-перше, розпад бета-мінус від вісмуту-212 (м= 211,99129 аму) в полоній-212 (м= 211,98887 amu) дає:

Пам'ятаючи, що зміна електронних чисел припиняється при розпаді бета-мінус. Це випускає:

Наступний етап - альфа-розпад від полонію-212 до свинцю-208 (м= 207,97665 аму) і одне ядро ​​гелію.

А енергія така:

Тоді в загальній складності виділяється 2,25 МеВ + 8,96 МеВ = 11,21 МеВ енергії, що виділяється в процесі. Звичайно, якщо ви будете обережні (включаючи альфа-частинку та додаткові електрони, якщо ваш процес включає розпад бета-плюс), ви можна розрахувати різницю в масі за один крок, а потім перетворити, але цей підхід говорить вам про енергію, що виділяється на кожному етап.