Typer af radioaktivt forfald: Alpha, Beta, Gamma

Radioactive
er et ord, der ikke er så godt forstået. Overvældet af frygt og i sig selv tilsyneladende fremmed og farlig, er karakteren af radioaktivt forfald noget, der er værd at lære om, om du er fysikstuderende eller bare en interesseret lægmand.

Virkeligheden er, at radioaktivitet i det væsentlige beskriver atomreaktioner der fører til en ændring i atomnummeret for et element og /eller en frigivelse af gammastråling. Det er farligt i store mængder, fordi den frigjorte stråling er "ioniserende" (dvs. den har nok energi til at fjerne elektroner fra atomer), men det er et interessant fysisk fænomen, og i praksis vil de fleste mennesker aldrig være omkring radioaktive materialer nok til at være i fare .

Kerner kan opnå en lavere energitilstand ved fusion - det er når to kerner smelter sammen for at skabe en tungere kerne, der frigiver energi i processen - eller ved fission, som er opdeling af tunge elementer i lysere . Fission er kilden til energien i nukleare reaktorer og også i nukleare våben, og det er især hvad de fleste forestiller sig, når de tænker på radioaktivitet. Men det meste af tiden, når kerner skifter til en lavere energitilstand i naturen, er det nede til radioaktivt forfald.

Der er tre typer af radioaktivt forfald: alfa-forfald, beta-henfald og gamma-henfald, skønt beta-forfald i i sig selv findes i tre forskellige typer. At lære om disse former for nukleart forfald er en vigtig del af ethvert kursus i nuklearfysik.
Alpha Decay

Alfa-forfald opstår, når en kerne udsender det, der kaldes en "alfa-partikel" (α-partikel). En alfapartikel er en kombination af to protoner og to neutroner, som hvis du kender din periodiske tabel, du vil genkende som en heliumkerne.

Processen er ret let at forstå med hensyn til masse og egenskaber det resulterende atom: Det mister fire fra sit massetal (to fra protonerne og to fra elektronerne) og to fra dets atomnummer (fra de to tabte protoner). Dette betyder, at det originale atom (dvs. "overordnede" kerne) bliver et andet element (baseret på "datter" -kernen) efter at have gennemgået alfa-forfald.

Når du beregner den energi, der frigøres i alfa-forfald, har du brug for at trække massen af heliumkernen og datteratomet ud fra massen af moderatomet og konvertere dette til en energiverdi ved hjælp af Einsteins berømte ligning E
\u003d mc
^{2. Det er normalt lettere at udføre denne beregning, hvis du arbejder i atommasseenheder (amu) og multiplicerer den manglende masse med faktoren c
2 \u003d 931.494 MeV /amu. Dette returnerer en værdi af energi i MeV (dvs. mega-elektronvolt), hvor en elektronvolt er lig med 1,602 × 10 - 9 joules og generelt en mere praktisk enhed til at arbejde med energier i atomskalaen.
Beta-henfald: Beta-Plus forfald (Positron-emission)}

Da beta-henfald har tre forskellige sorter, er det nyttigt at lære om hver enkelt tur, selvom der er mange ligheder mellem dem. Beta-plus-henfald er, når en proton forvandles til en neutron med frigivelse af en beta-plus-partikel (dvs. en ß + -partikel) sammen med en uladet, næsten masseløs partikel kaldet en neutrino. Som et resultat af denne proces vil datteratomet have et mindre proton og et mere neutron end moderatomet, men det samme samlede massetal.

Betaplus-partiklen kaldes faktisk en positron, som er antimateriepartiklen svarende til elektronet. Det har en positiv ladning i samme størrelse som den negative ladning på elektronet og den samme masse som et elektron. Den frigjorte neutrino kaldes teknisk en elektronneutrino. Bemærk, at en partikel af regelmæssigt stof og en partikel af antimateriale frigøres i denne proces.

Beregning af den energi, der frigøres i denne henfaldsproces, er lidt mere kompliceret end for andre former for henfald, fordi massen af forælderen atom vil indeholde massen af en mere elektron end datteratommets masse. På toppen af dette skal du også trække massen af β + -partiklen, der udsendes under processen. I det væsentlige skal du trække massen af datterpartiklen og to og elektroner fra massen af den overordnede partikel og derefter konvertere til energi som før. Neutrinoen er så lille, at den kan forsømmes.
Beta-forfald: Beta-Minus-forfald

Beta-minus-forfald er i det væsentlige den modsatte proces med beta-plus forfald, hvor en neutron bliver til en proton , der frigiver en beta-minus-partikel (en β-partikel) og en elektron-antineutrino i processen. På grund af denne proces vil datteratomet have et mindre neutron og et mere proton end det overordnede atom.

β− partiklen er faktisk et elektron, men den har et andet navn i denne sammenhæng, fordi når beta emission til forfald blev først opdaget, ingen vidste, hvad partiklen faktisk var. Derudover er det nyttigt at kalde dem beta-partikler, fordi det minder dig om, at det kommer fra beta-henfaldsprocessen, og det kan være nyttigt, når du prøver at huske, hvad der sker i hver - den positive beta-partikel frigives i beta-plus henfald og den negative beta-partikel frigøres i beta-minus forfald. I dette tilfælde er neutrinoen dog en antimateriepartikel, men igen frigøres en antimaterie og en almindelig stofpartikel i processen.

Beregning af den energi, der frigives i denne type beta-forfald, er lidt enklere, fordi den ekstra elektron, som datteratomet besidder, annulleres med det elektron, der er tabt i beta-emissionen. Dette betyder, at for at beregne ∆ m
, trækker du simpelthen massen af datteratomet fra det forælderatom og ganges derefter med hastigheden på det kvadratiske lys ( c
^{2 ), som før, udtrykt i mega-elektronvolt pr. atommasseenhed.
Beta-henfald - Elektronoptagelse}

Den sidste type beta-henfald er meget forskellig fra de to første. Ved elektronoptagelse "absorberer" et proton en elektron og bliver til en neutron med frigivelse af en elektronneutrino. Dette reducerer derfor atomantalet (dvs. antallet af protoner) med én og øger antallet af neutroner med én.

Dette kan se ud som om det krænker mønsteret indtil videre, idet en sag og en antimateriepartikel er udsendt, men det giver et tip om den faktiske årsag til denne balance. "Lepton-nummeret" (som du kan tænke på som et "elektronfamilien" -nummer) bevares, og en elektron- eller elektronneutrino har et lepton-nummer på 1, mens positron- eller elektron-antineutrino har et lepton-tal på -1.

Du skal kunne se, at alle de andre processer let opfylder dette. Ved elektronoptagelse falder leptontallet med 1, når elektronet fanges, så for at afbalancere dette skal en partikel med et leptonantal på 1 udsendes.

Beregning af den energi, der frigøres ved elektronfangst, er ret simpelt : Fordi elektronet kommer fra overordnede atom, behøver du ikke at bekymre dig om at redegøre for forskellen i antallet af elektroner mellem forældre- og datteratomer. Du finder ∆ m
ved simpelthen at trække massen af datteratom fra den fra moderatomet. Udtrykket til processen vil normalt blive skrevet med elektronet på venstre side, men den enkle regel minder dig om, at dette faktisk er en del af moderatomet med hensyn til massen.
Gamma Decay

Gamma-henfald involverer emissionen af et højenergi-foton (elektromagnetisk stråling), men antallet af protoner og neutroner i atomet ændrer ikke som et resultat af processen. Det er analogt med emissionen af et foton, når en elektron overgår fra en højere energitilstand til en lavere energitilstand, men overgangen i dette tilfælde finder sted i atomkernen.

Ligesom i den analoge situation overgangen fra en højere energitilstand til en lavere energitilstand afbalanceres ved udsendelse af en foton. Disse har energier over 10 keV og kaldes generelt gamma-stråler, selvom definitionen ikke rigtig er streng (energiområdet overlapper for eksempel røntgenstråler).

Alpha- eller beta-emission kan efterlade en kerne i en højere energi, ophidset tilstand, og den energi, der frigøres som et resultat af disse processer, udføres i form af gammastråler. Imidlertid kan kernen også ende i en tilstand med højere energi efter kollision med en anden kerne eller er ramt af en neutron. Resultatet er i alle tilfælde det samme: Kernen falder fra sin ophidsede tilstand til en lavere energitilstand og frigiver gammastråler under processen.
Eksempler på radioaktivt forfald - Uran

Uran-238 nedbrydes til thorium -234 med frigivelse af en alfa-partikel (dvs. en heliumkerne), og dette er et af de mest kendte eksempler på radioaktivt henfald. Processen kan repræsenteres som:
^ {238} \\ tekst {U} \\ til \\; ^ {234} \\ tekst {Th} + \\; ^ 4 \\ tekst {He}

For at beregne, hvordan der frigives meget energi i denne proces, du har brug for atommasserne: ^{238U \u003d 238.05079 amu, 234Th \u003d 234.04363 amu og 4He \u003d 4.00260 amu, med alle masserne udtrykt i atommasseenheder . For nu at finde ud af, hvor meget energi der frigives i processen, er alt hvad du skal gøre at finde ∆ m
ved at trække masserne af produkterne fra massen af det originale overordnede atom og derefter beregne mængden af energi, dette repræsenterer.
\\ begynde {justeret} ∆m & \u003d \\ tekst {(masse af overordnet)} - \\ tekst {(masse af produkter)} \\\\ & \u003d 238.05079 \\ text {amu} - 234.04363 \\ tekst { amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ & \u003d 0,00456 \\ text {amu} \\\\ E & \u003d ∆mc ^ 2 \\\\ & \u003d 0,00456 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ & \u003d 4.25 \\ text {MeV} \\ end {alignet} Eksempel på multi-trin radioaktivt henfald}

Radioaktivt henfald sker ofte i kæder, med flere trin mellem startpunktet og slutpunktet. Disse henfaldskæder er lange og vil kræve mange trin for at beregne, hvor meget energi der frigives i hele processen, men at tage et stykke af en sådan kæde illustrerer fremgangsmåden.

Hvis du ser på forfaldskæden af thorium- 232, tæt på slutningen af kæden, gennemgår en ustabil kerne (dvs. et atom i en ustabil isotop med en kort halveringstid) af bismuth-212 beta-minus forfald til polonium-212, som derefter gennemgår alfa-forfald til bly-208, en stabil isotop. Du kan beregne energien frigivet i denne proces ved at tage den trin for trin.

Først beta-minus forfald fra bismuth-212 ( m
\u003d 211.99129 amu) til polonium-212 ( m
\u003d 211.98887 amu) giver:
\\ begynde {justeret} ∆m & \u003d \\ tekst {(masse af forælder)} - \\ tekst {(masse af datter)} \\\\ & \u003d 211.99129 \\ tekst {amu} - 211.98887 \\ text {amu} \\\\ & \u003d 0,00242 \\ text {amu} \\ end {alignet}

Husk at ændringen i elektronnumre annulleres i beta-minus forfald. Det frigiver:
\\ begynde {justert} E & \u003d ∆mc ^ 2 \\\\ & \u003d 0.00242 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ & \u003d 2.25 \\ text {MeV} \\ end { justeret}

Det næste trin er alfa-forfald fra polonium-212 til bly-208 ( m
\u003d 207.97665 amu) og en heliumkerne.
\\ begin {align} ∆m & \u003d \\ tekst {(masse af forælder)} - \\ tekst {(masse af produkter)} \\\\ & \u003d 211.98887 \\ text {amu} - 207.97665 \\ text {amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ & \u003d 0.00962 \\ text { amu} \\ end {alignet}

Og energien er:
\\ begynde {justeret} E & \u003d ∆mc ^ 2 \\\\ & \u003d 0.00962 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\ \\ & \u003d 8.96 \\ text {MeV} \\ end {alignet}

I alt er der 2,25 MeV + 8,96 MeV \u003d 11,21 MeV energi frigivet i processen. Hvis du er forsigtig (inklusive alfa-partiklen og yderligere elektroner, hvis din proces inkluderer et beta-plus-forfald), kan du selvfølgelig beregne forskellen i masse i et enkelt trin og derefter konvertere, men denne fremgangsmåde fortæller dig den frigjorte energi på hvert trin.