Promieniowanie alfa i beta jest ogólnie nazywane rozpadami radioaktywnymi. Jest to proces, który polega na emisji cząstek subatomowych z jądra, zachodzącej z ogromną prędkością. W rezultacie atom lub jego izotop może zmieniać się z jednego pierwiastka chemicznego na inny. Rozpady alfa i beta jąder są charakterystyczne dla pierwiastków niestabilnych. Należą do nich wszystkie atomy o liczbie ładunku większej niż 83 i liczbie masowej większej niż 209.
Warunki reakcji
Rozkład, podobnie jak inne przemiany radioaktywne, jest naturalny i sztuczny. Ta ostatnia występuje z powodu wniknięcia jakiejś obcej cząstki do jądra. Ile rozpadów alfa i beta może przejść atom, zależy tylko od tego, jak szybko zostanie osiągnięty stan stabilny.
W naturalnych warunkach występują rozpady alfa i beta minus.
W sztucznych warunkach występują neutrony, pozytony, protony i inne, rzadsze typy rozpadów i przemiany jąder.
Nazwy te zostały nadane przez Ernesta Rutherforda, który badał promieniowanie radioaktywne.
Różnica między stabilnością a niestabilnościąrdzeń
Zdolność do rozpadu zależy bezpośrednio od stanu atomu. Tak zwane „stabilne” lub nieradioaktywne jądro jest charakterystyczne dla atomów nierozkładających się. Teoretycznie takie elementy można obserwować w nieskończoność, aby ostatecznie przekonać się o ich stabilności. Jest to wymagane, aby oddzielić takie jądra od niestabilnych, które mają wyjątkowo długi okres półtrwania.
Przez pomyłkę, taki „wolny” atom można pomylić ze stabilnym. Jednak tellur, a dokładniej jego izotop numer 128, którego okres półtrwania wynosi 2,2·1024 lat, może być uderzającym przykładem. Ten przypadek nie jest odosobniony. Lantan-138 ma okres półtrwania 1011 lat. Okres ten jest trzydziestokrotnie dłuższy od istniejącego wszechświata.
Istota rozpadu promieniotwórczego
Ten proces odbywa się losowo. Każdy rozpadający się radionuklid uzyskuje stałą szybkość w każdym przypadku. Tempo zaniku nie może ulec zmianie pod wpływem czynników zewnętrznych. Nie ma znaczenia, czy reakcja zajdzie pod wpływem ogromnej siły grawitacyjnej, w zera absolutnym, w polu elektrycznym i magnetycznym, podczas jakiejkolwiek reakcji chemicznej i tak dalej. Na proces ten można wpłynąć jedynie poprzez bezpośrednie oddziaływanie na wnętrze jądra atomowego, co jest praktycznie niemożliwe. Reakcja jest spontaniczna i zależy tylko od atomu, w którym zachodzi oraz od jego stanu wewnętrznego.
Odnosząc się do rozpadów promieniotwórczych, często używany jest termin „radionuklid”. Dla tych, którzy nie sązaznajomiony z nim, powinieneś wiedzieć, że to słowo oznacza grupę atomów, które mają właściwości radioaktywne, własną liczbę masową, liczbę atomową i stan energetyczny.
Różne radionuklidy są wykorzystywane w technicznych, naukowych i innych dziedzinach ludzkiego życia. Na przykład w medycynie elementy te są wykorzystywane do diagnozowania chorób, przetwarzania leków, narzędzi i innych przedmiotów. Istnieje nawet wiele terapeutycznych i prognostycznych leków radiowych.
Nie mniej ważna jest definicja izotopu. To słowo odnosi się do specjalnego rodzaju atomów. Mają taką samą liczbę atomową jak zwykły pierwiastek, ale inną liczbę masową. Różnica ta jest spowodowana liczbą neutronów, które nie wpływają na ładunek, jak protony i elektrony, ale zmieniają swoją masę. Np. prosty wodór ma ich aż 3. Jest to jedyny pierwiastek, którego izotopom nadano nazwy: deuter, tryt (jedyny radioaktywny) i prot. W innych przypadkach nazwy są podawane zgodnie z masami atomowymi i pierwiastkiem głównym.
Rozpad alfa
To rodzaj reakcji radioaktywnej. Jest to typowe dla pierwiastków naturalnych z szóstego i siódmego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych. Specjalnie dla elementów sztucznych lub transuranowych.
Elementy podlegające rozpadowi alfa
Liczba metali charakteryzujących się tym rozpadem obejmuje tor, uran i inne pierwiastki z szóstego i siódmego okresu z układu okresowego pierwiastków chemicznych, licząc od bizmutu. Procesowi podlegają również izotopy spośród ciężkichprzedmioty.
Co się dzieje podczas reakcji?
Kiedy zaczyna się rozpad alfa, emisja z jądra cząstek składających się z 2 protonów i pary neutronów. Sama emitowana cząstka jest jądrem atomu helu o masie 4 jednostek i ładunku +2.
W rezultacie pojawia się nowy pierwiastek, który znajduje się dwie komórki na lewo od oryginału w układzie okresowym. Taki układ wynika z faktu, że pierwotny atom stracił 2 protony, a wraz z nim ładunek początkowy. W rezultacie masa powstałego izotopu jest zmniejszona o 4 jednostki masy w porównaniu ze stanem początkowym.
Przykłady
Podczas tego rozpadu z uranu powstaje tor. Z toru powstaje rad, z niego radon, z którego w końcu powstaje polon, aw końcu ołów. W procesie tym powstają izotopy tych pierwiastków, a nie one same. Okazuje się więc, że uran-238, tor-234, rad-230, radon-236 i tak dalej, aż do pojawienia się stabilnego pierwiastka. Wzór na taką reakcję jest następujący:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Prędkość wybranej cząstki alfa w momencie emisji wynosi od 12 do 20 tys. km/s. Będąc w próżni taka cząsteczka okrąży kulę ziemską w ciągu 2 sekund, poruszając się wzdłuż równika.
Rozpad beta
Różnica między tą cząstką a elektronem polega na miejscu pojawienia się. Rozpad beta zachodzi w jądrze atomu, a nie w otaczającej go powłoce elektronowej. Najczęstsza ze wszystkich istniejących przemian promieniotwórczych. Można to zaobserwować w prawie wszystkich obecnie istniejącychpierwiastki chemiczne. Wynika z tego, że każdy pierwiastek ma co najmniej jeden ulegający rozpadowi izotop. W większości przypadków zanik beta powoduje zanik beta-minus.
Przepływ reakcji
W tym procesie elektron jest wyrzucany z jądra, które powstało w wyniku spontanicznej przemiany neutronu w elektron i proton. W tym przypadku, ze względu na większą masę, protony pozostają w jądrze, a elektron, zwany cząsteczką beta minus, opuszcza atom. A ponieważ na jednostkę przypada więcej protonów, jądro samego pierwiastka zmienia się w górę i znajduje się na prawo od oryginału w układzie okresowym.
Przykłady
Rozpad beta z potasem-40 zamienia go w izotop wapnia, który znajduje się po prawej stronie. Radioaktywny wapń-47 staje się skandem-47, który może przekształcić się w stabilny tytan-47. Jak wygląda ten rozpad beta? Formuła:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Prędkość cząstki beta jest 0,9 razy większa od prędkości światła, czyli 270 000 km/s.
W naturze nie ma zbyt wielu nuklidów beta-aktywnych. Jest bardzo mało znaczących. Przykładem jest potas-40, który w naturalnej mieszaninie wynosi tylko 119/10 000. Ponadto, wśród znaczących naturalnych radionuklidów aktywnych beta-minus znajdują się produkty rozpadu alfa i beta uranu i toru.
Rozpad beta ma typowy przykład: tor-234, który w rozpadzie alfa zamienia się w protaktyn-234, a następnie w ten sam sposób staje się uranem, ale jego drugim izotopem o numerze 234. Ten uran-234 ponownie dzięki alfa rozkład staje siętor, ale już inna jego odmiana. Ten tor-230 staje się radem-226, który zamienia się w radon. I w tej samej kolejności, aż do talu, tylko z różnymi przejściami beta z powrotem. Ten radioaktywny rozpad beta kończy się utworzeniem stabilnego ołowiu-206. Ta transformacja ma następującą formułę:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206
Naturalne i znaczące radionuklidy beta-aktywne to K-40 i pierwiastki od talu do uranu.
Rozpad beta-plus
Istnieje również transformacja beta plus. Nazywa się to również rozpadem beta pozytonów. Emituje z jądra cząsteczkę zwaną pozytonem. Rezultatem jest przekształcenie oryginalnego elementu w ten po lewej, który ma niższą liczbę.
Przykład
Kiedy następuje rozpad beta elektronów, magnez-23 staje się stabilnym izotopem sodu. Radioaktywny europ-150 staje się samarem-150.
Wynikowa reakcja rozpadu beta może powodować emisje beta+ i beta-. Prędkość ucieczki cząstek w obu przypadkach jest 0,9 razy większa od prędkości światła.
Inne rozpady promieniotwórcze
Oprócz takich reakcji jak rozpad alfa i rozpad beta, których wzór jest powszechnie znany, istnieją inne procesy, które są rzadsze i bardziej charakterystyczne dla sztucznych radionuklidów.
Rozpad neutronów. Emitowana jest neutralna cząsteczka 1 jednostkiszerokie rzesze. W tym czasie jeden izotop zamienia się w inny o mniejszej liczbie masowej. Przykładem może być konwersja litu-9 do litu-8, helu-5 do helu-4.
Gdy stabilny izotop jodu-127 zostaje napromieniowany promieniami gamma, staje się izotopem numer 126 i staje się radioaktywny.
Rozpad protonu. Jest niezwykle rzadki. W tym czasie emitowany jest proton o ładunku +1 i 1 jednostce masy. Masa atomowa zmniejsza się o jedną wartość.
Każdej przemianie promieniotwórczej, w szczególności rozpadom promieniotwórczym, towarzyszy uwolnienie energii w postaci promieniowania gamma. Nazywają to promieniami gamma. W niektórych przypadkach obserwuje się promieniowanie rentgenowskie o niższej energii.
Zanik gamma. Jest to strumień kwantów gamma. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne, twardsze niż promieniowanie rentgenowskie, które stosuje się w medycynie. W efekcie pojawiają się kwanty gamma, czyli energia wypływa z jądra atomowego. Promienie rentgenowskie są również elektromagnetyczne, ale pochodzą z powłok elektronowych atomu.
Uruchamiają się cząstki alfa
Cząstki alfa o masie 4 jednostek atomowych i ładunku +2 poruszają się po linii prostej. Dzięki temu możemy mówić o zasięgu cząstek alfa.
Wartość biegu zależy od energii początkowej i wynosi od 3 do 7 (czasem 13) cm nad poziomem morza. W gęstym medium jest to jedna setna milimetra. Takie promieniowanie nie może przenikać przez arkuszpapier i ludzka skóra.
Ze względu na swoją masę i liczbę ładunków, cząsteczka alfa ma najwyższą moc jonizacji i niszczy wszystko na swojej drodze. Pod tym względem radionuklidy alfa są najbardziej niebezpieczne dla ludzi i zwierząt w kontakcie z ciałem.
Przenikanie cząstek beta
Ze względu na małą liczbę masową, która jest 1836 razy mniejsza niż proton, ładunek ujemny i rozmiar, promieniowanie beta ma słaby wpływ na substancję, przez którą przelatuje, ale ponadto lot jest dłuższy. Również droga cząstki nie jest prosta. W związku z tym mówią o zdolności penetracji, która zależy od otrzymywanej energii.
Przenikalność cząstek beta powstałych podczas rozpadu promieniotwórczego sięga w powietrzu 2,3 m, w cieczach liczona jest w centymetrach, a w ciałach stałych - w ułamkach centymetra. Tkanki ludzkiego ciała przenoszą promieniowanie na głębokość 1,2 cm. Do ochrony przed promieniowaniem beta może służyć prosta warstwa wody do 10 cm Przepływ cząstek o wystarczająco wysokiej energii rozpadu 10 MeV jest prawie całkowicie pochłaniany przez takie warstwy: powietrze - 4 m; aluminium - 2,2 cm; żelazo - 7,55 mm; ołów - 5, 2 mm.
Biorąc pod uwagę ich mały rozmiar, cząstki promieniowania beta mają niską zdolność jonizacji w porównaniu do cząstek alfa. Jednak po spożyciu są znacznie bardziej niebezpieczne niż podczas ekspozycji na zewnątrz.
Neutron i gamma mają obecnie najwyższą skuteczność penetracji spośród wszystkich rodzajów promieniowania. Zasięg tych promieniowań w powietrzu sięga niekiedy dziesiątek i setekmetrów, ale z niższą wydajnością jonizacji.
Większość izotopów promieniowania gamma nie przekracza 1,3 MeV energii. Rzadko osiągane są wartości 6,7 MeV. W związku z tym, w celu ochrony przed takim promieniowaniem, jako współczynnik tłumienia stosuje się warstwy stali, betonu i ołowiu.
Na przykład, aby zredukować dziesięciokrotnie kob altowe promieniowanie gamma, konieczne jest ekranowanie ołowiem o grubości około 5 cm, dla stukrotnego tłumienia wymagane jest 9,5 cm, ekranowanie betonem będzie miało 33 i 55 cm, a woda - 70 i 115 cm.
Wydajność jonizacji neutronów zależy od ich wydajności energetycznej.
W każdej sytuacji najlepszym sposobem ochrony przed promieniowaniem jest trzymanie się jak najdalej od źródła i spędzanie jak najmniej czasu w obszarze wysokiego promieniowania.
Rozszczepienie jąder atomowych
Pod rozszczepieniem jąder atomów rozumie się spontaniczny lub pod wpływem neutronów podział jądra na dwie części, w przybliżeniu równej wielkości.
Te dwie części stają się radioaktywnymi izotopami pierwiastków z głównej części tabeli pierwiastków chemicznych. Począwszy od miedzi do lantanowców.
Podczas uwalniania kilka dodatkowych neutronów ucieka i występuje nadmiar energii w postaci kwantów gamma, który jest znacznie większy niż podczas rozpadu radioaktywnego. Tak więc w jednym akcie rozpadu promieniotwórczego pojawia się jeden kwant gamma, a podczas aktu rozszczepienia pojawia się 8, 10 kwantów gamma. Również rozproszone fragmenty mają dużą energię kinetyczną, która zamienia się we wskaźniki termiczne.
Uwolnione neutrony są w stanie wywołać separację pary podobnych jąder, jeśli znajdują się w pobliżu i neutrony w nie uderzają.
Zwiększa to możliwość rozgałęzienia, przyspieszającej reakcji łańcuchowej rozszczepiania jąder atomowych i wytworzenia dużej ilości energii.
Kiedy taka reakcja łańcuchowa jest pod kontrolą, można ją wykorzystać do określonych celów. Na przykład do ogrzewania lub elektryczności. Takie procesy są przeprowadzane w elektrowniach jądrowych i reaktorach.
Jeśli stracisz kontrolę nad reakcją, nastąpi eksplozja atomowa. Podobne jest używane w broni jądrowej.
W warunkach naturalnych jest tylko jeden pierwiastek - uran, który ma tylko jeden rozszczepialny izotop o numerze 235. Jest to klasa broni.
W zwykłym reaktorze atomowym uranu z uranu-238 pod wpływem neutronów tworzą nowy izotop o numerze 239, az niego - pluton, który jest sztuczny i nie występuje naturalnie. W tym przypadku powstały pluton-239 jest używany do celów uzbrojenia. Ten proces rozszczepiania jąder atomowych jest esencją wszystkich broni i energii atomowej.
Zjawiska takie jak rozpad alfa i beta, których formuła jest badana w szkole, są w naszych czasach szeroko rozpowszechnione. Dzięki tym reakcjom powstają elektrownie jądrowe i wiele innych gałęzi przemysłu opartych na fizyce jądrowej. Nie zapominaj jednak o promieniotwórczości wielu z tych pierwiastków. Podczas pracy z nimi wymagana jest szczególna ochrona i przestrzeganie wszystkich środków ostrożności. W przeciwnym razie może to prowadzić do:nieodwracalna katastrofa.
