Radioactieve desintegratie van elementen

De structuur van het heelal Radioactieve desintegratie in de context van de structuur van het heelal

De vorming van het universum leidde tot de vorming van verschillende elementen die vatbaar zijn voor nucleaire transformaties . Elke radioactieve desintegratie die we kunnen beschrijven, kan ons veel informatie geven over onderwerpen die nauw verband houden met een bepaalde kern (de structuur, bestaande energietoestanden en interacties), maar geeft ook informatie over de oorsprong van het universum. Het is empirisch bewezen dat er drie hoofdtypen straling zijn, die worden verdeeld door het vermogen om door materie heen te dringen:

1. Alfa (α) straling , die de vorm heeft van heliumkernen en een lage permeabiliteit vertoont, wat in de praktijk betekent dat het moeilijk is om door een dun vel papier te dringen;
2. Bètastraling (β) , die wordt beschreven als elektronen of positronen met dezelfde massa maar een tegengestelde lading, kan tot ca. 3mm;
3. Gamma (γ) straling , wat overeenkomt met fotonen, heeft het beste penetratievermogen dat vergelijkbaar is met de penetratie in lood tot twee of meer centimeter.

Geschiedenis van radioactieve desintegraties

De geschiedenis van radioactieve desintegraties werd geïnitieerd door Antoine Becquerel, die in 1896 opmerkte dat als we een uraniumrijke rots in een gesloten doos met een fotografische film plaatsen, de film donker wordt. Hij concludeerde dat dit werd veroorzaakt door de emissie van stralen die onzichtbaar zijn voor het blote oog. Met de kennis van vandaag kunnen we ten minste drie argumenten geven die de nucleaire oorsprong van dergelijke stralen suggereren:

1. Chemische toestand : de vorm van een bepaald element in een vrije staat of in een chemische verbinding heeft geen invloed op het radioactieve vermogen ervan;
2. Externe factoren die de elektronen in het atoom beïnvloeden , zoals druk of temperatuur, hebben geen invloed op de radioactieve eigenschappen;
3. De algemeen bekende elektronenovergangen in het atoom genereren niet zulke enorme hoeveelheden energie die miljoenen elektronvolts kunnen bereiken.

Tegenwoordig wordt straling gedefinieerd als processen van nucleaire aard die massa in energie veranderen.

Alfa-, bèta- en gammastraling

De elektrische eigenschappen van straling kunnen worden waargenomen dankzij hun bewegingen die plaatsvinden in een homogeen magnetisch veld. De identificatie van elk type straling met hun corresponderende moleculen is gebaseerd op de formule voor de Lorentz magnetische kracht . Uitgaande van een horizontale emissie vanaf het punt van een radioactieve bron, hellen de deeltjes met een positieve lading naar boven, die met een negatieve lading naar beneden, en de deeltjes zonder lading dringen door het magnetische veld, zonder het pad van emissie te beïnvloeden. Alfastraling komt overeen met de emissie van een ⁴ He heliumkern . Bètastraling kan op twee manieren voorkomen: in de vorm van elektronen (β ^– ) of positronen (β ⁺ ). Gammastraling bepaalt een hoogenergetische emissie van fotonen.

Alfa desintegratie

Het wordt gekenmerkt door gewicht en chemisch onstabiele kernen. Tijdens het uiteenvallen verliest de kern twee protonen en hetzelfde aantal neutronen, wat inhoudt dat het atoomnummer met twee en het massagetal met vier eenheden wordt verminderd. Het resultaat van die transformatie is een heliumatoom. De uitzendende kern wordt de primaire kern genoemd en degene die tijdens de desintegratie wordt geproduceerd, wordt de secundaire kern genoemd. De basisnotatie van alfa-radioactieve desintegratie kan als volgt worden weergegeven: Het eerste deel van een dergelijke notatie, dat wil zeggen , vormt de primaire kern, de secundaire kern is , terwijl het alfadeeltje is. Een voorbeeld van alfa-desintegratie kan een transformatie zijn van de uraniumisotoop ²³⁸ U, waarbij het atoomnummer met twee wordt verminderd. De desintegratie kan worden genoteerd als de volgende vergelijking: De energie die vrijkomt bij alfa-desintegratie is gelijk aan de kinetische energie van de kernen van helium en thorium. Door de massa van thoriumkernen, en dus hun lagere snelheid, is de kinetische energie van heliumkernen hoger.

Bèta desintegratie

Dit kan op twee manieren gebeuren: met de emissie van elektronen of positronen. Hun ladingen zijn tegengesteld, maar hun massa is identiek , dus soms kan naar een positron worden verwezen als anti-elektron. Bij het beschouwen van de bèta-radioactieve desintegratie gebruikten wetenschappers meestal het model van een molecuul (een elektron of positron) dat in de kern is begrensd en dat eruit ontsnapt tijdens de desintegratie. Deze aanname is in twijfel getrokken, aangezien op basis van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg de kinetische energie van een elektron werd geschat op iets meer dan tien GeV. Het is echter empirisch bewezen dat het gelijk is aan slechts enkele megaelektronovolts. Dit betekent dat de bèta-desintegratie niet bestaat in het ontsnappen van een molecuul, maar in de transformatie van het ene nucleon in het andere. Bij het analyseren van de desintegratie van een neutron kunnen we de volgende overgang waarnemen: Het elektron, genoteerd als , heeft een massagetal gelijk aan 0 en een atoomnummer. Dit betekent dat het een vrijwel massaloos molecuul is met een negatieve lading. Het proton heeft beide getallen gelijk aan één. De aanwezigheid van een neutrino (v) is vereist gezien de wetten van behoud van energie en momentum. Dergelijke transformaties die in de kern plaatsvinden, veroorzaken zwakke nucleaire interacties. Een voorbeeld van een isotoop die onderhevig is aan beta-desintegratie is de , die uiteenvalt door een β ^– emissie volgens de volgende vergelijking: Een omgekeerd proces, waarbij een positron wordt geproduceerd, vindt bijvoorbeeld plaats in een isotoop van aluminium:

Gamma-desintegratie

De term "gamma-desintegratie" verwijst naar een desintegratie die optreedt wanneer een aangeslagen kern overgaat in een toestand met een lagere energie, wat resulteert in de emissie van fotonen . Zo’n overgang is vergelijkbaar met de overgang van elektronen naar lagere energieniveaus en kan worden aangegeven met symbolen, waarbij * staat voor de aangeslagen toestand: De massa- en atoomnummers veranderen niet tijdens gamma-desintegratie. De enige verandering betreft het type kern.

Radioactieve elementen

Hun atomen vallen spontaan uiteen en zenden deeltjes of stralen uit. Dit gaat vaak gepaard met de emissie van warmte en licht. In de natuur kunnen we vier groepen radioactieve elementen waarnemen: thorides, neptuniden, uraniden en actiniden, waarvan de namen zijn afgeleid van de oorspronkelijke elementen. Voorbeelden zijn onder meer:

1. Polonium – een product van atomaire desintegraties, meestal met uranium-238. Het is een bron van alfastraling en wordt gebruikt als energiebron in satellieten.
2. Radon – geproduceerd als gevolg van de desintegratie van radium, waarvan de isotoop met een atoommassa van 222 wordt gebruikt bij de behandeling van ernstige gevallen van kanker.

De radioactieve serie

Aangenomen wordt dat alle kernen met een atoomnummer hoger dan 82 onstabiel zijn en onderhevig aan spontane desintegratie. De meeste van hen worden ook gekenmerkt door een korte levenscyclus, dus ze worden niet waargenomen in de natuur. Er zijn echter enkele belangrijke uitzonderingen, zoals en , waarvan de halfwaardetijd respectievelijk 1,39·10 ¹⁰ jaar en 7,04·10 ⁸ jaar is. Het verval van zware kernen kan leiden tot een lange reeks desintegraties, aangezien elke geproduceerde secundaire kern de primaire kern kan worden bij een volgende desintegratie, totdat een stabiele kern is gevormd. Dit proces wordt de radioactieve reeks genoemd.