Rádioaktívny rozpad prvkov

Štruktúra vesmíru Rádioaktívny rozpad v kontexte štruktúry vesmíru

Formovanie vesmíru viedlo k vytvoreniu niekoľkých prvkov, ktoré sú predisponované k jadrovým transformáciám . Každý rádioaktívny rozpad , ktorý dokážeme popísať, nám môže poskytnúť množstvo informácií o témach, ktoré úzko súvisia s konkrétnym jadrom (jeho štruktúra, existujúce energetické stavy a interakcie), ale tiež poskytuje informácie o pôvode vesmíru. Empiricky bolo dokázané, že existujú tri hlavné typy žiarenia, ktoré sa delia podľa schopnosti prenikať hmotou:

1. Alfa (α) žiarenie , ktoré má formu jadier hélia a vykazuje nízku permeabilitu, čo v praxi znamená ťažkosti preniknúť cez tenký list papiera;
2. Beta (β) žiarenie , ktoré sa označuje ako elektróny alebo pozitróny s rovnakou hmotnosťou, ale opačným nábojom, je schopné preniknúť do hliníka až do cca. 3 mm;
3. Gama (γ) žiarenie , čo zodpovedá fotónom, má najlepšiu schopnosť prieniku porovnateľnú s prienikom do olova do výšky dvoch a viac centimetrov.

História rádioaktívnych rozpadov

Históriu rádioaktívnych rozpadov inicioval Antoine Becquerel, ktorý v roku 1896 pozoroval, že ak vložíme horninu bohatú na urán do uzavretej krabice s fotografickým filmom, film stmavne. Dospel k záveru, že to spôsobilo vyžarovanie lúčov, ktoré sú voľným okom neviditeľné. S dnešnými znalosťami môžeme uviesť aspoň tri argumenty naznačujúce jadrový pôvod takýchto lúčov:

1. Chemický stav : forma určitého prvku vo voľnom stave alebo v chemickej zlúčenine neovplyvňuje jeho rádioaktívnu schopnosť;
2. Vonkajšie faktory ovplyvňujúce elektróny v atóme , ako je tlak alebo teplota, neovplyvňujú rádioaktívne vlastnosti;
3. Bežne známe elektrónové prechody v atóme negenerujú také obrovské množstvo energie, ktoré môže dosiahnuť milióny elektrónvoltov.

Žiarenie je dnes definované ako procesy jadrovej povahy, ktoré menia hmotu na energiu.

Alfa, beta a gama žiarenie

Elektrické vlastnosti žiarenia možno pozorovať vďaka ich pohybom prebiehajúcim v homogénnom magnetickom poli. Identifikácia každého typu žiarenia s ich zodpovedajúcimi molekulami je založená na vzorci pre Lorentzovu magnetickú silu . Za predpokladu horizontálnej emisie z bodu rádioaktívneho zdroja sú častice s kladným nábojom naklonené nahor, s negatívnym nábojom nadol a častice bez náboja prenikajú cez magnetické pole, pričom neovplyvňujú dráhu emisie. Alfa žiarenie zodpovedá emisii ⁴ He héliového jadra . Beta žiarenie sa môže vyskytovať dvoma spôsobmi: vo forme elektrónov (β ^– ) alebo pozitrónov (β ⁺ ). Gama žiarenie určuje vysokoenergetickú emisiu fotónov.

Alfa rozpad

Vyznačuje sa hmotnosťou a chemicky nestabilnými jadrami. Počas rozpadu jadro stráca dva protóny a rovnaký počet neutrónov, čo znamená zníženie jeho atómového čísla o dva a hmotnostného čísla o štyri jednotky. Výsledkom tejto transformácie je atóm hélia. Emisné jadro sa nazýva primárne jadro a jadro vytvorené počas rozpadu sa nazýva sekundárne jadro. Základné označenie alfa rádioaktívneho rozpadu možno prezentovať takto: Prvá časť takéhoto zápisu, tj , tvorí primárne jadro, sekundárne jadro je , zatiaľ čo je častica alfa. Príkladom alfa rozpadu môže byť premena izotopu uránu ²³⁸ U, pri ktorej sa atómové číslo zníži o dva. Dezintegráciu možno zaznamenať ako nasledujúcu rovnicu: Energia uvoľnená pri alfa dezintegrácii sa rovná kinetickej energii jadier hélia a tória. Vzhľadom na hmotnosť jadier tória, a teda ich nižšiu rýchlosť, je kinetická energia jadier hélia vyššia.

Beta rozpad

K tomu môže dôjsť dvoma spôsobmi: emisiou elektrónov alebo pozitrónov. Ich náboje sú opačné, ale ich hmotnosť je identická , takže niekedy môže byť pozitrón označovaný ako antielektrón. Pri zvažovaní beta rádioaktívneho rozpadu vedci zvyčajne vychádzali z modelu molekuly (elektrónu alebo pozitrónu) viazanej v jadre, ktorá z neho pri rozpade uniká. Tento predpoklad bol spochybnený, pretože na základe Heisenbergovho princípu neurčitosti bola kinetická energia elektrónu odhadnutá na niečo viac ako desať GeV. Empiricky sa však dokázalo, že sa rovná iba niekoľkým megaelektrovoltom. To znamená, že rozpad beta nespočíva v úniku molekuly, ale v premene jedného nukleónu na iný. Pri analýze rozpadu neutrónu môžeme pozorovať nasledujúci prechod: Elektrón, označený ako , má hmotnostné číslo rovné 0 a atómové číslo. To znamená, že ide o prakticky bezhmotnú molekulu s negatívnym nábojom. Protón má obe čísla rovné jednej. Prítomnosť neutrína (v) je potrebná vzhľadom na zákony zachovania energie a hybnosti. Takéto transformácie vyskytujúce sa v jadre spôsobujú slabé jadrové interakcie. Príkladom izotopu podliehajúceho rozpadu beta je izotop, ktorý sa rozpadá β ^– emisiou podľa nasledujúcej rovnice: Opačný proces, zahŕňajúci produkciu pozitrónu, prebieha napríklad v izotope hliníka:

Gamma rozpad

Pojem „gama rozpad“ sa týka rozpadu, ku ktorému dochádza, keď sa excitované jadro zmení na stav s nižšou energiou, čo vedie k emisii fotónov . Takýto prechod je podobný prechodu elektrónov na nižšie energetické hladiny a možno ho označiť symbolmi, kde * znamená excitovaný stav: Hmotnostné a atómové čísla sa počas gama rozpadu nemenia. Jediná zmena sa týka typu jadra.

Rádioaktívne prvky

Ich atómy sa spontánne rozpadajú, vyžarujú častice alebo lúče. Toto je často sprevádzané emisiou tepla a svetla. V prírode môžeme pozorovať štyri skupiny rádioaktívnych prvkov: thoridy, neptunidy, uranidy a aktinidy, ktorých názvy sú odvodené od rodičovských prvkov. Príklady:

1. Polónium – produkt rozpadu atómov, väčšinou s uránom-238. Je zdrojom alfa žiarenia a využíva sa ako zdroj energie v satelitoch.
2. Radón – vzniká dezintegráciou rádia, ktorého izotop s atómovou hmotnosťou 222 sa používa pri liečbe závažných prípadov rakoviny.

Rádioaktívna séria

Predpokladá sa, že všetky jadrá s atómovým číslom vyšším ako 82 sú nestabilné a podliehajú spontánnemu rozpadu. Väčšina z nich sa vyznačuje aj krátkym životným cyklom, preto ich v prírode nepozorujeme. Existuje však niekoľko dôležitých výnimiek, ako napríklad a , ktorých polčas rozpadu je 1,39·10 ¹⁰ rokov a 7,04·10 ⁸ rokov. Rozpad ťažkých jadier môže viesť k dlhej sérii rozpadov, pretože každé vytvorené sekundárne jadro sa môže stať primárnym jadrom v následnom rozpade, kým sa nevytvorí stabilné jadro. Tento proces sa nazýva rádioaktívna séria.