Radioaktivt sönderfall av grundämnen

Universums struktur Radioaktivt sönderfall i samband med universums struktur

Utformningen av universum ledde till bildandet av flera element som är predisponerade för nukleära transformationer . Varje radioaktivt sönderfall som vi kan beskriva kan ge oss mycket information om ämnen som är nära relaterade till en viss kärna (dess struktur, befintliga energitillstånd och interaktioner), men ger också information om universums ursprung. Det har bevisats empiriskt att det finns tre huvudsakliga typer av strålning, som delas av förmågan att penetrera genom materia:

1. Alfa(α)-strålning , som har formen av heliumkärnor och uppvisar låg permeabilitet, vilket i praktiken innebär svårigheter att penetrera ett tunt pappersark;
2. Beta (β) strålning , som beskrivs som elektroner eller positroner med samma massa men motsatt laddning, kan tränga in i aluminium upp till ca. 3 mm;
3. Gamma (γ)-strålning , som motsvarar fotoner, har den bästa penetreringsförmågan som är jämförbar med penetrationen i bly upp till två eller fler centimeter.

Historien om radioaktiva sönderfall

Historien om radioaktiva sönderfall initierades av Antoine Becquerel, som observerade 1896 att om vi lägger en uranrik sten i en sluten låda med en fotografisk film, kommer filmen att bli mörk. Han drog slutsatsen att detta orsakades av utsläpp av strålar som är osynliga för blotta ögat. Med dagens kunskap kan vi ge åtminstone tre argument som tyder på det nukleära ursprunget för sådana strålar:

1. Kemiskt tillstånd : formen av ett visst grundämne i fritt tillstånd eller i en kemisk förening påverkar inte dess radioaktiva förmåga;
2. Externa faktorer som påverkar elektronerna i atomen , såsom tryck eller temperatur, påverkar inte de radioaktiva egenskaperna;
3. De allmänt kända elektronövergångarna i atomen genererar inte så stora mängder energi som kan nå miljontals elektronvolt.

Idag definieras strålning som processer av kärnkraft som omvandlar massa till energi.

Alfa-, beta- och gammastrålning

De elektriska egenskaperna hos strålning kan observeras tack vare att deras rörelser sker i ett homogent magnetfält. Identifieringen av varje typ av strålning med deras motsvarande molekyler baseras på formeln för Lorentz magnetiska kraft . Om man antar ett horisontellt utsläpp från punkten för en radioaktiv källa, lutar partiklarna med en positiv laddning uppåt, de med en negativ laddning lutar nedåt, och partiklarna utan laddning tränger igenom magnetfältet och påverkar inte emissionsvägen. Alfastrålning motsvarar emissionen av en ⁴ He heliumkärna . Betastrålning kan uppstå på två sätt: i form av elektroner (β ^– ) eller positroner (β ⁺ ). Gammastrålning bestämmer en högenergiemission av fotoner.

Alfasönderfall

Den kännetecknas av vikt och kemiskt instabila kärnor. Under sönderfall förlorar kärnan två protoner och samma antal neutroner, vilket innebär en minskning av dess atomnummer med två och masstalet med fyra enheter. Resultatet av den omvandlingen är en heliumatom. Den emitterande kärnan kallas den primära kärnan, och den som produceras under sönderdelningen kallas den sekundära kärnan. Den grundläggande notationen av alfa-radioaktiv sönderdelning kan presenteras enligt följande: Den första delen av en sådan notation, dvs , utgör den primära kärnan, den sekundära kärnan är , medan är alfapartikeln. Ett exempel på alfasönderfall kan vara en omvandling av uranisotopen ²³⁸ U, under vilken atomnumret reduceras med två. Upplösningen kan noteras som följande ekvation: Energin som frigörs under alfasönderfall är lika med den kinetiska energin hos kärnorna av helium och torium. På grund av massan av toriumkärnor, och därmed deras lägre hastighet, är den kinetiska energin hos heliumkärnorna högre.

Beta-sönderfall

Detta kan ske på två sätt: med emission av elektroner eller positroner. Deras laddningar är motsatta men deras massa är identisk , så ibland kan en positron kallas antielektron. När man överväger den beta-radioaktiva sönderdelningen, använde forskare vanligtvis modellen av en molekyl (en elektron eller positron) bunden i kärnan, som flyr från den under sönderfallet. Detta antagande har ifrågasatts, eftersom den kinetiska energin hos en elektron, baserat på Heisenbergs osäkerhetsprincip, uppskattades till lite mer än tio GeV. Det har dock bevisats empiriskt att det bara är lika med några få megaelektronovolt. Detta betyder att beta-sönderfallet inte består i att en molekyl flyr utan i omvandlingen av en nukleon till en annan. När vi analyserar sönderfallet av en neutron kan vi observera följande övergång: Elektronen, noterad som , har ett masstal lika med 0 och ett atomnummer. Det betyder att det är en praktiskt taget masslös molekyl med negativ laddning. Protonen har båda talen lika med ett. Närvaron av en neutrino (v) krävs med tanke på lagarna för bevarande av energi och momentum. Sådana omvandlingar som sker i kärnan orsakar svaga nukleära interaktioner. Ett exempel på en isotop som är föremål för beta-sönderfall är , som sönderfaller genom en β ^– emission enligt följande ekvation: En motsatt process, som involverar produktion av en positron, sker till exempel i en isotop av aluminium:

Gamma sönderfall

Termen "gammasönderfall" syftar på en sönderdelning som uppstår när en exciterad kärna övergår till ett tillstånd med lägre energi, vilket resulterar i utsläpp av fotoner . En sådan övergång liknar övergången av elektroner till lägre energinivåer och kan noteras med symboler, där * står för det exciterade tillståndet: Massan och atomnumren ändras inte under gammasönderfall. Den enda förändringen avser typen av kärna.

Radioaktiva grundämnen

Deras atomer sönderfaller spontant och avger partiklar eller strålar. Detta åtföljs ofta av utsläpp av värme och ljus. I naturen kan vi observera fyra grupper av radioaktiva grundämnen: torider, neptunider, uranider och aktinider, vars namn härrör från moderelementen. Exempel inkluderar:

1. Polonium – en produkt av atomära sönderfall, mestadels involverar uran-238. Det är en källa till alfastrålning och den används som energikälla i satelliter.
2. Radon – produceras som ett resultat av sönderfall av radium, vars isotop med en atommassa på 222 används vid behandling av allvarliga cancerfall.

Den radioaktiva serien

Det anses att alla kärnor med ett atomnummer högre än 82 är instabila och utsatta för spontan sönderdelning. De flesta av dem kännetecknas också av en kort livscykel, så de observeras inte i naturen. Det finns dock några viktiga undantag, som och , vars halveringstid är 1,39·10 ¹⁰ år respektive 7,04·10 ⁸ år. Nedfallet av tunga kärnor kan leda till en lång serie av sönderfall, eftersom varje sekundär kärna som produceras kan bli den primära kärnan i en efterföljande sönderdelning, tills en stabil kärna bildas. Denna process kallas den radioaktiva serien.