การแตกตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสี

โครงสร้างของเอกภพ การแตกตัวของกัมมันตภาพรังสีในบริบทของโครงสร้างของเอกภพ

รูปร่างของเอกภพนำไปสู่การก่อตัวขององค์ประกอบต่างๆ ที่มีความโน้มเอียงต่อ การเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ การแตกตัวของ สารกัมมันตภาพรังสี แต่ละครั้งที่เราสามารถอธิบายได้สามารถให้ข้อมูลมากมายเกี่ยวกับหัวข้อที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับนิวเคลียสหนึ่งๆ (โครงสร้าง สถานะพลังงานที่มีอยู่ และการโต้ตอบ) แต่ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับต้นกำเนิดของเอกภพด้วย ได้รับการพิสูจน์เชิงประจักษ์แล้วว่ารังสีมีสามประเภทหลัก ซึ่งแบ่งตามความสามารถในการทะลุทะลวงผ่านสสาร:

1. รังสีอัลฟ่า (α) ซึ่งมีรูปแบบของนิวเคลียสของฮีเลียมและแสดงการซึมผ่านต่ำ ซึ่งในทางปฏิบัติหมายถึงความยากลำบากในการเจาะกระดาษแผ่นบาง
2. รังสีเบตา (β) ซึ่งอธิบายว่าเป็นอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอนที่มีมวลเท่ากันแต่มีประจุตรงกันข้าม สามารถทะลุเข้าไปในอะลูมิเนียมได้มากถึงประมาณ 3 มม.
3. รังสีแกมมา (γ) ซึ่งสอดคล้องกับโฟตอน มีความสามารถในการทะลุทะลวงได้ดีที่สุด ซึ่งเปรียบได้กับการทะลุทะลวงเข้าไปในตะกั่วที่มีความยาวตั้งแต่สองเซนติเมตรขึ้นไป

ประวัติการแตกตัวของสารกัมมันตภาพรังสี

ประวัติการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีเริ่มต้นโดย Antoine Becquerel ซึ่งสังเกตเห็นในปี 1896 ว่าถ้าเราใส่หินที่อุดมด้วยยูเรเนียมเข้าไปในกล่องปิดด้วยฟิล์มถ่ายภาพ ฟิล์มจะมืด เขาสรุปว่าสิ่งนี้เกิดจากการปล่อยรังสีที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ด้วยความรู้ในปัจจุบัน เราสามารถให้ข้อโต้แย้งอย่างน้อยสามข้อที่บ่งบอกถึงแหล่งกำเนิดนิวเคลียร์ของรังสีดังกล่าว:

1. สถานะทางเคมี : รูปแบบของธาตุเฉพาะในสถานะอิสระหรือในสารประกอบเคมีไม่ส่งผลต่อความสามารถทางกัมมันตภาพรังสี
2. ปัจจัยภายนอกที่ส่งผลต่ออิเล็กตรอนในอะตอม เช่น ความดันหรืออุณหภูมิ ไม่ส่งผลต่อคุณสมบัติของสารกัมมันตภาพรังสี
3. การเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนที่รู้จักกันทั่วไปในอะตอม ไม่ได้สร้างพลังงานจำนวนมากที่สามารถเข้าถึงอิเล็กตรอนหลายล้านโวลต์ได้

ปัจจุบัน รังสีหมายถึงกระบวนการทางธรรมชาติของนิวเคลียร์ซึ่งเปลี่ยนมวลเป็นพลังงาน

รังสีอัลฟ่า บีตา และแกมมา

คุณสมบัติทางไฟฟ้าของรังสีสามารถสังเกตได้จากการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้นในสนามแม่เหล็กที่เป็นเนื้อเดียวกัน การระบุรังสีแต่ละชนิดด้วยโมเลกุลที่สอดคล้องกันนั้นขึ้นอยู่กับสูตรของ แรงแม่เหล็กลอเรนซ์ สมมติว่ามีการปล่อยรังสีในแนวนอนจากจุดกำเนิดกัมมันตภาพรังสี อนุภาคที่มีประจุบวกจะเอียงขึ้น อนุภาคที่มีประจุลบจะเอนลง และอนุภาคที่ไม่มีประจุจะทะลุผ่านสนามแม่เหล็กได้ ไม่ส่งผลกระทบต่อเส้นทางการแผ่รังสี รังสีอัลฟ่าสอดคล้องกับการปล่อยนิวเคลียสของฮีเลียม ⁴ He รังสีบีตา อาจเกิดขึ้นได้สองทาง: ในรูปของอิเล็กตรอน (β ^– ) หรือโพสิตรอน (β ⁺ ) รังสีแกมมากำหนดการปล่อยโฟตอนพลังงานสูง

การแตกตัวของอัลฟ่า

มีลักษณะเป็นน้ำหนักและนิวเคลียสที่ไม่เสถียรทางเคมี ระหว่างการแตกตัว นิวเคลียสจะสูญเสียโปรตอน 2 ตัวและจำนวนนิวตรอนเท่ากัน ซึ่งหมายถึงการลดลงของ เลขอะตอม 2 และเลขมวล 4 หน่วย ผลลัพธ์ของการเปลี่ยนแปลงนั้นคืออะตอมของฮีเลียม นิวเคลียสที่เปล่งแสงเรียกว่านิวเคลียสปฐมภูมิ และนิวเคลียสที่เกิดขึ้นระหว่างการแตกตัวเรียกว่านิวเคลียสทุติยภูมิ สัญกรณ์พื้นฐานของการแตกตัวของกัมมันตภาพรังสีแอลฟาสามารถแสดงได้ดังนี้: ส่วนแรกของสัญลักษณ์ดังกล่าว เช่น ประกอบด้วยนิวเคลียสหลัก นิวเคลียสทุติยภูมิคือ ในขณะที่เป็นอนุภาคแอลฟา ตัวอย่างของการแตกตัวแบบแอลฟาอาจเป็นการเปลี่ยนแปลงของไอโซโทปยูเรเนียม ²³⁸ U ซึ่งในระหว่างนั้นเลขอะตอมจะลดลง 2 สามารถสังเกตการแตกตัวเป็นสมการต่อไปนี้: พลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการแตกตัวของแอลฟาจะเท่ากับพลังงานจลน์ของนิวเคลียสของฮีเลียมและทอเรียม เนื่องจากนิวเคลียสของทอเรียมมีมวลและความเร็วต่ำกว่า พลังงานจลน์ของนิวเคลียสของฮีเลียมจึงสูงกว่า

การแตกตัวของเบต้า

สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นได้สองวิธี: ด้วยการปลดปล่อยอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอน ประจุของพวกมันอยู่ตรงข้ามกันแต่มวลของพวกมันเท่ากัน ดังนั้นบางครั้งอาจเรียกโพซิตรอนว่า แอนติอิเล็กตรอน เมื่อพิจารณาการแตกตัวของสารกัมมันตภาพรังสีเบต้า นักวิทยาศาสตร์มักจะใช้แบบจำลองของโมเลกุล (อิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน) ที่ล้อมรอบนิวเคลียส ซึ่งหลุดออกจากนิวเคลียสระหว่างการแตกตัว สมมติฐานนี้ถูกท้าทาย เนื่องจากหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนถูกประเมินว่ามีค่ามากกว่าสิบ GeV เล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ได้รับการพิสูจน์เชิงประจักษ์แล้วว่ามีค่าเท่ากับเมกะอิเล็กตรอนเพียงไม่กี่โวลต์ ซึ่งหมายความว่าการแตกตัวของเบตาไม่ได้ประกอบด้วยการหลบหนีของโมเลกุล แต่อยู่ในการเปลี่ยนแปลงของนิวคลีออนหนึ่งไปสู่อีกนิวคลีออน เมื่อวิเคราะห์การแตกตัวของนิวตรอน เราสามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงต่อไปนี้: อิเล็กตรอนซึ่งเรียกว่า , มีเลขมวลเท่ากับ 0 และเลขอะตอม ซึ่งหมายความว่ามันเป็นโมเลกุลที่แทบไม่มีมวลและมีประจุลบ โปรตอนมีเลขทั้งสองเท่ากับหนึ่ง จำเป็นต้องมีนิวตริโน (v) ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในนิวเคลียสทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่อ่อนแอ ตัวอย่างของไอโซโทปที่มีการแตกตัวของบีตาคือ ไอ ซึ่งสลายตัวโดยการปล่อย β ^– ตามสมการต่อไปนี้: กระบวนการที่ตรงกันข้ามซึ่งเกี่ยวข้องกับการผลิตโพซิตรอน เกิดขึ้นในไอโซโทปของอะลูมิเนียม เช่น

การแตกตัวของแกมมา

คำว่า “การแตกตัวด้วยแกมมา” หมายถึงการแตกตัวที่เกิดขึ้นเมื่อ นิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นเปลี่ยนเป็นสถานะที่มีพลังงานต่ำกว่า ซึ่งส่งผลให้เกิดการปลดปล่อยโฟตอน การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวคล้ายกับการเปลี่ยนแปลงของอิเล็กตรอนไปสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า และสามารถสังเกตได้ด้วยสัญลักษณ์ โดยที่ * หมายถึงสถานะตื่นเต้น : มวลและเลขอะตอมจะไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างการแตกตัวของรังสีแกมมา การเปลี่ยนแปลงเพียงอย่างเดียวหมายถึงประเภทของนิวเคลียส

ธาตุกัมมันตภาพรังสี

อะตอมของพวกมันแตกตัวตามธรรมชาติ ปล่อยอนุภาคหรือรังสีออกมา ซึ่งมักจะมาพร้อมกับการปล่อยความร้อนและแสง ในธรรมชาติ เราสามารถสังเกตธาตุกัมมันตภาพรังสีได้ 4 กลุ่ม ได้แก่ ทอไรด์ เนปทูไนด์ ยูราไนด์ และแอกทิไนด์ ซึ่งชื่อนี้มาจากธาตุแม่ ตัวอย่าง ได้แก่:

1. พอโลเนียม – ผลิตภัณฑ์จากการแตกตัวของอะตอม ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับยูเรเนียม-238 เป็นแหล่งกำเนิดรังสีแอลฟาและใช้เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานในดาวเทียม
2. เรดอน – ผลิตขึ้นจากการแตกตัวของเรเดียม ซึ่งมีไอโซโทปที่มีมวลอะตอม 222 ซึ่งใช้ในการรักษาโรคมะเร็งที่ร้ายแรง

ชุดกัมมันตภาพรังสี

ถือว่านิวเคลียสทั้งหมดที่มีเลขอะตอมสูงกว่า 82 นั้นไม่เสถียรและอาจแตกตัวได้เอง ส่วนใหญ่มีลักษณะวงจรชีวิตสั้นดังนั้นจึงไม่ได้รับการสังเกตในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม มีข้อยกเว้นที่สำคัญบางประการ เช่น และ ซึ่งช่วงครึ่งชีวิตคือ 1.39·10 ¹⁰ ปี และ 7.04·10 ⁸ ปี ตามลำดับ การสลายตัวของนิวเคลียสหนักสามารถนำไปสู่การแตกตัวเป็นชุดยาว เนื่องจากนิวเคลียสทุติยภูมิแต่ละอันที่เกิดขึ้นอาจกลายเป็นนิวเคลียสหลักในการแตกตัวตามมา จนกว่าจะมีนิวเคลียสที่เสถียรเกิดขึ้น กระบวนการนี้เรียกว่าชุดกัมมันตภาพรังสี