กัมมันตภาพรังสี

ในการทดสอบใช้ฟิล์มถ่ายภาพซึ่งทำให้มืดลงภายใต้อิทธิพลของรังสีเหล่านี้ การทดลองแสดงให้เห็นว่ารังสีดวงอาทิตย์ไม่จำเป็นสำหรับวัสดุทดสอบในการทำให้ฟิล์มกลายเป็นสีดำ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ขัดแย้งกับสมมติฐานเดิม ดังนั้นจึงต้องทำการวิจัยเพิ่มเติม ครั้งนี้ ภารกิจคือการยืนยันหรือปฏิเสธรังสีเอกซ์ซึ่งเป็นปัจจัยที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในภาพยนตร์ มีการใช้ความจริงที่ว่ารังสีเอกซ์ไม่มีประจุใด ๆ จึงไม่บิดงอโดยสนามแม่เหล็ก Becquerel วางวัสดุที่มียูเรเนียมและฟิล์มถ่ายภาพไว้ในห้องสุญญากาศที่ตั้งอยู่ในสนามแม่เหล็ก จากผลการทดลองพบว่ารังสีที่ปล่อยออกมาจากตัวอย่างที่ทดสอบนั้นโค้งงอในสนามแม่เหล็ก ซึ่งหมายความว่ามันไม่เหมือนกับรังสีเอกซ์ ในระหว่างการดำเนินการวิจัยของเขา นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่ามีรังสีสามประเภทที่วัสดุสามารถปล่อยออกมาได้ – เป็นกลาง มีประจุบวก และมีประจุลบ จากสมมติฐานเหล่านี้ นักวิจัยรุ่นหลังได้เสนอวิทยานิพนธ์ของพวกเขาและทำการทดลองเพิ่มเติม Maria Skłodowska Curie และ Pierre Curie ค้นพบธาตุกัมมันตภาพรังสีถัดไป: พอโลเนียมและเรเดียม เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ผู้ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ได้อุทิศงานส่วนหนึ่งให้กับกัมมันตภาพรังสี และตั้งชื่อประเภทของรังสีที่ค้นพบโดยเบคเคอเรลด้วยตัวอักษรกรีก ได้แก่ แอลฟา เบตา และแกมมา

กัมมันตภาพรังสีมาจากไหน?

การวิจัยพบว่ากัมมันตภาพรังสีเป็นคุณลักษณะของธาตุบางชนิด สิ่งนี้บ่งชี้ถึงความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดกับระดับอะตอม และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง – กับนิวเคลียสของอะตอม รังสีแต่ละชนิดจากสามชนิดเป็นพลังงานควอนตัมที่นิวเคลียสที่ไม่เสถียรสามารถปล่อยออกมาได้ ซึ่งหมายความว่ารังสีเป็นผลมาจากการสลายตัว ในทางปฏิบัติการเกิดขึ้นของนิวเคลียสที่ไม่เสถียรนั้นเกิดจากอัตราส่วนของโปรตอนต่อนิวตรอน เนื่องจากความไม่เสถียรมีหลายประเภท จึงมีรังสีประเภทต่างๆ กัน กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจกัมมันตภาพรังสีคือ ไอโซโทป และความแตกต่างในระดับอะตอม ตัวอย่างเช่น ไอโซโทปคาร์บอนที่พบมากที่สุด ¹² C ไม่ใช่กัมมันตภาพรังสี ในขณะที่ ¹⁴ C เป็นกัมมันตภาพรังสี เลขอะตอม และจำนวนโปรตอนจึงเท่ากัน ความแตกต่างนั้นไม่สามารถเกิดจากจำนวนอิเล็กตรอนได้ เนื่องจากอะตอมนั้นจะเป็นไอออนที่มีประจุบวกหรือประจุลบ ในกรณีของไอโซโทป ความเป็นไปได้เพียงอย่างเดียวคือความแตกต่างของจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส ¹⁴ C มีนิวตรอนมากกว่า ¹² C ถึง 2 ตัว ดังนั้นมันจึงหนักกว่าด้วย การมีอยู่ของไอโซโทปของธาตุทั้งหมดหมายความว่าจำนวนนิวเคลียสของกัมมันตภาพรังสีก็มีมากเช่นกัน ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่ไม่เสถียรดังกล่าวเรียกว่าไอโซโทปรังสี แต่ความชุกของไอโซโทปไม่สูงเท่ากับที่ปรากฏใน ตารางธาตุ

ทำไมนิวเคลียสถึงไม่เสถียร?

โปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสอยู่ภายใต้แรงนิวเคลียร์ขนาดใหญ่ที่ยึดพวกมันไว้ด้วยกัน เอาชนะแรงผลักไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอน นิวตรอนมีผลในเชิงบวกต่อการเสริมกำลังของแรงนิวเคลียร์ซึ่งแตกต่างจากโปรตอน จากการศึกษาพบว่าอัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนต่อโปรตอนควรอยู่ที่ประมาณ 1.5:1 สำหรับอะตอมที่เบากว่า 20u อัตราส่วนเสถียรคือ 1:1 มิฉะนั้นนิวเคลียสมีแนวโน้มที่จะสลายตัว ไอโซโทปของธาตุทั้งหมดที่มีน้ำหนักอะตอมมากกว่า 208 นั้นไม่เสถียร

ภาพที่ 1 กราฟพื้นที่ความเสถียรขึ้นอยู่กับจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส ที่มา: http://ch302.cm.utexas.edu/nuclear/radioactivity/selector.php?name=band-stability

1. การสลายตัวของอัลฟ่า โดยเฉพาะในนิวเคลียสมวลมาก ปล่อยโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว
2. เบตาลบการสลายตัว เมื่อนิวเคลียสมีโปรตอนน้อยเกินไป ส่งผลให้มีการปลดปล่อยอิเล็กตรอน
3. เบตาบวกการสลายตัว ถ้านิวเคลียสของอะตอมมีโปรตอนมากเกินไป โดยปล่อยโพซิตรอนออกมา

การสลายตัวประเภทนี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส และดังนั้นจึงเป็นการเปลี่ยนแปลงขององค์ประกอบทางเคมีจากสิ่งหนึ่งไปยังอีกสิ่งหนึ่ง

รังสีแอลฟา (α)

จากการทดลองในปี 1909 E. Rutherford และ T. Royds แสดงให้เห็นว่าอนุภาคแอลฟานั้นเหมือนกันกับไอออนของฮีเลียม หลังจากส่งรังสีแอลฟาผ่านผนังบางๆ ของห้องสุญญากาศ ภาพของเส้นสเปกตรัมบนออปติคัลสเปกโตรมิเตอร์ที่ได้จากห้องแก๊สยืนยันสิ่งนี้อย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น นิวเคลียส ²⁴⁰ Pu ได้รับรังสีอัลฟาตามปฏิกิริยา: รังสีอัลฟ่ามีลักษณะเป็นอนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งมีระยะหลายเซนติเมตรในอากาศและมีการซึมผ่านที่ต่ำมาก กระดาษแผ่นหนึ่งจะหยุดพวกเขา

รังสีเบต้า (β)

ในกรณีของรังสีเบตา-ลบ อิเล็กตรอนที่มาจากนิวเคลียสจะถูกปล่อยออกมา เนื่องจากนิวเคลียสไม่ได้แสดงลักษณะของอิเล็กตรอน จึงเกิดขึ้นระหว่างการสลายตัวเท่านั้น และนอกจากนิวเคลียสแล้ว ยังปล่อยอนุภาคที่สองออกมาด้วย นั่นคือ อิเล็กตรอนที่ต่อต้านนิวตริโน เนื่องจากการเพิ่มจำนวนของโปรตอนในโมเลกุล ธาตุที่สลายตัวด้วยบีตาจะเปลี่ยนเป็นธาตุอื่นที่มีเลขอะตอมสูงขึ้น ตัวอย่างของหลักสูตรการสลายตัวสอดคล้องกับกลไกนี้: รังสีนี้มีลักษณะเป็นอนุภาคที่มีประจุลบซึ่งมีช่วงหลายโหลเซนติเมตรในอากาศและสามารถซึมผ่านได้มากกว่าเมื่อเทียบกับรังสีแอลฟา หยุดด้วยแผ่นอะลูมิเนียมที่มีความหนาประมาณ 3 ถึง 4 มม. การสลายตัวของเบต้าบวกเกิดขึ้นในลักษณะเดียวกัน แต่จะปล่อยอนุภาคโพซิตรอนและนิวตริโนของอิเล็กตรอนออกมา จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสจะลดลงและธาตุที่ผ่านเข้าไปจะเปลี่ยนเป็นธาตุอื่นที่มีเลขอะตอมต่ำกว่า ดังตัวอย่าง

รังสีแกมมา (γ)

เป็นรังสีชนิดเดียวที่ไม่เปลี่ยนธาตุไปเป็นธาตุอื่น เพราะไม่ปล่อยอนุภาคใดๆ ออกมา มีเพียงรังสีแกมมาเท่านั้น เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทหนึ่ง คล้ายกับแสง อินฟราเรดหรือแสงอัลตราไวโอเลต แต่คลื่นรังสีแกมมาสั้นที่สุด กระบวนการสลายตัวทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสของอะตอมที่ถูกกระตุ้นไปสู่สถานะที่มีพลังงานต่ำกว่า ส่งผลให้เกิดการปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานเทียบเท่ากับนิวเคลียสของอะตอมในแต่ละสถานะ แผนภาพของการสลายตัวของรังสีแกมมาสามารถเขียนได้ดังนี้: ลักษณะของรังสีแกมมาคือการระบุด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงและมีลักษณะเหมือนแสง ขอบเขตในอากาศนั้นไม่จำกัดในทางทฤษฎี ในขณะที่การซึมผ่านของกัมมันตภาพรังสีนั้นสูงที่สุดในบรรดากัมมันตภาพรังสีทุกประเภท มันถูกหยุดโดยกำแพงหนาหรือชั้นตะกั่วสิบห้าเซนติเมตรเท่านั้น