24.2: Процеси ядерного розпаду

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19506

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Опромінення їжі є чутливим предметом для багатьох людей. Практика передбачає піддавати їжу іонізуючому випромінюванню, щоб знищити шкідливі бактерії (наприклад, сальмонели), які викликають хворобу. Їжа по суті незмінна і не втрачає жодної поживної цінності. Паразити і комахи-шкідники легко знищуються цим процесом, в той час як бактерії потребують більше часу, щоб вбити. Віруси не схильні до впливу променевої обробки. Але не хвилюйтеся - їжа не радіоактивна, і ви не будете світитися в темряві, якщо з'їсте її.

Процеси ядерного розпаду

Радіоактивний розпад передбачає викид частинки та/або енергії, коли один атом змінюється в інший. У більшості випадків атом змінює свою ідентичність, щоб стати новим елементом. Існує чотири різних типи викидів, які відбуваються.

Альфа-емісія

\(\left( \alpha \right)\)Альфа-розпад передбачає вивільнення іонів гелію з ядра атома. Цей іон складається з двох протонів і двох нейтронів і має\(2+\) заряд. Вивільнення\(\alpha\) частинки виробляє новий атом, який має атомний номер два менше вихідного атома і атомну вагу, яка на чотири менше. Типовою реакцією альфа-розпаду є перетворення урану-238 в торій:

\[\ce{^{238}_{92}U} \rightarrow \ce{^{234}_{90}Th} + \ce{^4_2 \alpha}^+\nonumber \]

Ми бачимо зменшення атомного числа на два (уран до торію) і зменшення атомної ваги на чотири (238 до 234). Зазвичай емісія не записується із зазначенням атомного номера та ваги, оскільки це звичайна частка, властивості якої слід запам'ятати. Досить часто альфа-випромінювання супроводжується\(\left( \gamma \right)\) гамма-випромінюванням, формою виділення енергії. Багато з найбільших елементів в таблиці Менделєєва є альфа-випромінювачі.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Емісія альфа-частинки з ядра.

Бета-емісія

\(\left( \beta \right)\)Бета-розпад - більш складний процес. На відміну від\(\alpha\) -емісії, яка просто виганяє частинку,\(\beta\) -емісія передбачає перетворення нейтрона в ядрі в протон і електрон. Потім електрон викидається з ядра. У процесі атомний номер збільшується на одиницю, тоді як атомна вага залишається незмінною. Як і у випадку з\(\alpha\) -емісіями,\(\beta\) -викиди часто супроводжуються\(\gamma\) -випромінюванням.

Типовий процес бета-розпаду включає вуглець-14, часто використовується в радіоактивних методах датування. Реакція утворює азот-14 і електрон:

\[\ce{^{14}_6C} \rightarrow \ce{^{14}_7N} + \ce{^0_{-1}e}\nonumber \]

Знову ж таки, бета-випромінювання зазвичай просто позначається грецькою літерою\(\beta\); запам'ятовування процесу необхідно для того, щоб слідувати ядерним розрахункам, в яких грецька буква\(\beta\) з'являється без подальших позначень.

Позитронна емісія

Позитрон - це позитивний електрон (форма антиречовини). Цей рідкісний тип випромінювання виникає при перетворенні протона в нейтрон і позитрон в ядрі, при викиді позитрона. Атомний номер зменшиться на одиницю, при цьому атомна маса не зміниться. Позитрон часто позначається по\(\beta^+\).

Вуглець-11 випромінює позитрон, щоб стати бор-11:

\[\ce{^{11}_6C} \rightarrow \ce{^{11}_5B} + \ce{^0_{+1} \beta}\nonumber \]

Захоплення електронами

Альтернативним способом збільшення нукліду співвідношення нейтронів до протона є явище, яке називається захопленням електронів. При електронному захопленні електрон з внутрішньої орбіти захоплюється ядром атома і поєднується з протоном для утворення нейтрона. Наприклад, срібло-106 піддається електронному захвату, щоб стати паладій-106.

\[\ce{^{106}_{47}Ag} + \ce{^0_{-1}e} \rightarrow \ce{^{106}_{46}Pd}\nonumber \]

Зауважимо, що загальний результат захоплення електронів ідентичний позитронному випромінюванню. Атомний номер зменшується на одиницю, тоді як масове число залишається колишнім.

Гамма-випромінювання

\(\left( \gamma \right)\)Гамма-випромінювання - це просто енергія. Він може вивільнятися сам по собі або, частіше, у зв'язку з іншими радіаційними подіями. Немає зміни атомного номера або атомної ваги в простому\(\gamma\) -емісії. Нерідко ізотоп може виробляти\(\gamma\) -випромінювання в результаті переходу в метастабільний ізотоп. Цей тип ізотопу може просто «осісти», зі зміщенням частинок в ядрі. Склад атома не змінений, але ядро можна було б вважати більш «комфортним» після зсуву. Цей зсув підвищує стійкість ізотопу від енергетично нестабільного (або «метастабільного») ізотопу до більш стійкої форми ядра.

Резюме

Радіоактивний розпад передбачає викид частинки та/або енергії, коли один атом змінюється в інший.
\(\left( \alpha \right)\)Альфа-розпад передбачає вивільнення іонів гелію з ядра атома.
\(\left( \beta \right)\)Бета-розпад передбачає перетворення нейтрона в ядрі в протон і електрон.
Позитрон - це позитивний електрон (форма антиречовини). Цей рідкісний тип випромінювання виникає при перетворенні протона в нейтрон і позитрон в ядрі, при викиді позитрона.
\(\left( \gamma \right)\)Гамма-випромінювання - це просто енергія. Він може вивільнятися сам по собі або, частіше, у зв'язку з іншими радіаційними подіями.