8.2: Радіоактивність

Причина радіоактивності

Тільки певна комбінація протонів і нейтронів утворює стабільні нуклеоїди; решта - нестабільні нуклеоїди, як показано на рис. 8.2.1. Спостереження за стабільними нуклеоїдами наступні.

Спостереження за стабільними нуклеоїдами

1. Водень з одним протоном і без нейтронів є стабільним нуклеоїдом.
2. Інші світлі нуклеоїди, до атомного номера 20, зазвичай стабільні, коли кількість протонів дорівнює числу нейтронів.
3. Середні нуклеоїди від атомних номерів від 20 до 82, як правило, стабільні, коли кількість нейтронів більше, ніж кількість протонів.
4. Більш важкі нуклеоїди з атомним номером 84 і більше нестабільні.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Графік ізотопів за типом ядерного розпаду. Помаранчеві та сині нукліди нестабільні, чорні квадрати між цими регіонами представляють стабільні нукліди. Нерозривна лінія, що проходить нижче багатьох нуклідів, являє собою теоретичне положення на графіку нуклідів, для яких число протонів таке ж, як і число нейтронів. Графік показує, що елементи з більш ніж 20 протонами повинні мати більше нейтронів, ніж протони, щоб бути стабільними. Джерело: Table_isotopes.svg: Napy1KenobiПохідні роботи: Сілегг/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Нуклеоїди, показані у вигляді чорних крапок на рис. 8.2.1, є природними стабільними нуклеоїдами. Всі нуклеоїди, показані кольоровими точками, крім чорного, нестійкі.

Примітка

Нестабільні нуклеоїди радіоактивні -вони мимовільно розпадаються, т. Е.

Радіоактивність вивільняє енергію і частинки, тобто ядерне випромінювання разом з перерозташуванням ядра, як пояснюється в наступних розділах.

Альфа-розпад

\(\ce{\alpha}\)-емісія є одним з важливих процесів стабілізації важких нестабільних нуклеоїдів, показаних жовтими точками на рис. 8.2.1. Оскільки\(\ce{\alpha}\) -частинка має два протони і два нейтрони, дочірній нуклеоїд, що утворюється разом з\(\ce{\alpha}\) -розпадом, має на два менше протонів і чотири менше масових чисел в ній, ніж батьківський нуклеоїд, як показано на рис. 8.2.2.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Ілюстрація процесу альфа-розпаду. Джерело: PeroX/CC0

Наприклад:

\[\ce{_92^238U -> _90^234Th + _2^4He}\nonumber\]

У деяких випадках\(\ce{\alpha}\) -розпад супроводжується\(\ce{\gamma}\) -емісією, наприклад:

\[\ce{_84^210Po -> _82^206Pb + _2^4He + \gamma}\nonumber\]

Зверніть увагу, що\(\ce{\gamma}\) -промені мають нульову масу, тому вони не змінюють атомний номер і масовий номер батьківського нуклеоїда.

Етапи написання рівняння ядерної реакції

1. Напишіть символи відомих нуклеоїдів, частинок і випромінювань в реагентах і продуктах, розділених стрілкою. Залиште знак питання для невідомих фрагментів інформації.
2. Врівноважте число маси по двох сторонам рівняння.
3. Врівноважте атомний номер з двох сторін рівняння.
4. Райт символи невідомого нуклеоїда або частинок, знаходячи їх в таблиці Менделєєва, виходячи з атомних номерів.

\(\ce{\alpha}\)-decay in smoke detectors

Детектори диму, що використовуються в будинках, потребують\(\ce{\alpha}\) -частинках для своєї функції. Americium-241 - це\(\ce{\alpha}\) -розпад випромінювач, який використовується в детекторах диму.

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Напишіть рівняння ядерної реакції для\(\ce{\alpha}\) -розпаду америцію-241.

Рішення

Крок 1. Символ і атомний номер америція в таблиці Менделєєва - Am і 95 відповідно. Отже, початкове рівняння:

\[\ce{_95^241Am -> _{?}^{?}{?} + _2^4He}\nonumber\]

Крок 2. Врівноважте число маси по двох сторонам рівняння, тобто масове число невідомого нуклеоїда дорівнює 241-4 = 237:

\[\ce{_95^241Am -> _{?}^{237}{?} + _2^4He}\nonumber\]

Крок 3. Врівноважте атомний номер з двох сторін рівняння, тобто атомний номер невідомого нуклеоїда дорівнює 95-2 = 93:

\[\ce{_95^241Am -> _{93}^{237}{?} + _2^4He}\nonumber\]

Крок 4. Знайти символ невідомого нуклеоїда з періодичної таблиці елементів, тобто елемент під атомним номером 93 - символ нептунію Np:

\[\ce{_95^241Am -> _{93}^{237}{Np} + _2^4He}\nonumber\]

Це збалансоване ядерне рівняння для\(\ce{\alpha}\) -розпаду америцію-241 в детекторах диму.

Радій-226, присутній у багатьох типах гірських порід і ґрунтів, є\(\ce{\alpha}\) випромінювачем, що виробляє радон-226 в процесі. Радон-226 також є\(\ce{\alpha}\) -випромінювачем, який може дифундувати в будинках з гірських порід і грунту під будівлями. Радон - це питання охорони навколишнього середовища в будівлі, коли його концентрація стає вище певного рівня. Ядерне рівняння для\(\ce{\alpha}\) -розпаду радону-222 наступне.

\[\ce{_86^222Rn -> _{84}^{218}{Po} + _2^4He}\nonumber\]

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Напишіть ядерне рівняння для α-розпаду радію-226.

Рішення

Крок 1. Початкове рівняння таке:

\[\ce{_88^226Rn -> _{?}^{?}{?} + _2^4He}\nonumber\]

Крок 2. Врівноважте число маси по двох сторонам рівняння, тобто дорівнює 226-4 = 222:

\[\ce{_88^226Rn -> _{?}^{222}{?} + _2^4He}\nonumber\]

Крок 3. Врівноважте атомний номер з двох сторін рівняння, тобто 88-2 = 86:

\[\ce{_88^226Rn -> _{86?}^{222}{?} + _2^4He}\nonumber\]

Крок 4. Знайти символ невідомого нуклеоїда з періодичної таблиці елементів, тобто елемент під атомним номером 86 є символом радону Rn:

\[\ce{_88^226Rn -> _{?}^{222}{Rn} + _2^4He}\nonumber\]

Це збалансоване ядерне рівняння для\(\ce{\alpha}\) -розпаду радію-226 в гірських породах і грунті.

Бета-розпад

Нуклеоїди, позначені синім кольором на рис. 8.2.1, мають більше нейтронів, ніж потрібно для стабільності. Зазвичай вони стабілізують їх шляхом перетворення одного з нейтронів (n) в протон (p) і електрон (е) наступним ядерним процесом:

\[\ce{_{0}^{1}{n} -> _{1}^{1}{p} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Протон залишається в ядрі, але електрон випромінює з ядра, як показано на рис. 8.2.3. Випромінюваний електрон називається\(\ce{\beta}\) -частинкою. Процес емісії\(\ce{\beta}\) частинок називається бета-розпадом. Зверніть увагу, що нейтрон має нульовий атомний номер, оскільки в ньому немає протона, а електрон має атомний номер -1, щоб збалансувати +1 атомний номер протона. Протон має +1, а електрон має -1 заряд, який також збалансований. Масова кількість електрона дорівнює нулю, оскільки він має незначну масу порівняно з масою протона або нейтрона. Електричні заряди та випромінювання іншої частинки, званої нейтрино, ігноруються в цьому рівнянні.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ілюстрація бета-розпаду. Нейтрон (n) перетворюється в протон (p) в ядрі, викидаючи електрон (е ^-) і деяку енергію у вигляді випромінювання. Джерело: Індуктивне навантаження/ Суспільне надбання

Прикладом β-розпаду є перетворення азоту-16 в кисень-17:

\[\ce{_{7}^{16}{N} -> _{8}^{16}{O} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Зверніть увагу, що в процесі\(\ce{\beta}\) -розпаду масове число залишається колишнім, але атомний номер збільшується на одиницю в дочірньому ядрі. Ядерне рівняння збалансоване, оскільки число маси однакове (16 = 16+0), а атомний номер також однаковий (7 = 8-1) з двох сторін рівняння.

Використання деяких бета-випромінювачів

Йод-131 застосовується для променевої терапії гіперактивної щитовидної залози.

Ітрій-90 використовується для лікування раку, а також вводять у великі суглоби для полегшення болю через артрит.

Фосфор-32 використовується для лікування лейкемії та інших порушень крові.

Вуглець-14 використовується для визначення віку викопного або старого об'єкта.

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Напишіть ядерне рівняння для\(\ce{\beta}\) -розпаду йоду-131.

Рішення

Крок 1. Символ і атомний номер йоду в таблиці Менделєєва - I і 53 відповідно. Отже, початкове рівняння:

\[\ce{_{53}^{131}{I} -> _{?}^{?}{?} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Крок 2. Врівноважте число маси по двох сторонам рівняння, тобто масове число невідомого нуклеоїда дорівнює 131-0 = 131:

\[\ce{_{53}^{131}{I} -> _{?}^{131}{?} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Крок 3. Врівноважте атомний номер з двох сторін рівняння, тобто атомний номер невідомого нуклеоїда дорівнює 53- (-1) = 54:

\[\ce{_{53}^{131}{I} -> _{54}^{131}{?} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Крок 4. Знайдіть символ невідомого нуклеоїда з періодичної таблиці елементів, тобто елемент під атомним номером 54 є ксеноновим символом Xe:

\[\ce{_{53}^{131}{I} -> _{54}^{131}{Xe} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Це збалансоване ядерне рівняння для α-розпаду йоду-131, яке використовується для лікування надмірно активних щитовидних залоз.

Приклад\(\PageIndex{4}\)

Напишіть ядерне рівняння для β-розпаду ітрію-90.

Рішення

Крок 1. Символ і атомний номер ітрію в таблиці Менделєєва - Y і 39 відповідно. Отже, початкове рівняння:

\[\ce{_{39}^{90}{Y} -> _{?}^{?}{?} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Крок 2. Врівноважте число маси по двох сторонам рівняння, тобто масове число невідомого нуклеоїда дорівнює 90-0 = 90:

\[\ce{_{39}^{90}{Y} -> _{?}^{90}{?} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Крок 3. Врівноважте атомний номер з двох сторін рівняння, тобто атомний номер невідомого нуклеоїда дорівнює 39- (-1) = 40:

\[\ce{_{39}^{90}{Y} -> _{40}^{90}{?} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Крок 4. Знайдіть символ невідомого нуклеоїда з періодичної таблиці елементів, тобто елемент під атомним номером 40 є цирконієвим символом Z:

\[\ce{_{39}^{90}{Y} -> _{40}^{90}{Z} + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

Це збалансоване ядерне рівняння для β-розпаду ітрію-90.

Позитронна емісія

Нуклеоїди, позначені помаранчевим кольором на рис. 8.2.1, мають більше протонів, ніж потрібно для стабільності. Зазвичай вони стабілізують їх шляхом перетворення одного з протонів (p) в нейтрон (n) і позитрон\(\ce{\beta^+}\) наступним ядерним процесом:

\[\ce{_{1}^{1}{p} -> _{0}^{1}{n} + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

Нейтрон залишається в ядрі, але позитрон випромінює з ядра, як показано на рис. 8.2.4. Зверніть увагу, що позитрон має +1 масове число, яке врівноважує +1 атомний номер протона на іншій стороні рівняння. Позитрон має +1 заряд, який також врівноважує +1 заряд протона на іншій стороні рівняння. Масовий номер позитрона дорівнює нулю, оскільки він має незначну масу порівняно з масою протона або нейтрона. Електричні заряди не показані в ядерному рівнянні.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Ілюстрація позитронного випромінювання. Протон (р) перетворюється в нейтрон (n) в ядрі, викидаючи позитрон (е ⁺) і деяку енергію у вигляді випромінювання. Джерело: Майстер-М1000/Громадське надбання

Вуглець-11 є прикладом позитрон-випромінювача:

\[\ce{_{6}^{11}{I} -> _{5}^{11}{B} + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

Відзначимо, що в процесі позитронно-емісії масове число залишається колишнім, але атомний номер зменшується на одиницю в дочірньому ядрі. Ядерне рівняння збалансоване, оскільки число маси однакове (11 = 11+0), а атомний номер також однаковий (7 = 5+1) з двох сторін рівняння.

Використання деяких позитронних випромінювачів

Позитронна емісія використовується в позитронно-емісійної томографії (ПЕТ), яка є медичною технікою візуалізації. Короткочасні позитронно-випромінюючі ізотопи ¹¹ C, ¹³ N, ¹⁵ O та ¹⁸ F, що використовуються для позитронно-емісійної томографії, зазвичай виробляються протонним опроміненням природних або збагачених цілей, описаних у наступному розділі.

Фтор-18 в фтордезоксиглюкозі, скорочено [¹⁸ F] ФДГ є позитронним випромінювачем, який зазвичай використовується для виявлення раку, а в [¹⁸ F] NaF широко використовується для виявлення кісткових утворень. Іншими прикладами є кисень-15 в [¹⁵ O] H ₂ O, який використовується для вимірювання кровотоку, і азот-13, який використовується для позначення молекул аміаку для візуалізації перфузії міокарда.

\[\ce{_{8}^{15}{O} -> _{7}^{15}{N} + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

\[\ce{_{7}^{13}{N} -> _{6}^{13}{C} + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

Приклад\(\PageIndex{5}\)

Написати ядерне рівняння для позитронної емісії фтору-18?

Рішення

Крок 1. Символ і атомний номер фтору в таблиці Менделєєва - F і 9 відповідно. Отже, початкове рівняння:

\[\ce{_{9}^{18}{F} -> _{?}^{?}{?} + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

Крок 2. Врівноважте число маси по двох сторонам рівняння, тобто масове число невідомого нуклеоїда дорівнює 18-0 = 131:

\[\ce{_{9}^{18}{F} -> _{?}^{131}{?} + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

Крок 3. Врівноважте атомний номер з двох сторін рівняння, тобто атомний номер невідомого нуклеоїда дорівнює 9- (+1) = 8:

\[\ce{_{9}^{18}{F} -> _{8}^{131}{?} + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

Крок 4. Знайдіть символ невідомого нуклеоїда з періодичної таблиці елементів, тобто елемент під атомним номером 8 є кисневим символом O:

\[\ce{_{9}^{18}{F} -> _{8}^{18}{?} + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

Це збалансоване ядерне рівняння для позитронного викиду фтору-18.

Гамма-емісія

Гамма-промені - це високоенергетичні електромагнітні випромінювання, які не мають маси або заряду. Так, чисте\(\ce{\gamma}\) -емісія відбувається з ядра, але трансмутації воно не призводить, просто нуклеоїд переходить з більш нестабільного стану, званого метастабільним станом, до відносно стабільного стану, як показано на рис. 8.2.5.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Ілюстрація гамма-випромінювання,\(\ce{\gamma}\) -промінь походить від радіоактивного ядра, змінює енергетичний стан, але не змінює ідентичність нуклеоїда. Джерело: Індуктивне навантаження/Громадське надбання

Символ m або * поруч із числом маси у вигляді верхнього індексу праворуч вказує на метастабільний стан батьківського нуклеоїда. Наприклад, технецій-99м - це\(\ce{\gamma}\) -випромінювач, який широко використовується в медичній візуалізації:

\[\ce{_{43}^{99m}{Tc} -> _{43}^{199}{Tc } + \gamma}\nonumber\]

Аналогічно бор-11м є\(\ce{\gamma}\) -емітером:

\[\ce{_{5}^{11m}{B} -> _{5}^{11}{B } + \gamma}\nonumber\]

Відзначимо, що нуклеоїд залишається\(\ce{\gamma}\) колишнім після -емісії, за винятком зміни форми метастабільності до більш стабільного стану, зазначеного m.

Часто\(\ce{\gamma}\) -емісія супроводжує\(\ce{\alpha}\) -емісія або\(\ce{\beta}\) -емісія. Наприклад, полоній-210 розпадається одночасним\(\ce{\alpha}\) -емісією і\(\ce{\gamma}\) -викидами.

\[\ce{_{84}^{210}{Po} -> _{82}^{206}{Pb } + _2^4He + \gamma}\nonumber\]

Аналогічно, іридій-192 використовується в імплантатах для лікування раку молочної залози, а кобальт-60 використовується як зовнішнє джерело випромінювання для лікування раку, одночасно випромінюють\(\ce{\beta}\) і\(\ce{\gamma}\) -промені.

\[\ce{_{77}^{192}{Ir} -> _{78}^{192}{Pt } + _{-1}^{0}{e} + \gamma}\nonumber\]

\[\ce{_{27}^{60}{Co} -> _{28}^{60}{Ni } + _{-1}^{0}{e} + \gamma}\nonumber\]

Йод-131 розпадається до\(\ce{\beta}\) -частинок і ксенон-131м, що швидко супроводжується\(\ce{\gamma}\) -розпадом ксенону 131m.

\[\ce{_{53}^{131}{I} -> _{54}^{131m}{Xe } + _{-1}^{0}{e}}\nonumber\]

\[\ce{_{54}^{131m}{Xe} -> _{54}^{131}{Xe} + \gamma}\nonumber\]

Рідше поширені форми радіоактивності

Відомо кілька порівняно менш поширених форм радіоактивності. Деякі приклади наведені нижче.

1. Нейтрон-емісія - це режим радіоактивного розпаду, при якому один або кілька нейтронів викидаються з ядра.
2. Протон-емісія - рідкісна форма радіоактивності, при якій протон випромінюється з нуклеоїда.
3. Спонтанне поділ - це радіоактивний процес, при якому більш масивний нуклеоїд розпадається на більш дрібні нуклеоїди, часто разом з викидом більш дрібних ядерних частинок.
4. При електронному захопленні захоплюється зовнішній електрон, щоб реагувати з протоном і виробляти нейтрон в ядрі.

Наприклад, берилій 7 розпадається шляхом захоплення електронів, як показано в наступному рівнянні.

\[\ce{_{4}^{7}{Be} + _{-1}^{0}{e} -> _{3}^{7}{Li} + \gamma}\nonumber\]

Зверніть увагу, що масове число залишається колишнім, але атомний номер зменшується на одиницю в процесі захоплення електронів.

Хром-51, який використовується для візуалізації селезінки, розпадається шляхом захоплення електронів і\(\ce{\gamma}\) -емісії.

\[\ce{_{24}^{51}{Cr} + _{-1}^{0}{e} -> _{23}^{51}{V} + \gamma}\nonumber\]

Резюме режиму розпаду радіоактивних нуклеоїдів

На рис. 8.2.6 підсумовуються зміни нуклеоїдного складу при різних радіоактивних подіях, описаних вище.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Діаграма переходу для режимів розпаду радіонукліду, з нейтронним номером N і атомним номером Z (показані є\(\ce{\alpha}\), β ^± є бета-частинкою, а позитрон, p ⁺ - протон, а n ⁰ - місії нейтронів, EC позначає захоплення електронів). Джерело: Марс Ровер/GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)