11.4: Ядерний розпад
- Page ID
- 21884
Цілі навчання
- Написати і збалансувати ядерні рівняння.
Нестабільні ядра мимовільно випромінюють випромінювання у вигляді частинок і енергії. Це, як правило, змінює кількість протонів та/або нейтронів в ядрі, що призводить до більш стабільного нукліду. Одним з видів ядерної реакції є радіоактивний розпад, реакція, при якій ядро мимовільно розпадається на трохи світліше ядро, що супроводжується викидом частинок, енергії або обох. Нижче наведено приклад, в якому ядро атома полонію радіоактивно розпадається в свинцеве ядро.
\[\ce{^{235}_{92}U \rightarrow \, _2^4He + \, _{90}^{231}Th} \label{Eq2}\]
Зверніть увагу, що в збалансованому ядерному рівнянні сума атомних чисел (індекси) і сума масових чисел (надскриптів) повинні бути однаковими по обидва боки рівняння. Звідки ми знаємо, що продукт реакції є\(\ce{_{90}^{231}Th}\)? Ми використовуємо модифікований тип закону збереження речовини, який говорить про те, що ми повинні мати однакову кількість протонів і нейтронів по обидва боки хімічного рівняння. Якщо наше уранове ядро втрачає 2 протони від альфа-частинки, то залишається 90 протонів, ідентифікуючи елемент як торій. Більш того, якщо ми втратимо 4 ядерних частинки початкового 235, залишилося 231. Таким чином, ми використовуємо віднімання для ідентифікації ізотопу атома торію - в даному випадку\(\ce{^{231}_{90}Th}\).
Оскільки кількість протонів змінюється в результаті цієї ядерної реакції, ідентичність елемента змінюється. Трансмутація - це зміна ідентичності ядра в результаті зміни кількості протонів. Існує кілька різних видів природного радіоактивного розпаду, і ми розглянемо кожен окремо.
Альфа-емісія
Альфа-частинка\(\left( \alpha \right)\) - це ядро гелію з двома протонами і двома нейтронами. Альфа-частинки виділяються під час деяких видів радіоактивного розпаду. Чистий заряд альфа-частинки є\(2+\), а його маса приблизно\(4 \: \text{amu}\). Символ альфа-частинки в ядерному рівнянні зазвичай\(\ce{^4_2He}\), хоча іноді\(\alpha\) використовується. Альфа-емісія зазвичай відбувається для дуже важких ядер, в яких ядра нестабільні через велику кількість нуклонів. Для ядер, які піддаються альфа-розпаду, їх стійкість підвищується за рахунок віднімання двох протонів і двох нейтронів. Наприклад, уран-238 розпадається на торій-234 викидом альфа-частинки (див. Рис.\(\PageIndex{1}\)).
Приклад\(\PageIndex{1}\): Радон-222
Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад радону-222 викидом альфа-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп.
Рішення
Радон має атомний номер 86, тому батьківський ізотоп представлений у вигляді\(\ce{^{222}_{86}Rn}\). Ми представляємо альфа-частинку як\(\ce{^{4}_{2}He}\) і використовуємо віднімання (222 − 4 = 218 і 86 − 2 = 84) для ідентифікації дочірнього ізотопу як ізотопу полонію\(\mathrm{^{218}_{84}Po}\):
\[\ce{_{86}^{222}Rn\rightarrow \, _2^4He + \, _{84}^{218}Po} \nonumber\]
Вправа\(\PageIndex{1}\): Полоній-209
Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад полонію-209 викидом альфа-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп.
- Відповідь
-
\[\ce{_{84}^{209}Po\rightarrow \, _2^4He + \, _{82}^{205}Pb} \nonumber\]
Бета-емісія
Ядра над смугою стабільності нестабільні, оскільки їх відношення нейтронів до протонів занадто високе. Щоб зменшити це співвідношення, нейтрон в ядрі здатний перетворитися на протон і електрон. Електрон відразу ж з великою швидкістю викидається з ядра. Бета-частинка\(\left( \beta \right)\) - це високошвидкісний електрон, що випромінюється з ядра атома при деяких видах радіоактивного розпаду (див.\(\PageIndex{2}\) Рис. Символ бета-частинки в рівнянні є\(\beta\) або\(\ce{^0_{-1}e}\). Вуглець-14 піддається бета-розпаду, трансмутуючи в ядро азоту-14.
\[\ce{^{14}_6C} \rightarrow \ce{^{14}_7N} + \ce{^0_{-1}e}\]
Відзначимо, що бета-розпад збільшує атомний номер на одиницю, але масове число залишається колишнім.
Приклад\(\PageIndex{2}\): Бор-12
Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад боро-12 випромінюванням бета-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп. Гамма-промінь випромінюється одночасно з бета-частинкою.
Рішення
Батьківський ізотоп в той\(\ce{^{12}_{5}B}\) час як один з продуктів є електроном,\(\ce{^{0}_{-1}e}\). Щоб маса і атомні номери мали однакове значення з обох сторін, масовий номер дочірнього ізотопу повинен бути 12, а його атомний номер - 6. Елемент, що має атомний номер 6, - вуглець. Таким чином, повне ядерне рівняння виглядає наступним чином:
\[\ce{_5^{12}B\rightarrow \, _6^{12}C + \, _{-1}^0e + \gamma} \nonumber\]
Дочірнім ізотопом є\(\ce{^{12}_6 C}\).
Вправа\(\PageIndex{2}\): Йод-131
Напишіть ядерне рівняння, яке представляє радіоактивний розпад йоду-131 викидом бета-частинок і ідентифікуйте дочірній ізотоп. Гамма-промінь випромінюється одночасно з бета-частинкою.
- Відповідь
-
\[\ce{_53^{131}I\rightarrow \, _54^{131}Xe + \, _{-1}^0e + \gamma} \nonumber\]
Гамма-випромінювання
Гамма-промені\(\left( \gamma \right)\) - це електромагнітні хвилі дуже високої енергії, що випромінюються з ядра. Гамма-промені випромінюються ядром, коли ядерні частинки проходять переходи між рівнями ядерної енергії. Це аналогічно електромагнітному випромінюванню, що випромінюється, коли збуджені електрони падають від більш високого до нижчого рівня енергії; різниця лише в тому, що ядерні переходи виділяють набагато більше енергійного випромінювання. Випромінювання гамма-променів часто супроводжує розпад нукліду іншими засобами.
\[\ce{^{230}_{90}Th} \rightarrow \ce{^{226}_{88}Ra} + \ce{^4_2He} + \gamma\]
Випромінювання гамма-випромінювання не впливає на атомний номер або масове число продуктів, але знижує їх енергію.
Позитронна емісія
Ядра нижче смуги стабільності нестабільні, оскільки їх відношення нейтронів до протонів занадто низьке. Один із способів збільшити це співвідношення полягає в тому, щоб протон в ядрі перетворився на нейтрон, а інша частинка називається позитроном. Позитрон - це частинка з тією ж масою, що і електрон, але з позитивним зарядом. Як і бета-частинка, позитрон негайно викидається з ядра при його утворенні. Символ позитрона в рівнянні є\(\ce{^0_{+1}e}\). Наприклад, калій-38 виділяє позитрон, стаючи аргон-38.
\[\ce{^{38}_{19}K} \rightarrow \ce{^{38}_{18}Ar} + \ce{^0_1e}\]
Позитронна емісія зменшує атомний номер на одиницю, але масове число залишається колишнім.
Захоплення електронами
Альтернативним способом для нукліду збільшити своє відношення нейтронів до протона є явище, яке називається захопленням електронів, симполізований E.C. При захопленні електронів електрон з внутрішньої орбіти захоплюється ядром атома і поєднується з протоном для утворення нейтрона. Наприклад, срібло-106 піддається електронному захвату, щоб стати паладій-106.
\[\ce{^{106}_{47}Ag} + \ce{^0_{-1}e} \rightarrow \ce{^{106}_{46}Pd}\]
Зауважимо, що загальний результат захоплення електронів ідентичний позитронному випромінюванню. Атомний номер зменшується на одиницю, тоді як масове число залишається колишнім.
Резюме ядерної радіації
У таблиці\(\PageIndex{1}\) наведено характеристики різних видів радіоактивного розпаду.
Тип | Символ | Зміна атомного номера | Зміна масового числа | Зміна кількості нейтронів |
---|---|---|---|---|
Альфа-емісія | \(\ce{^4_2He}\)або\( \alpha \) | —2 | —4 | —2 |
Бета-емісія | \(\ce{^0_{-1}e}\)або\( \beta \) | +1 | 0 | —1 |
Гамма-випромінювання | \(\gamma\)або\(^0_0\gamma\) | 0 | 0 | 0 |
Позитронна емісія | \(\ce{^0_1e}\)або\( \beta^+ \) | —1 | 0 | +1 |
захоплення електронів | Е.С. | —1 | 0 | +1 |
Приклад\(\PageIndex{3}\)
Напишіть збалансоване ядерне рівняння, щоб описати кожну реакцію.
- бета-розпад\(^{35}_{16}\textrm{S}\)
- розпад\(^{201}_{80}\textrm{Hg}\) шляхом захоплення електронів
- розпад\(^{30}_{15}\textrm{P}\) за допомогою позитронного випромінювання
Дано: радіоактивний нуклід і режим розпаду
Запитано: збалансоване ядерне рівняння
Стратегія:
A Визначте реагенти та продукти з наданої інформації.
B Використовуйте значення A і Z, щоб визначити будь-які відсутні компоненти, необхідні для збалансування рівняння.
Рішення
а.
A Ми знаємо ідентичності реагенту та одного з продуктів (β частинки). Тому ми можемо почати з написання рівняння, яке показує реагент та один із продуктів та вказує невідомий продукт як\(^{A}_{Z}\textrm{X}\):\[^{35}_{16}\textrm{S}\rightarrow\,^{A}_{Z}\textrm{X}+\,^{0}_{-1}\beta \nonumber\]
B Оскільки в ядерній реакції повинні бути збережені як протони, так і нейтрони, невідомий продукт повинен мати масове число A = 35 − 0 = 35 і атомний номер Z = 16 − (−1) = 17. Елемент з Z = 17 - хлор, тому збалансоване ядерне рівняння виглядає наступним чином:\[^{35}_{16}\textrm{S}\rightarrow\,^{35}_{17}\textrm{Cl}+\,^{0}_{-1}\beta \nonumber\]
б.A Ми знаємо ідентичності обох реагентів:\(^{201}_{80}\textrm{Hg}\) і внутрішнього електрона,\(^{0}_{-1}\textrm{e}\). Реакція наступна:\[^{201}_{80}\textrm{Hg}+\,^{0}_{-1}\textrm e\rightarrow\,^{A}_{Z}\textrm{X} \nonumber\]
B І протони, і нейтрони законсервовані, тому масовий номер продукту повинен бути A = 201 + 0 = 201, а атомний номер виробу повинен бути Z = 80 + (−1) = 79, що відповідає елементу золото. Таким чином, збалансоване ядерне рівняння\[^{201}_{80}\textrm{Hg}+\,^{0}_{-1}\textrm e\rightarrow\,^{201}_{79}\textrm{Au} \nonumber\]
c.A Як і в частині (а), нам даються ідентичності реагенту і одного з продуктів - в даному випадку позитрона. Таким чином, незбалансоване ядерне рівняння\[^{30}_{15}\textrm{P}\rightarrow\,^{A}_{Z}\textrm{X}+\,^{0}_{+1}\beta \nonumber\]
B Масове число другого твору - A = 30 − 0 = 30, а його атомний номер Z = 15 − 1 = 14, що відповідає кремнію. Збалансоване ядерне рівняння для реакції виглядає наступним чином:\[^{30}_{15}\textrm{P}\rightarrow\,^{30}_{14}\textrm{Si}+\,^{0}_{+1}\beta \nonumber\]
Вправа\(\PageIndex{3}\)
Напишіть збалансоване ядерне рівняння, щоб описати кожну реакцію.
- \(^{11}_{6}\textrm{C}\)за допомогою позитронного випромінювання
- бета-розпад молібдену-99
- емісія частинки α з подальшим гамма-випромінюванням\(^{185}_{74}\textrm{W}\)
- Відповідь на
-
\(^{11}_{6}\textrm{C}\rightarrow\,^{11}_{5}\textrm{B}+\,^{0}_{+1}\beta\)
- Відповідь d
-
\(^{99}_{42}\textrm{Mo}\rightarrow\,^{99m}_{43}\textrm{Tc}+\,^{0}_{-1}\beta\)
- Відповідь c
-
\(^{185}_{74}\textrm{W}\rightarrow\,^{181}_{72}\textrm{Hf}+\,^{4}_{2}\alpha +\,^{0}_{0}\gamma\)
Приклад\(\PageIndex{4}\)
Прогнозуйте, які ядерні зміни зазнає кожен нестабільний нуклід, коли він розпадається.
- \(^{45}_{22}\textrm{Ti}\)
- \(^{242}_{94}\textrm{Pu}\)
- \(^{12}_{5}\textrm{B}\)
- \(^{256}_{100}\textrm{Fm}\)
Дано: нуклід
Запитано: тип ядерного розпаду
Стратегія:
Виходячи з співвідношення нейтрон до протона і значення Z, прогнозують тип реакції ядерного розпаду, яка буде виробляти більш стабільний нуклід.
Рішення
- Цей нуклід має відношення нейтрон-протон всього 1,05, що набагато менше, ніж вимога стабільності для елемента з атомним номером в цьому діапазоні. Ядра, які мають низьке співвідношення нейтрон-протон, розпадаються шляхом перетворення протона в нейтрон. Дві можливості - позитронна емісія, яка перетворює протон в нейтрон і позитрон, і захоплення електронів, який перетворює протон і серцевий електрон в нейтрон. При цьому спостерігаються обидва, при цьому випромінювання позитронів відбувається близько 86% часу і захоплення електронів близько 14% часу.
- Ядра з Z > 83 занадто важкі, щоб бути стабільними і зазвичай піддаються альфа-розпаду, що зменшує як масове число, так і атомний номер. Таким\(^{242}_{94}\textrm{Pu}\) чином, очікується розпад альфа-емісії.
- Цей нуклід має відношення нейтрон до протона 1,4, що дуже високо для світлового елемента. Ядра з високими співвідношеннями нейтрон до протона розпадаються шляхом перетворення нейтрона в протон і електрон. Електрон випромінюється у вигляді β частинки, а протон залишається в ядрі, викликаючи збільшення атомного номера без зміни числа маси. Тому ми прогнозуємо, що\(^{12}_{5}\textrm{B}\) зазнає бета-розпаду.
- Це масивний нуклід, з атомним номером 100 і масовим числом набагато більше 200. Нукліди з A ≥ 200 мають тенденцію до розпаду шляхом альфа-емісії, і навіть більш важкі ядра схильні до спонтанного поділу. Тому ми прогнозуємо, що\(^{256}_{100}\textrm{Fm}\) буде занепадати будь-яким або обома цими двома процесами. Насправді він розпадається як спонтанним поділом, так і альфа-емісією, у співвідношенні 97:3.
Вправа\(\PageIndex{4}\)
Прогнозуйте, які ядерні зміни зазнає кожен нестабільний нуклід, коли він розпадається.
- \(^{32}_{14}\textrm{Si}\)
- \(^{43}_{21}\textrm{Sc}\)
- \(^{231}_{91}\textrm{Pa}\)
- Відповідь на
-
бета-розпад
- Відповідь d
-
позитронна емісія або захоплення електронів
- Відповідь c
-
альфа-розпад