10.1: Ядерне випромінювання

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22866

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

Результати навчання

Визначте радіоактивність.
Опишіть радіоізотоп.
Поясніть, як радіоактивність передбачає зміну ядра радіоізотопу.
Поясніть характеристики форм випромінювання.
Опишіть і запишіть рівняння для первинних типів радіоактивного розпаду.

Марія Кюрі (1867 - 1934) була польським вченим, який став піонером досліджень ядерної радіації (рис.\(\PageIndex{1}\)). Вона була удостоєна Нобелівської премії з фізики в 1903 році разом зі своїм чоловіком П'єром і Антуаном Анрі Беккерелем за роботу з радіоактивності. Вона була удостоєна другої Нобелівської премії в 1911 році, на цей раз з хімії, за продовження досліджень радіоактивних елементів. У цьому уроці ви дізнаєтеся про радіоактивність, причини, чому певні елементи і ізотопи є радіоактивними, а також про найпоширеніші види процесів радіоактивного розпаду.

Радіоактивність

Радіоактивність була виявлена абсолютно випадково. У 1896 році Анрі Беккерель вивчав вплив певних солей урану на фотоплівкові пластини. Він вважав, що солі впливають на плівку тільки тоді, коли на них потрапляли сонячні промені. Він випадково виявив, що солі урану, які не піддавалися впливу сонячних променів, все ще впливали на фотопластини. Кюрі, партнери Беккереля в той час, показали, що уран випромінював тип променя, який взаємодіяв з плівкою. Марія Кюрі назвала це радіоактивністю. Радіоактивність - це спонтанний розпад ядра атома випромінюванням частинок і/або випромінювання. Випромінювання - це випромінювання енергії через простір у вигляді частинок і/або хвиль.

Ядерні реакції сильно відрізняються від хімічних реакцій. У хімічних реакціях атоми стають більш стабільними, беручи участь у передачі електронів або ділившись електронами з іншими атомами. У ядерних реакціях саме ядро атома набуває стабільності, зазнаючи якихось змін. Деякі елементи не мають стабільних ізотопів, а це означає, що будь-який атом цього елемента є радіоактивним. Для деяких інших елементів радіоактивними є лише певні ізотопи. Радіоізотоп - це ізотоп елемента, який нестійкий і піддається радіоактивному розпаду. Енергії, які виділяються в ядерних реакціях, на багато порядків більше енергій, що беруть участь в хімічних реакціях. На відміну від хімічних реакцій, на ядерні реакції не відчутно впливають зміни умов навколишнього середовища, такі як температура або тиск.

Відкриття радіоактивності і її впливу на ядра елементів спростувало припущення Дальтона про те, що атоми неподільні. Нуклід - це термін для атома з певною кількістю протонів і нейтронів в його ядрі. Як ми побачимо, коли нукліди одного типу випромінюють випромінювання, вони перетворюються на різні нукліди. Радіоактивний розпад є спонтанним і не вимагає введення енергії, щоб відбутися. Стійкість конкретного нукліду залежить від складу його ядра, включаючи кількість протонів, кількість нейтронів, співвідношення протон до нейтронів.

Смуга стабільності

Вуглець-12, з шістьма протонами і шістьма нейтронами, є стабільним ядром, що означає, що воно мимовільно не випромінює радіоактивність. Вуглець-14, з шістьма протонами і вісьмома нейтронами, нестабільний і природно радіоактивний. Серед атомів з меншими атомними номерами ідеальне співвідношення нейтронів до протонів становить приблизно 1:1. Зі збільшенням атомного числа стабільне співвідношення нейтрон-протон поступово збільшується приблизно до 1,5:1 для найважчих відомих елементів. Наприклад, свинець-206 - стабільне ядро, яке містить 124 нейтрона і 82 протона, співвідношення 1,51 до 1.

Це спостереження показано на малюнку нижче. Смуга стійкості - це діапазон стабільних ядер на графіку, який відображає кількість нейтронів в нукліді проти кількості протонів. Відомі стабільні нукліди показані окремими синіми крапками, тоді як співвідношення 1:1 та 1. 5:1 показані суцільною червоною лінією та зеленою лінією відповідно.

Слід зазначити, що саме тому, що ядро «нестійке» (здатне піддаватися спонтанному радіоактивному розпаду) не означає, що воно буде швидко розкладатися. Наприклад, уран-238 нестійкий, оскільки він мимовільно розпадається з плином часу, але якщо зразку урану-238 дозволять сидіти протягом 1000 років, то згниє лише\(0.0000155\%\) частина зразка. Однак інші нестабільні ядра, такі як беркелій-243, майже повністю зникнуть (>\(99.9999\%\) згнили) менш ніж за добу.

Радіоактивний розпад

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. Ядерна реакція - це реакція, яка впливає на ядро атома. 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.

\[\ce{^{210}_{84}Po} \rightarrow \ce{^{206}_{82}Pb} + \ce{^4_2He}\]

Зверніть увагу, що в збалансованому ядерному рівнянні сума атомних чисел (індекси) і сума масових чисел (надскриптів) повинні бути однаковими по обидва боки рівняння. Нагадаємо систему позначень ізотопів, яка показує як атомний номер, так і масове число разом з хімічним символом.

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-розпад

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-розпад 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. Малюнок нижче).

Бета-розпад

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 з великою швидкістю викидається з ядра. Бета-частинка\(\left( \beta \right)\) - це високошвидкісний електрон, що випромінюється з ядра атома під час деяких видів радіоактивного розпаду (див. Малюнок нижче). 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.

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 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.

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

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

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.

Резюме ядерної радіації

Наведена нижче таблиця узагальнює основні види ядерного випромінювання, включаючи заряд, масу, символ і проникаючу силу. Проникаюча здатність відноситься до відносної здатності випромінювання проходити через звичайні матеріали. Випромінювання з високою проникаючою здатністю потенційно небезпечніше, оскільки воно може проходити через шкіру і завдавати клітинних пошкоджень.

Таблиця\(\PageIndex{1}\) *зведення видів ядерного випромінювання.*
Тип	Символ	Масове число	Заряджати	Проникнення влади	Екранування
Альфа-частинки	\(\ce{^4_2He}\)або\( \alpha \)	4	\(2+\)	Низький	Папір, шкіра
бета-частинки	\(\ce{^0_{-1}e}\)або\( \beta \)	0	\(1-\)	Помірний	Тканина важка, пластик
Позитрон	\(\ce{^0_1e}\)або\( \beta^+ \)	0	\(1+\)	Помірний	Тканина важка, пластик
Гамма-випромінювання	\(\gamma\)або\(^0_0\gamma\)	0	0	Високий	Свинець, бетон
Нейтрон	\(\ce{^1_0n}\)	1	0	Високий	Вода, свинець

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Інфографіка, що показує різні властивості випромінювання. «Посібник з різних типів випромінювання» є Compound Interest ліцензується відповідно до CC BY NC ND 4.0.

Додаткові ресурси

Огляд атомної структури: www.ScienceGeek.net/Хімія... t1Numbers2.htm
Балансування ядерних рівнянь: www.ScienceGeek.net/Хімія... rEquations.htm
Ядерний розпад: www.ScienceGeek.net/Хімія... cleardecay.htm