Alfa- ja beetasäteilyä kutsutaan yleisesti radioaktiiviseksi hajoamiseksi. Tämä on prosessi, joka on subatomisten hiukkasten päästöt ytimestä, joka tapahtuu v altavalla nopeudella. Tämän seurauksena atomi tai sen isotooppi voi muuttua kemiallisesta alkuaineesta toiseen. Ytimen alfa- ja beetahajoaminen ovat tyypillisiä epävakaille alkuaineille. Näitä ovat kaikki atomit, joiden varausluku on suurempi kuin 83 ja massaluku suurempi kuin 209.
Reaktioolosuhteet
Hajoaminen, kuten muutkin radioaktiiviset muutokset, on luonnollista ja keinotekoista. Jälkimmäinen johtuu jonkin vieraan hiukkasen pääsystä ytimeen. Se, kuinka paljon alfa- ja beetahajoamista atomi voi läpikäydä, riippuu vain siitä, kuinka pian vakaa tila saavutetaan.
Luonnollisissa olosuhteissa tapahtuu alfa- ja beeta-hajoamisia.
Keinotekoisissa olosuhteissa esiintyy neutroneja, positroneja, protoneja ja muita harvinaisempia ytimien hajoamis- ja muunnostyyppejä.
Nämä nimet antoi Ernest Rutherford, joka tutki radioaktiivista säteilyä.
Ero vakaan ja epävakaan välilläydin
Hajoamiskyky riippuu suoraan atomin tilasta. Niin sanottu "stabiili" eli ei-radioaktiivinen ydin on ominaista hajoamattomille atomeille. Teoriassa tällaisia elementtejä voidaan tarkkailla loputtomiin, jotta voidaan lopulta vakuuttua niiden stabiilisuudesta. Tämä on tarpeen tällaisten ytimien erottamiseksi epästabiileista ytimistä, joilla on erittäin pitkä puoliintumisaika.
Virheessä tällainen "hidas" atomi voidaan sekoittaa vakaaksi. Kuitenkin telluuri ja tarkemmin sanottuna sen isotooppi numero 128, jonka puoliintumisaika on 2,2·1024 vuotta, voi olla silmiinpistävä esimerkki. Tämä tapaus ei ole yksittäinen. Lantaani-138:n puoliintumisaika on 1011 vuotta. Tämä ajanjakso on kolmekymmentä kertaa olemassa olevan universumin ikä.
Radioaktiivisen hajoamisen ydin
Tämä prosessi tapahtuu satunnaisesti. Jokainen hajoava radionuklidi saavuttaa nopeuden, joka on vakio jokaisessa tapauksessa. Hajoamisnopeus ei voi muuttua ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta. Sillä ei ole väliä, tapahtuuko reaktio v altavan gravitaatiovoiman vaikutuksesta absoluuttisessa nollapisteessä, sähkö- ja magneettikentässä, minkä tahansa kemiallisen reaktion aikana ja niin edelleen. Prosessiin voidaan vaikuttaa vain suoralla vaikutuksella atomiytimen sisäosaan, mikä on käytännössä mahdotonta. Reaktio on spontaani ja riippuu vain atomista, jossa se etenee, ja sen sisäisestä tilasta.
Kun viitataan radioaktiiviseen hajoamiseen, termiä "radionuklidi" käytetään usein. Niille, jotka eivät oletuntenut sen, sinun pitäisi tietää, että tämä sana tarkoittaa ryhmää atomeja, joilla on radioaktiivisia ominaisuuksia, oma massaluku, atomiluku ja energiatila.
Erilaisia radionuklideja käytetään teknisillä, tieteellisillä ja muilla ihmiselämän aloilla. Esimerkiksi lääketieteessä näitä elementtejä käytetään sairauksien diagnosoinnissa, lääkkeiden, työkalujen ja muiden esineiden käsittelyssä. On jopa useita terapeuttisia ja prognostisia radiolääkkeitä.
Isotoopin määritelmä ei ole yhtä tärkeä. Tämä sana viittaa tietyntyyppisiin atomeihin. Niillä on sama atominumero kuin tavallisella alkuaineella, mutta eri massaluku. Tämä ero johtuu neutronien määrästä, jotka eivät vaikuta varaukseen, kuten protonit ja elektronit, mutta muuttavat niiden massaa. Esimerkiksi yksinkertaisessa vedyssä niitä on peräti 3. Tämä on ainoa alkuaine, jonka isotoopeille on annettu nimet: deuterium, tritium (ainoa radioaktiivinen) ja protium. Muissa tapauksissa nimet annetaan atomimassan ja pääalkuaineen mukaan.
Alfa-hajoaminen
Tämä on eräänlainen radioaktiivinen reaktio. Se on tyypillistä luonnollisille alkuaineille kemiallisten alkuaineiden jaksollisen järjestelmän kuudennen ja seitsemännen jakson aikana. Erityisesti keinotekoisille tai transuraanielementeille.
Alfa-hajoamisen alaiset elementit
Metallien lukumäärään, joille on ominaista tämä hajoaminen, kuuluvat torium, uraani ja muut kuudennen ja seitsemännen jakson alkuaineet kemiallisten alkuaineiden jaksollisesta taulukosta vismutista laskettuna. Prosessi läpikäy myös isotooppeja raskaiden joukostakohteita.
Mitä tapahtuu reaktion aikana?
Kun alfahajoaminen alkaa, hiukkasten emissio ytimestä koostuu kahdesta protonista ja neutroniparista. Itse säteilevä hiukkanen on heliumatomin ydin, jonka massa on 4 yksikköä ja varaus +2.
Tämän seurauksena näkyviin tulee uusi elementti, joka sijaitsee kaksi solua alkuperäisen vasemmalla puolella jaksollisessa taulukossa. Tämän järjestelyn määrää se tosiasia, että alkuperäinen atomi on menettänyt 2 protonia ja sen mukana - alkuvarauksen. Tuloksena saadun isotoopin massa pienenee 4 massayksikköä verrattuna alkutilaan.
Esimerkkejä
Tämän hajoamisen aikana toriumia muodostuu uraanista. Toriumista tulee radiumia, radonia, joka lopulta antaa poloniumia, ja lopulta lyijyä. Tässä prosessissa muodostuu näiden alkuaineiden isotoopit, eivät ne itse. Joten käy ilmi, että uraani-238, torium-234, radium-230, radon-236 ja niin edelleen, vakaan elementin ilmestymiseen asti. Tällaisen reaktion kaava on seuraava:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Valitun alfahiukkasen nopeus päästöhetkellä on 12-20 tuhatta km/s. Tyhjiössä tällainen hiukkanen kiertäisi maapallon kahdessa sekunnissa ja liikkuisi päiväntasaajaa pitkin.
Beta Decay
Tämän hiukkasen ja elektronin välinen ero on ilmestymispaikassa. Beetahajoaminen tapahtuu atomin ytimessä, ei sitä ympäröivässä elektronikuoressa. Yleisin kaikista olemassa olevista radioaktiivisista muutoksista. Se voidaan havaita lähes kaikissa nykyisin olemassa olevissakemiallisia alkuaineita. Tästä seuraa, että jokaisessa alkuaineessa on vähintään yksi isotooppi, joka on alttiina hajoamiselle. Useimmissa tapauksissa beeta-hajoaminen johtaa beeta-miinus-hajoamiseen.
Reaktiokulku
Tässä prosessissa ytimestä irtoaa elektroni, joka on syntynyt neutronin spontaanin muuttumisen seurauksena elektroniksi ja protoniksi. Tässä tapauksessa suuremman massan vuoksi protonit jäävät ytimeen, ja elektroni, jota kutsutaan beeta-miinushiukkaseksi, poistuu atomista. Ja koska protoneja on enemmän yksikköä kohden, itse elementin ydin muuttuu ylöspäin ja sijaitsee jaksollisessa taulukossa alkuperäisen oikealla puolella.
Esimerkkejä
Beetan hajoaminen kalium-40:llä muuttaa sen kalsiumin isotoopiksi, joka sijaitsee oikealla. Radioaktiivisesta kalsium-47:stä tulee skandium-47, joka voi muuttua vakaaksi titaani-47:ksi. Miltä tämä beta-hajoaminen näyttää? Kaava:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Beetahiukkasen nopeus on 0,9 kertaa valon nopeus, joka on 270 000 km/s.
Luontossa ei ole liikaa beeta-aktiivisia nuklideja. Merkittäviä on hyvin vähän. Esimerkki on kalium-40, joka on vain 119/10 000 luonnollisessa seoksessa. Merkittävien luonnollisten beeta-miinusaktiivisten radionuklidien joukossa ovat myös uraanin ja toriumin alfa- ja beetahajoamistuotteet.
Beetahajoamisesta on tyypillinen esimerkki: torium-234, joka alfahajoamisessa muuttuu protaktinium-234:ksi ja sitten samalla tavalla uraaniksi, mutta sen toinen isotooppi numero 234. Tämä uraani-234 taas johtuu alfasta rappeutumisesta tuleetorium, mutta jo sen erilainen lajike. Tämä torium-230 muuttuu sitten radium-226:ksi, joka muuttuu radoniksi. Ja samassa järjestyksessä talliumiin asti, vain eri beeta-siirtymillä takaisin. Tämä radioaktiivinen beetahajoaminen päättyy vakaan lyijy-206:n muodostumiseen. Tällä muunnoksella on seuraava kaava:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-2433452 At-2433452 At-218 -218 -26-34-34-218-64-343 Pb-206
Luonnollisia ja merkittäviä beeta-aktiivisia radionuklideja ovat K-40 ja alkuaineet talliumista uraaniin.
Beta-plus-hajoaminen
Siellä on myös beta plus -muunnos. Sitä kutsutaan myös positronibeetan hajoamiseksi. Se lähettää ytimestä hiukkasen, jota kutsutaan positroniksi. Tuloksena on alkuperäisen elementin muunnos vasemmalla olevaksi elementiksi, jolla on pienempi numero.
Esimerkki
Kun elektronien beeta-hajoaminen tapahtuu, magnesium-23:sta tulee vakaa natriumin isotooppi. Radioaktiivisesta europium-150:stä tulee samarium-150.
Tuloksena oleva beeta-hajoamisreaktio voi aiheuttaa beeta+- ja beetapäästöjä. Hiukkasten pakonopeus molemmissa tapauksissa on 0,9 kertaa valon nopeus.
Muut radioaktiiviset hajoamiset
Tällaisten reaktioiden, kuten alfahajoaminen ja beetahajoaminen, joiden kaava tunnetaan laaj alti, lisäksi on muitakin prosesseja, jotka ovat harvinaisempia ja tyypillisempiä keinotekoisille radionuklideille.
Neutronien hajoaminen. Säteilee 1 yksikön neutraali hiukkanenmassat. Sen aikana yksi isotooppi muuttuu toiseksi, jolla on pienempi massaluku. Esimerkkinä voisi olla litium-9:n muuntaminen litium-8:ksi, helium-5:n muuntaminen helium-4:ksi.
Kun jodi-127:n vakaa isotooppi säteilytetään gammasäteillä, siitä tulee isotooppi numero 126 ja se saa radioaktiivisuutta.
Protonien hajoaminen. Se on erittäin harvinainen. Sen aikana säteilee protoni, jonka varaus on +1 ja 1 massayksikkö. Atomipaino pienenee yhdellä arvolla.
Kaiken radioaktiivisen muuntumisen, erityisesti radioaktiivisen hajoamisen, mukana vapautuu energiaa gammasäteilyn muodossa. He kutsuvat sitä gammasäteiksi. Joissakin tapauksissa havaitaan alhaisemman energian röntgensäteitä.
Gammahajoaminen. Se on gamma-kvanttien virta. Se on sähkömagneettista säteilyä, kovempaa kuin röntgensäde, jota käytetään lääketieteessä. Tämän seurauksena gamma-kvantteja ilmaantuu tai energia virtaa atomin ytimestä. Röntgensäteet ovat myös sähkömagneettisia, mutta ne ovat peräisin atomin elektronikuorista.
Alfahiukkaset juoksevat
Alfahiukkaset, joiden massa on 4 atomiyksikköä ja joiden varaus on +2, liikkuvat suorassa linjassa. Tämän vuoksi voimme puhua alfahiukkasten valikoimasta.
Ajon arvo riippuu alkuenergiasta ja vaihtelee välillä 3-7 (joskus 13) cm ilmassa. Tiheässä väliaineessa se on millimetrin sadasosa. Tällainen säteily ei voi läpäistä levyäpaperi ja ihmisen iho.
Oman massansa ja varauslukunsa ansiosta alfahiukkasella on suurin ionisoiva teho ja se tuhoaa kaiken tiellään. Tässä suhteessa alfaradionuklidit ovat vaarallisimpia ihmisille ja eläimille altistuessaan keholle.
Beta-hiukkasten tunkeutuminen
Pienen massaluvun, joka on 1836 kertaa pienempi kuin protoni, negatiivisen varauksen ja koon vuoksi beetasäteilyllä on heikko vaikutus aineeseen, jonka läpi se lentää, mutta lisäksi lento on pidempi. Myöskään hiukkasen reitti ei ole suora. Tässä suhteessa he puhuvat tunkeutumiskyvystä, joka riippuu vastaanotetusta energiasta.
Radioaktiivisen hajoamisen aikana syntyvien beetahiukkasten tunkeutumiskyky saavuttaa 2,3 m ilmassa, nesteissä se lasketaan senttimetreinä ja kiintoaineissa - senttimetrin murto-osissa. Ihmiskehon kudokset välittävät 1,2 cm syvää säteilyä. Suojaamiseksi beetasäteilyltä voi toimia yksinkertainen, jopa 10 cm:n vesikerros Hiukkasten virtaus, jolla on riittävän korkea 10 MeV hajoamisenergia, absorboituu melkein kokonaan sellaisiin kerroksiin: ilma - 4 m; alumiini - 2,2 cm; rauta - 7,55 mm; lyijy - 5,2 mm.
Beeta-säteilyn hiukkasilla on pieni kokonsa vuoksi alhainen ionisointikyky alfa-hiukkasiin verrattuna. Nieltynä ne ovat kuitenkin paljon vaarallisempia kuin ulkoisen altistuksen aikana.
Neutronilla ja gammalla on tällä hetkellä paras läpäisykyky kaikista säteilytyypeistä. Näiden säteilyn kantama ilmassa saavuttaa joskus kymmeniä ja satojametriä, mutta heikompi ionisointikyky.
Useimmat gammasäteiden isotoopit eivät ylitä energiaa 1,3 MeV. Harvoin saavutetaan arvot 6,7 MeV. Tässä suhteessa suojaamiseksi tällaiselta säteilyltä vaimennustekijänä käytetään teräs-, betoni- ja lyijykerroksia.
Esimerkiksi koboltti-gammasäteilyn vaimentamiseksi kymmenkertaiseksi tarvitaan noin 5 cm paksu lyijysuojaus, 100-kertaiseen vaimenemiseen tarvitaan 9,5 cm. Betonisuojaus on 33 ja 55 cm ja vesi - 70 cm ja 115 cm.
Neutronien ionisointikyky riippuu niiden energiatehokkuudesta.
Paras tapa suojautua säteilyltä kaikissa tilanteissa on pysyä mahdollisimman kaukana lähteestä ja viettää mahdollisimman vähän aikaa korkean säteilyn alueella.
Atomiytimien fissio
Atomien ytimien fissiolla tarkoitetaan spontaania tai neutronien vaikutuksen alaista ytimen jakautumista kahteen, suunnilleen samankokoiseen osaan.
Näistä kahdesta osasta tulee alkuaineiden radioaktiivisia isotooppeja kemiallisten alkuaineiden taulukon pääosasta. Alkaen kuparista lantanideihin.
Vapautumisen aikana pari ylimääräistä neutronia karkaa ja gamma-kvanttien muodossa on ylimääräistä energiaa, joka on paljon suurempi kuin radioaktiivisen hajoamisen aikana. Joten yhdessä radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä ilmestyy yksi gamma-kvantti ja fission aikana 8, 10 gamma-kvanttia. Myös hajallaan olevilla fragmenteilla on suuri kineettinen energia, joka muuttuu lämpöindikaattoreiksi.
Vapautuneet neutronit voivat aiheuttaa samank altaisten ytimien parin eroamisen, jos ne sijaitsevat lähellä ja neutronit osuvat niihin.
Tämä lisää haaroittuvan, kiihtyvän ketjureaktion mahdollisuuden, jossa atomiytimet hajoavat ja syntyy suuri määrä energiaa.
Kun tällainen ketjureaktio on hallinnassa, sitä voidaan käyttää tiettyihin tarkoituksiin. Esimerkiksi lämmitykseen tai sähköön. Tällaisia prosesseja suoritetaan ydinvoimalaitoksissa ja reaktoreissa.
Jos menetät reaktion hallinnan, tapahtuu atomiräjähdys. Samanlaista käytetään ydinaseissa.
Luonnollisissa olosuhteissa on vain yksi alkuaine - uraani, jolla on vain yksi halkeamiskykyinen isotooppi numerolla 235. Se on aselaatua.
Tavallisessa uraaniatomireaktorissa uraani-238:sta ne muodostavat neutronien vaikutuksesta uuden isotoopin numerossa 239 ja siitä plutoniumin, joka on keinotekoista ja jota ei esiinny luonnossa. Tässä tapauksessa tuloksena olevaa plutonium-239:ää käytetään asetarkoituksiin. Tämä atomiytimien fissioprosessi on kaikkien atomiaseiden ja energian ydin.
Ilmiöt, kuten alfahajoaminen ja beetahajoaminen, joiden kaavaa tutkitaan koulussa, ovat aikamme yleisiä. Näiden reaktioiden ansiosta on olemassa ydinvoimaloita ja monia muita ydinfysiikkaan perustuvia aloja. Älä kuitenkaan unohda monien näiden alkuaineiden radioaktiivisuutta. Niiden kanssa työskennellessä vaaditaan erityistä suojausta ja kaikkien varotoimenpiteiden noudattamista. Muuten tämä voi johtaakorjaamaton katastrofi.
