Radioaktivní rozpad prvků

Struktura vesmíru Radioaktivní rozpad v kontextu struktury vesmíru

Tvarování vesmíru vedlo k vytvoření několika prvků, které jsou náchylné k jaderným přeměnám . Každý radioaktivní rozpad , který dokážeme popsat, nám může poskytnout mnoho informací o tématech úzce souvisejících s konkrétním jádrem (jeho struktura, existující energetické stavy a interakce), ale také poskytuje informace o původu vesmíru. Empiricky bylo prokázáno, že existují tři hlavní typy záření, které se dělí podle schopnosti pronikat hmotou:

1. Alfa (α) záření , které má formu jader helia a vykazuje nízkou permeabilitu, což v praxi znamená potíže proniknout tenkým listem papíru;
2. Beta (β) záření , které je popisováno jako elektrony nebo pozitrony se stejnou hmotností, ale opačným nábojem, je schopno proniknout do hliníku až cca. 3 mm;
3. Gama (γ) záření , které odpovídá fotonům, má nejlepší schopnost průniku srovnatelnou s průnikem do olova do dvou a více centimetrů.

Historie radioaktivních rozpadů

Historii radioaktivních rozpadů inicioval Antoine Becquerel, který v roce 1896 pozoroval, že vložíme-li horninu bohatou na uran do uzavřené krabice s fotografickým filmem, film ztmavne. Došel k závěru, že to bylo způsobeno vyzařováním paprsků, které jsou pouhým okem neviditelné. S dnešními znalostmi můžeme uvést alespoň tři argumenty naznačující jaderný původ těchto paprsků:

1. Chemický stav : forma určitého prvku ve volném stavu nebo v chemické sloučenině neovlivňuje jeho radioaktivní schopnost;
2. Vnější faktory ovlivňující elektrony v atomu , jako je tlak nebo teplota, neovlivňují radioaktivní vlastnosti;
3. Běžně známé elektronové přechody v atomu nevytvářejí tak obrovské množství energie, které může dosáhnout milionů elektronvoltů.

Dnes je záření definováno jako procesy jaderné povahy, které mění hmotu na energii.

Alfa, beta a gama záření

Elektrické vlastnosti záření lze pozorovat díky jejich pohybům probíhajícím v homogenním magnetickém poli. Identifikace každého typu záření s jejich odpovídajícími molekulami je založena na vzorci pro Lorentzovu magnetickou sílu . Za předpokladu horizontální emise z bodu radioaktivního zdroje jsou částice s kladným nábojem nakloněny nahoru, částice s negativním nábojem dolů a částice bez náboje pronikají magnetickým polem, aniž by ovlivnily dráhu emise. Alfa záření odpovídá emisi ⁴ He heliového jádra . Beta záření se může vyskytovat dvěma způsoby: ve formě elektronů (β ^– ) nebo pozitronů (β ⁺ ). Gama záření určuje vysokoenergetickou emisi fotonů.

Alfa rozpad

Vyznačuje se hmotností a chemicky nestabilními jádry. Při rozpadu jádro ztrácí dva protony a stejný počet neutronů, což znamená snížení jeho atomového čísla o dvě a hmotnostního čísla o čtyři jednotky. Výsledkem této transformace je atom helia. Emisní jádro se nazývá primární jádro a jádro vytvořené během rozpadu se nazývá sekundární jádro. Základní označení alfa radioaktivního rozpadu lze uvést takto: První část takového zápisu, tj. , představuje primární jádro, sekundární jádro je , zatímco je částice alfa. Příkladem rozpadu alfa může být přeměna izotopu uranu ²³⁸ U, při které se atomové číslo sníží o dvě. Rozpad lze popsat jako následující rovnici: Energie uvolněná při rozpadu alfa se rovná kinetické energii jader helia a thoria. Vzhledem k hmotnosti jader thoria, a tedy jejich nižší rychlosti, je kinetická energie jader helia vyšší.

Beta rozpad

K tomu může dojít dvěma způsoby: emisí elektronů nebo pozitronů. Jejich náboje jsou opačné, ale jejich hmotnost je identická , takže někdy může být pozitron označován jako antielektron. Při úvahách o beta radioaktivním rozpadu vědci obvykle vycházeli z modelu molekuly (elektronu nebo pozitronu) vázané v jádře, která z něj při rozpadu uniká. Tento předpoklad byl zpochybněn, protože na základě Heisenbergova principu neurčitosti byla kinetická energie elektronu odhadnuta na o něco více než deset GeV. Empiricky však bylo prokázáno, že se rovná pouze několika megaelektrovoltům. To znamená, že rozpad beta nespočívá v úniku molekuly, ale v přeměně jednoho nukleonu na jiný. Při analýze rozpadu neutronu můžeme pozorovat následující přechod: Elektron, známý jako , má hmotnostní číslo rovné 0 a atomové číslo. To znamená, že jde o prakticky bezhmotnou molekulu se záporným nábojem. Proton má obě čísla rovna jedné. Přítomnost neutrina (v) je nutná vzhledem k zákonům zachování energie a hybnosti. Takové transformace probíhající v jádře způsobují slabé jaderné interakce. Příkladem izotopu podléhajícího rozpadu beta je izotop, který se rozpadá β ^– emise podle následující rovnice: Opačný proces, zahrnující výrobu pozitronu, nastává například u izotopu hliníku:

Gamma rozpad

Termín „gama rozpad“ označuje rozpad, ke kterému dochází, když se excitované jádro přemění do stavu s nižší energií, což má za následek emisi fotonů . Takový přechod je podobný přechodu elektronů na nižší energetické hladiny a může být označen symboly, kde * znamená excitovaný stav: Hmotnostní a atomová čísla se během gama rozpadu nemění. Jediná změna se týká typu jádra.

Radioaktivní prvky

Jejich atomy se samovolně rozpadají a emitují částice nebo paprsky. To je často doprovázeno emisí tepla a světla. V přírodě můžeme pozorovat čtyři skupiny radioaktivních prvků: thoridy, neptunidy, uranidy a aktinidy, jejichž názvy jsou odvozeny od mateřských prvků. Příklady:

1. Polonium – produkt atomových rozpadů, většinou obsahující uran-238. Je zdrojem alfa záření a používá se jako zdroj energie v satelitech.
2. Radon – vzniká dezintegrací radia, jehož izotop s atomovou hmotností 222 se používá při léčbě závažných případů rakoviny.

Radioaktivní série

Má se za to, že všechna jádra s atomovým číslem vyšším než 82 jsou nestabilní a podléhají spontánnímu rozpadu. Většina z nich se také vyznačuje krátkým životním cyklem, takže v přírodě nejsou pozorovány. Existuje však několik důležitých výjimek, jako jsou a , jejichž poločas rozpadu je 1,39·10 ¹⁰ let, respektive 7,04·10 ⁸ let. Rozpad těžkých jader může vést k dlouhé sérii rozpadů, protože každé vytvořené sekundární jádro se může stát primárním jádrem v následném rozpadu, dokud se nevytvoří stabilní jádro. Tento proces se nazývá radioaktivní série.