Радіоактивний розпад елементів

Будова Всесвіту Радіоактивний розпад у контексті будови Всесвіту

Формування Всесвіту призвело до формування кількох елементів, які схильні до ядерних перетворень . Кожен радіоактивний розпад , який ми можемо описати, може дати нам багато інформації на теми, тісно пов’язані з певним ядром (його структура, існуючі енергетичні стани та взаємодії), а також надає інформацію про походження Всесвіту. Досвідченим шляхом доведено, що існує три основних види випромінювання, які поділяються за здатністю проникати крізь речовину:

1. Альфа (α) випромінювання , яке має форму ядер гелію та має низьку проникність, що на практиці означає труднощі проникнення через тонкий аркуш паперу;
2. Бета (β) випромінювання , яке описується як електрони або позитрони з такою самою масою, але протилежним зарядом, здатне проникати в алюміній до прибл. 3 мм;
3. Гамма (γ) випромінювання , що відповідає фотонам, має найкращу проникаючу здатність, яку можна порівняти з проникненням у свинець на 2 або більше сантиметрів.

Історія радіоактивних розпадів

Історія радіоактивного розпаду була започаткована Антуаном Беккерелем, який у 1896 році помітив, що якщо ми помістимо багату ураном породу в закриту коробку з фотоплівкою, плівка потемніє. Він дійшов висновку, що це сталося через випромінювання променів, невидимих ​​неозброєним оком. Завдяки сучасним знанням ми можемо навести принаймні три аргументи, які свідчать про ядерне походження таких променів:

1. Хімічний стан : форма певного елемента у вільному стані або в хімічній сполукі не впливає на його радіоактивну здатність;
2. Зовнішні фактори, що впливають на електрони в атомі , такі як тиск або температура, не впливають на радіоактивні властивості;
3. Загальновідомі електронні переходи в атомі не генерують такої величезної кількості енергії, яка може досягати мільйонів електронвольт.

Сьогодні радіація визначається як процеси ядерної природи, які перетворюють масу в енергію.

Альфа, бета і гамма випромінювання

Електричні властивості випромінювання можна спостерігати завдяки його рухам, що відбуваються в однорідному магнітному полі. Ідентифікація кожного типу випромінювання з відповідними молекулами базується на формулі магнітної сили Лоренца . Припускаючи горизонтальне випромінювання з точки радіоактивного джерела, частинки з позитивним зарядом нахилені вгору, з негативним зарядом – вниз, а частинки без заряду проникають крізь магнітне поле, не впливаючи на шлях випромінювання. Альфа-випромінювання відповідає випромінюванню ядра гелію ⁴ He . Бета-випромінювання може відбуватися двома шляхами: у формі електронів (β ^– ) або позитронів (β ⁺ ). Гамма-випромінювання визначає високоенергетичне випромінювання фотонів.

Альфа-розпад

Характеризується вагою і хімічно нестійкими ядрами. При розпаді ядро ​​втрачає два протони і стільки ж нейтронів, що означає зменшення його атомного номера на дві і масового числа на чотири одиниці. Результатом цього перетворення є атом гелію. Ядро, що випромінює, називається первинним ядром, а те, що утворюється під час розпаду, називається вторинним ядром. Основне позначення альфа-радіоактивного розпаду можна представити таким чином: Перша частина такого позначення, тобто , становить первинне ядро, вторинне ядро ​​— , а альфа-частинка. Прикладом альфа-розпаду може бути перетворення ізотопу урану ²³⁸ U, під час якого атомний номер зменшується на два. Розпад можна позначити у вигляді наступного рівняння: Енергія, що виділяється при альфа-розпаді, дорівнює кінетичній енергії ядер гелію і торію. Завдяки масі ядер торію, а отже, їх меншій швидкості, кінетична енергія ядер гелію більша.

Бета-розпад

Це може відбуватися двома шляхами: з випромінюванням електронів або позитронів. Їх заряди протилежні, але маса однакова , тому іноді позитрон можна називати антиелектроном. При розгляді бета-радіоактивного розпаду вчені зазвичай використовували модель обмеженої в ядрі молекули (електрона або позитрона), яка виривається з нього під час розпаду. Це припущення було оскаржено, оскільки на основі принципу невизначеності Гейзенберга кінетична енергія електрона була оцінена трохи більше десяти ГеВ. Однак емпірично доведено, що він дорівнює лише кільком мегаелектроновольтам. Це означає, що бета-розпад полягає не у вильоті молекули, а в перетворенні одного нуклона в інший. Аналізуючи процес розпаду нейтрона, можна спостерігати наступний перехід: Електрон, позначений як , має масове число, що дорівнює 0, і атомний номер. Це означає, що це практично безмасова молекула з негативним зарядом. У протона обидва числа дорівнюють одиниці. Наявність нейтрино (v) необхідна з огляду на закони збереження енергії та імпульсу. Такі перетворення, що відбуваються в ядрі, викликають слабкі ядерні взаємодії. Прикладом ізотопу, що піддається бета-розпаду, є , який розпадається за допомогою β ^– випромінювання відповідно до наступного рівняння: Протилежний процес, що включає утворення позитронів, відбувається, наприклад, в ізотопі алюмінію:

Гамма-розпад

Термін «гамма-розпад» відноситься до розпаду, який відбувається, коли збуджене ядро ​​переходить у стан з нижчою енергією, що призводить до випромінювання фотонів . Такий перехід подібний до переходу електронів на нижчі енергетичні рівні і може бути позначений символами, де * позначає збуджений стан: Маса та атомні номери не змінюються під час гамма-розпаду. Єдина зміна стосується типу ядра.

Радіоактивні елементи

Їхні атоми спонтанно розпадаються, випускаючи частинки або промені. Це часто супроводжується виділенням тепла і світла. У природі ми можемо спостерігати чотири групи радіоактивних елементів: ториди, нептуніди, ураніди та актиноїди, назви яких походять від батьківських елементів. Приклади:

1. Полоній – продукт атомного розпаду, в основному за участю урану-238. Це джерело альфа-випромінювання і використовується як джерело енергії в супутниках.
2. Радон – утворюється в результаті розпаду радію, ізотоп якого з атомною масою 222 використовується при лікуванні важких випадків раку.

Радіоактивний ряд

Вважається, що всі ядра з атомним номером вище 82 нестабільні і схильні до спонтанного розпаду. Для більшості з них також характерний короткий життєвий цикл, тому в природі вони не спостерігаються. Однак є кілька важливих винятків, таких як і , період напіврозпаду яких становить 1,39·10 ¹⁰ років і 7,04·10 ⁸ років відповідно. Розпад важких ядер може призвести до тривалої серії розпадів, оскільки кожне утворене вторинне ядро ​​може стати первинним ядром у наступному розпаді, доки не утвориться стабільне ядро. Цей процес називається радіоактивним рядом.