Radioaktīvā sabrukšana — definīcija, cēloņi un atklājumi

Vairumam oglekļa atomu kodolā ir seši protoni un seši neitroni. Šādu oglekli sauc par oglekli-12s (seši protoni + seši neitroni = 12). Tā atommasa ir 12. Ja oglekļa atomam ir vēl divi neitroni, tas ir ogleklis-14. Ogleklis-14 ķīmiski darbojas tāpat kā citi oglekļa atomi, jo tā ķīmiskās īpašības nosaka seši protoni un seši elektroni. Patiesībā ogleklis-14 ir visās dzīvās būtnēs; visi augi un dzīvnieki satur oglekli-14. Tomēr ogleklis-14 ir radioaktīvs. Tas sadalās beta sabrukšanas procesā, kļūstot par slāpekli-14. Ogleklis-14 nelielos daudzumos, kas sastopami dabā, ir nekaitīgs. Arheoloģijā šo oglekļa veidu izmanto, lai noteiktu koksnes un citu agrāk dzīvu lietu vecumu. Šo metodi sauc par radioglekļa datēšanu.

Ernests Roterfords atklāja, ka pastāv dažādi veidi, kā šīs daļiņas iekļūst vielā. Viņš atklāja divus atšķirīgus veidus, kurus viņš nosauca par alfa sabrukšanu un beta sabrukšanu. Pols Viljards 1900. gadā atklāja vēl trešo veidu. Ruterfords 1903. gadā to nosauca par gamma sabrukšanu.

Radioaktīvā oglekļa-14 pārveide no radioaktīvā oglekļa-14 uz stabilo slāpekli-14 ir radioaktīvā sabrukšana. Tas notiek, atomam izstarojot alfa daļiņu. Alfa daļiņa ir enerģijas impulss, kad elektrons vai pozitrons atstāj kodolu.

Vēlāk tika atklāti arī citi pūšanas veidi. Šie sabrukšanas veidi atšķiras viens no otra, jo dažādu veidu sabrukšanas rezultātā rodas dažāda veida daļiņas. Sākotnējo radioaktīvo kodolu sauc par mātes kodolu, bet kodolu, kurā tas pārvēršas, sauc par meitas kodolu. Radioaktīvo materiālu radītās augstas enerģijas daļiņas sauc par starojumu.

Šie dažādie sabrukšanas veidi var notikt secīgi, veidojot "sabrukšanas ķēdi". Viena veida kodols sadalās uz citu kodolu, kas atkal sadalās uz citu kodolu un tā tālāk, līdz tas kļūst par stabilu izotopu un ķēdes process beidzas.

Katram elementam ir atšķirīgs ātrums, ar kādu šīs pārmaiņas notiek. Radioaktīvo sabrukšanu nosaka nejaušība: Laiku, kas vidēji nepieciešams, lai puse vielas atomu mainītos, sauc par pusperiodu. Ātrumu nosaka eksponenciāla funkcija. Piemēram, joda (¹³¹ I) pussabrukšanas periods ir aptuveni 8 dienas. Plutonija pussabrukšanas periods ir no 4 stundām (²⁴³ Pu) līdz 80 miljoniem gadu (²⁴⁴ Pu).

Radioaktīvā sabrukšana pārvērš atomu no atoma ar augstāku enerģiju kodolā par atomu ar zemāku enerģiju. Kodola enerģijas maiņa tiek piešķirta daļiņām, kas tiek radītas. Radioaktīvās sabrukšanas rezultātā atbrīvoto enerģiju var pārnest gamma staru elektromagnētiskais starojums (gaismas veids), beta daļiņa vai alfa daļiņa. Visos šajos gadījumos kodola enerģijas izmaiņas tiek pārnestas. Un visos šajos gadījumos atoma pozitīvo un negatīvo protonu un elektronu pozitīvo un negatīvo lādiņu kopējais skaits pirms un pēc pārmaiņām ir vienāds ar nulli.

Alfa sabrukšanas laikā atoma kodols izdala alfa daļiņu. Alfa sabrukšanas rezultātā kodols zaudē divus protonus un divus neitronus. Alfa sabrukšanas rezultātā atoms pārvēršas par citu elementu, jo atoms zaudē divus protonus (un divus elektronus). Piemēram, ja amerīcijs izietu alfa sabrukšanas procesu, tas pārvērstos par neptūniju, jo neptūnijs ir definēts ar to, ka tam ir par diviem protoniem mazāk nekā amerīcijam. Alfa sabrukšana parasti notiek vissmagākajos elementos, piemēram, urānā, torijā, plutonijā un rādī.

Alfa daļiņas nevar izkļūt cauri pat dažiem centimetriem gaisa. Alfa starojums nevar kaitēt cilvēkiem, ja alfa starojuma avots atrodas ārpus cilvēka ķermeņa, jo cilvēka āda neļauj alfa daļiņām izkļūt cauri. Alfa starojums var būt ļoti kaitīgs, ja tā avots atrodas cilvēka organismā, piemēram, ja cilvēks ieelpo putekļus vai gāzi, kas satur materiālus, kuri sadalās, izstarojot alfa daļiņas (starojumu).

Pastāv divu veidu beta sabrukšana - beta plus un beta mīnus.

Beta-mīnus sabrukšanas laikā kodols atdod negatīvi lādētu elektronu, un neitrons pārvēršas protonā:

n 0 → p + + e - + ν e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}}_{e}}}. .

kur

n 0 {\displaystyle n^{0}} ir neitrons

  p + {\displaystyle \ p^{+}} ir protons.

e - {\displaystyle e^{-}} ir elektrons.

ν e {\displaystyle {\bar {\nu }}}_{e}} ir antineitrīno.

Beta-mīnus sabrukšana notiek kodolreaktoros.

Beta plus sabrukšanas laikā kodols atbrīvo pozitronu, kas ir līdzīgs elektronam, bet ir pozitīvi lādēts, un protons pārvēršas par neitronu:

  p + → n 0 + e + + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}}}. .

kur

  p + {\displaystyle \ p^{+}} ir protons.

n 0 {\displaystyle n^{0}} ir neitrons

e + {\displaystyle e^{+}} ir pozitrons.

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} ir neitrīno.

Beta plus sabrukšana notiek saulē un dažos daļiņu paātrinātāju veidos.

Gamma sadalīšanās notiek, kad kodols rada augstas enerģijas enerģijas paketi, ko sauc par gamma staru. Gamma stariem nav elektriskā lādiņa, bet tiem ir leņķiskais moments. Gamma starus kodoli parasti izstaro uzreiz pēc citiem sabrukšanas veidiem. Gamma starus var izmantot, lai caurskatītu materiālu, iznīcinātu baktērijas pārtikā, atklātu dažu veidu slimības un ārstētu dažu veidu vēzi. Gamma stariem ir vislielākā enerģija no visiem elektromagnētiskajiem viļņiem, un gamma staru uzliesmojumi no kosmosa ir visenerģētiskākie zināmie enerģijas izstarojumi.