Radioaktīvā sabrukšana — definīcija, cēloņi un atklājumi
Radioaktīvā sabrukšana notiek ar dažiem ķīmiskajiem elementiem. Lielākā daļa ķīmisko elementu ir stabili. Ķīmiskie elementi sastāv no atomiem. Stabilu elementu atomi paliek nemainīgi. Pat ķīmiskās reakcijās paši atomi nekad nemainās.
19. gadsimtā Anrī Bekerels atklāja, ka dažu ķīmisko elementu atomi mainās. Marija un Pjērs Kirī 1898. gadā šo parādību nosauca par radioaktīvo sabrukšanu. Par šo atklājumu Bekerels un Kirī 1903. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā.
Kas ir radioaktīvā sabrukšana?
Radioaktīvā sabrukšana ir process, kurā nestabils atoma kodols spontāni pārvēršas citā kodolā, izdalot enerģiju un dažādus starojuma veidus. Šo procesu izraisa kodola iekšējā nestabilitāte — par daudz vai par maz neitronu attiecībā pret protoniem vai enerģijas stāvoklis, kurā kodols var samazināt savu iekšējo enerģiju, pārejot zemākā enerģijas stāvoklī.
Kādas ir galvenās sabrukšanas sugas?
- Alfa (α) sabrukšana — kodols izdala alfa daļiņu (divi protoni un divi neitroni, t.i., hēlija kodols). Alfa starojums ir ļoti jonizējošs, bet viegli apturams (piem., papīrs vai cilvēka āda).
- Beta (β) sabrukšana — kodolā viens neitrons pārvēršas par protonu un izdalās elektrons (beta minus) vai viens protons pārvēršas par neitronu un izdalās pozitrons (beta plus). Beta daļiņas iekļūst dziļāk par alfa, bet tās var apturēt plāns alumīnija slānis.
- Gamma (γ) starojums — elektromagnētiskie fotoni ar ļoti lielu enerģiju; tie parasti seko alfa vai beta sabrukšanai, jo kodols atbrīvo lieko enerģiju. Gamma stari ir ļoti caurlaidīgi un prasa blīvus materiālus (piem., svins vai betons) lai tos apturētu.
- Ir arī citas, retākas reakcijas — piemēram, pozitronu emisija, elektronuztvēršana un spontāna kodola dalīšana (fāzēšana) ļoti smagos kodolos.
Kāpēc kodoli kļūst radioaktīvi?
Kodolus padara radioaktīvus to iekšējā neitronu un protonu attiecība un kodola kopējā kodolspēja (binding energy). Ja kodols atrodas stāvoklī, kurā tas var samazināt enerģiju vai iegūt stabilāku protonu–neitronu izlīdzinājumu, tas var spontāni sabrukt. Dažos gadījumos nelielas izmaiņas (piem., viena neitrona pārvēršanās par protonu) ievada ķēdīti ar turpmākiem sabrukšanas soļiem, kas beidzas ar stabilu produkta izveidi.
Pusperiods (half-life) un sabrukšanas ātrums
Pusperiods ir laiks, kurā no sākotnējā radioaktīvo atomu skaita atliks puse. Tas ir raksturīgs konkrētam radioaktīvam izotopam un var svārstīties no miljarddaļām sekundes līdz miljardiem gadu. Radioaktīvā sabrukšana ir nejaušs process katram atsevišķam atomam, bet liels atomu daudzums kopumā uzvedas prognozējami, sekojot eksponenciālai likmei.
Sarakstes un pārveidošanās
Daudzi radioaktīvi izotopi sabrūk secīgi, veidojot sabrukšanas ķēdes. Piemēram, urāns var pārvērsties caur vairākiem starpposmiem par stabilāka elementa izotopu, izdalot dažādu veidu starojumu.
Kā to atklāja un kā izmanto mūsdienās
Kā minēts, radioaktivitāti 19. gadsimta beigās atklāja Anrī Bekerels, bet tālākos pētījumos Marija un Pjērs Kirī atklāja jaunas radioaktīvas vielas un izskaidroja šo parādību, par ko viņi saņēma Nobela prēmiju fizikā.
Mūsdienās radioaktivitātei ir daudzas lietojumprogrammas:
- Medicīna: diagnostikā (radiofarmakoloģiskie marķieri), ārstēšanā (radioterapija) un attēlveidošanā.
- Arheoloģija un ģeoloģija: radiokarbona datēšana un citi radioizotopu datēšanas paņēmieni.
- Rūpniecība: materiālu testēšana, sterilizācija, ķīmiskie marķieri.
- Energija: kodolreaktori ražo elektrību, izmantojot kontrolētu kodola dalīšanos.
Starojuma detektēšana un drošība
- Starojumu mēra ar dažādiem instrumentiem: Geiģera–Mēllera skaitītāji, skintiļācijas detektori, pusvadītāju detektori un mākonīšu kameras.
- Drošības principi: laiks, attālums, aizsardzība — samazināt laiku pakļaujoties starojumam, palielināt attālumu no avota un izmantot piemērotu norobežošanu (svins, betons vai citi materiāli).
- Kontaminācijas risks: šķidrās vai cietas radioaktīvas vielas var piesārņot virsmas un radīt ilgstošu risku; ir svarīga pareiza tās uzglabāšana un likvidācija.
Noslēgums
Radioaktīvā sabrukšana ir dabīgs un fundamentāls nukleārs process ar gan bīstamām, gan ļoti noderīgām sekām. Sapratne par sabrukšanas veidiem, pusperiodiem un drošības principiem ļauj to izmantot medicīnā, zinātnē un industrijā, vienlaikus samazinot riskus cilvēkiem un videi.
Simbolu "trepete" izmanto, lai apzīmētu radioaktīvo materiālu.
Piemērs
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.
Dažādi sabrukšanas veidi
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.
Bojāejas ātrums
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).
Kodola pārvērtības un enerģija
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 sabrukums
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).
Beta sabrukums
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
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.
