Alfa in beta sevanje se na splošno imenuje radioaktivni razpad. To je proces, ki je emisija subatomskih delcev iz jedra, ki se odvija z ogromno hitrostjo. Posledično se atom ali njegov izotop lahko spremeni iz enega kemičnega elementa v drugega. Za nestabilne elemente so značilni alfa in beta razpadi jeder. Sem spadajo vsi atomi s številom naboja večjim od 83 in masnim številom večjim od 209.
Pogoji reakcije
Razgradnja je, tako kot druge radioaktivne transformacije, naravna in umetna. Slednje nastane zaradi vdora kakšnega tujega delca v jedro. Koliko alfa in beta razpada atom lahko doživi, je odvisno samo od tega, kako hitro je doseženo stabilno stanje.
V naravnih okoliščinah pride do razpada alfa in beta minus.
V umetnih pogojih so prisotni nevtroni, pozitron, proton in druge, redkejše vrste razpadov in transformacij jeder.
Ta imena je dal Ernest Rutherford, ki je preučeval radioaktivno sevanje.
Razlika med stabilnim in nestabilnimjedro
Zmožnost razpadanja je neposredno odvisna od stanja atoma. Za nerazpadajoče atome je značilno tako imenovano »stabilno« ali neradioaktivno jedro. Teoretično lahko takšne elemente opazujemo neomejeno, da se dokončno prepričamo v njihovo stabilnost. To je potrebno, da se takšna jedra ločijo od nestabilnih, ki imajo izjemno dolgo razpolovno dobo.
Po pomoti lahko tako "počasen" atom zamenjamo za stabilnega. Toda telur in natančneje njegov izotop številka 128, ki ima razpolovno dobo 2,2·1024 let, je lahko presenetljiv primer. Ta primer ni osamljen. Lantan-138 ima razpolovno dobo 1011 let. To obdobje je tridesetkrat starejše od obstoječega vesolja.
Bistvo radioaktivnega razpada
Ta postopek se zgodi naključno. Vsak razpadajoči radionuklid pridobi konstantno hitrost za vsak primer. Stopnja razpadanja se ne more spremeniti pod vplivom zunanjih dejavnikov. Ni pomembno, ali bo do reakcije prišlo pod vplivom ogromne gravitacijske sile, pri absolutni ničli, v električnem in magnetnem polju, med katero koli kemično reakcijo itd. Na proces lahko vplivamo le z neposrednim udarcem na notranjost atomskega jedra, kar je praktično nemogoče. Reakcija je spontana in je odvisna samo od atoma, v katerem poteka, in njegovega notranjega stanja.
Ko se nanaša na radioaktivne razpade, se pogosto uporablja izraz "radionuklid". Za tiste, ki nisoseznanjeni z njim, morate vedeti, da ta beseda označuje skupino atomov, ki imajo radioaktivne lastnosti, lastno masno število, atomsko število in energijsko stanje.
Različni radionuklidi se uporabljajo na tehničnih, znanstvenih in drugih področjih človeškega življenja. Na primer, v medicini se ti elementi uporabljajo pri diagnosticiranju bolezni, predelavi zdravil, orodij in drugih predmetov. Obstajajo celo številna terapevtska in prognostična radijska zdravila.
Nič manj pomembna ni definicija izotopa. Ta beseda se nanaša na posebno vrsto atomov. Imajo enako atomsko številko kot navadni element, vendar drugačno masno število. To razliko povzroča število nevtronov, ki ne vplivajo na naboj, tako kot protoni in elektroni, ampak spreminjajo njihovo maso. Preprosti vodik jih ima na primer kar 3. To je edini element, katerega izotopi so dobili imena: devterij, tritij (edini radioaktivni) in protij. V drugih primerih so imena podana glede na atomske mase in glavni element.
Alfa razpad
To je neke vrste radioaktivna reakcija. Značilen je za naravne elemente iz šestega in sedmega obdobja periodnega sistema kemičnih elementov. Še posebej za umetne ali transuranove elemente.
Elementi, ki so podvrženi alfa razpadu
Število kovin, za katere je značilen ta razpad, vključujejo torij, uran in druge elemente šeste in sedme dobe iz periodnega sistema kemičnih elementov, šteto od bizmuta. V procesu so izpostavljeni tudi izotopi iz težkihpredmeti.
Kaj se zgodi med reakcijo?
Ko se začne alfa razpad, sevanje iz jedra delcev, sestavljenih iz 2 protonov in para nevtronov. Sam oddani delec je jedro atoma helija z maso 4 enote in nabojem +2.
Kot rezultat, se pojavi nov element, ki se nahaja dve celici levo od izvirnika v periodnem sistemu. Ta razporeditev je določena z dejstvom, da je prvotni atom izgubil 2 protona in skupaj z njim - začetni naboj. Posledično se masa nastalega izotopa zmanjša za 4 masne enote v primerjavi z začetnim stanjem.
Primeri
Med tem razpadom nastane torij iz urana. Iz torija izhaja radij, iz njega prihaja radon, ki sčasoma daje polonij in na koncu svinec. V tem procesu nastanejo izotopi teh elementov in ne oni sami. Tako se izkaže, da je uran-238, torij-234, radij-230, radon-236 in tako naprej, do videza stabilnega elementa. Formula za takšno reakcijo je naslednja:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Hitrost izbranega alfa delca v trenutku emisije je od 12 do 20 tisoč km/s. V vakuumu bi tak delec obkrožil globus v 2 sekundah in se premikal vzdolž ekvatorja.
Beta Decay
Razlika med tem delcem in elektronom je v mestu videza. Beta razpad se pojavi v jedru atoma, ne v elektronski lupini, ki ga obdaja. Najpogostejša od vseh obstoječih radioaktivnih transformacij. Opaziti ga je mogoče v skoraj vseh trenutno obstoječihkemični elementi. Iz tega sledi, da ima vsak element vsaj en izotop, ki je podvržen razpadanju. V večini primerov razpad beta povzroči razpad beta minus.
Reakcijski tok
V tem procesu se iz jedra izloči elektron, ki je nastal zaradi spontane preobrazbe nevtrona v elektron in proton. V tem primeru zaradi večje mase protoni ostanejo v jedru, elektron, imenovan beta minus delec, pa zapusti atom. In ker je na enoto več protonov, se jedro samega elementa spremeni navzgor in se nahaja desno od izvirnika v periodnem sistemu.
Primeri
Razpad beta s kalijem-40 ga spremeni v kalcijev izotop, ki se nahaja na desni. Radioaktivni kalcij-47 postane skandij-47, ki se lahko spremeni v stabilen titan-47. Kako izgleda ta beta razpad? Formula:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Hitrost beta delca je 0,9-kratna hitrost svetlobe, kar je 270.000 km/sek.
V naravi ni preveč beta-aktivnih nuklidov. Pomembnejših je zelo malo. Primer je kalij-40, ki je v naravni mešanici le 119/10.000. Med pomembne naravne beta minus aktivne radionuklide so tudi produkti razpada alfa in beta urana in torija.
Beta razpad ima tipičen primer: torij-234, ki se pri alfa razpadu spremeni v protaktinij-234, nato pa na enak način postane uran, vendar njegov drugi izotop številka 234. Ta uran-234 spet zaradi alfa razpad postanetorij, vendar že drugačna njegova sorta. Ta torij-230 nato postane radij-226, ki se spremeni v radon. In v istem zaporedju, do talija, le z različnimi beta prehodi nazaj. Ta radioaktivni beta razpad se konča s tvorbo stabilnega svinca-206. Ta transformacija ima naslednjo formulo:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> At-344 -2643 -643 Bi Pb-206
Naravni in pomembni beta aktivni radionuklidi so K-40 in elementi od talija do urana.
Beta-plus razpad
Obstaja tudi preobrazba beta plus. Imenuje se tudi pozitron beta razpad. Iz jedra oddaja delec, imenovan pozitron. Rezultat je preoblikovanje prvotnega elementa v tistega na levi, ki ima nižjo številko.
Primer
Ko pride do beta razpada elektronov, postane magnezij-23 stabilen natrijev izotop. Radioaktivni europij-150 postane samarij-150.
Nastala reakcija razpada beta lahko povzroči emisije beta+ in beta. Hitrost ubežanja delcev je v obeh primerih 0,9-kratna hitrost svetlobe.
Drugi radioaktivni razpadi
Poleg reakcij, kot sta alfa razpad in beta razpad, katerih formula je splošno znana, obstajajo tudi drugi procesi, ki so redkejši in bolj značilni za umetne radionuklide.
Nevtronski razpad. Oddaja se nevtralen delec z 1 enotomaše. Med njo se en izotop spremeni v drugega z manjšim masnim številom. Primer bi bila pretvorba litija-9 v litij-8, helija-5 v helij-4.
Ko stabilen izotop joda-127 obsevamo z gama žarki, postane izotop številka 126 in postane radioaktiven.
Protonski razpad. Je izjemno redka. Med tem se odda proton, ki ima naboj +1 in 1 enoto mase. Atomska teža se zmanjša za eno vrednost.
Vsako radioaktivno transformacijo, zlasti radioaktivni razpad, spremlja sproščanje energije v obliki gama sevanja. Imenujejo ga gama žarki. V nekaterih primerih opazimo rentgenske žarke z nižjo energijo.
Razpad gama. To je tok gama kvantov. Gre za elektromagnetno sevanje, trše od rentgenskih žarkov, ki se uporablja v medicini. Posledično se pojavijo gama kvanti oziroma energija teče iz atomskega jedra. Rentgenski žarki so tudi elektromagnetni, vendar izvirajo iz elektronskih lupin atoma.
Alfa delci tečejo
Alfa delci z maso 4 atomskih enot in nabojem +2 se premikajo v ravni črti. Zaradi tega lahko govorimo o razponu alfa delcev.
Vrednost teka je odvisna od začetne energije in se giblje od 3 do 7 (včasih 13) cm v zraku. V gostem mediju je stotinka milimetra. Takšno sevanje ne more prodreti skozi listpapir in človeška koža.
Zaradi lastne mase in naboja ima alfa delec največjo ionizirajočo moč in uniči vse na svoji poti. V zvezi s tem so alfa radionuklidi najbolj nevarni za ljudi in živali, ko so izpostavljeni telesu.
Penetracija delcev beta
Zaradi majhnega masnega števila, ki je 1836-krat manjše od protona, negativnega naboja in velikosti, beta sevanje slabo vpliva na snov, skozi katero leti, poleg tega pa je let daljši. Tudi pot delca ni ravna. V zvezi s tem govorijo o sposobnosti prodiranja, ki je odvisna od prejete energije.
Prodorna moč beta delcev, ki nastanejo med radioaktivnim razpadom, doseže v zraku 2,3 m, v tekočinah se šteje v centimetrih, v trdnih snoveh pa v delcih centimetra. Tkiva človeškega telesa prenašajo sevanje 1,2 cm globoko. Za zaščito pred beta sevanjem lahko služi preprosta plast vode do 10 cm Tok delcev z dovolj visoko razpadno energijo 10 MeV skoraj popolnoma absorbirajo takšne plasti: zrak - 4 m; aluminij - 2,2 cm; železo - 7,55 mm; svinec - 5,2 mm.
Glede na njihovo majhnost imajo delci beta sevanja nizko ionizacijsko zmogljivost v primerjavi z delci alfa. Vendar pa so ob zaužitju veliko bolj nevarni kot pri zunanji izpostavljenosti.
Nevtron in gama imata trenutno najvišjo prodorno zmogljivost med vsemi vrstami sevanja. Obseg teh sevanj v zraku včasih doseže desetine in stotinemetrov, vendar z nižjo ionizacijsko učinkovitostjo.
Večina izotopov gama žarkov ne presega energije 1,3 MeV. Redko se dosežejo vrednosti 6,7 MeV. V zvezi s tem se za zaščito pred takšnim sevanjem uporabljajo plasti jekla, betona in svinca za faktor dušenja.
Na primer, za desetkratno zmanjšanje kob altnega gama sevanja je potrebna svinčena zaščita debeline približno 5 cm, za 100-kratno dušenje je potrebna 9,5 cm. Betonska zaščita bo 33 in 55 cm, voda pa 70 cm. in 115 cm.
Ionizacijska učinkovitost nevtronov je odvisna od njihove energetske učinkovitosti.
V vsaki situaciji je najboljši način za zaščito pred sevanjem ostati čim dlje od vira in preživeti čim manj časa v območju visokega sevanja.
Fisija atomskih jeder
Pod cepljenjem atomskih jeder je mišljena spontana ali pod vplivom nevtronov delitev jedra na dva dela, približno enaka velika.
Ta dva dela postaneta radioaktivna izotopa elementov iz glavnega dela tabele kemičnih elementov. Začenši od bakra do lantanidov.
Med sproščanjem uide nekaj dodatnih nevtronov in nastane presežek energije v obliki gama kvantov, ki je veliko večji kot pri radioaktivnem razpadu. Tako se pri enem aktu radioaktivnega razpada pojavi en gama kvanti, med cepitvenim dejanjem pa 8, 10 gama kvantov. Prav tako imajo razpršeni drobci veliko kinetično energijo, ki se spremeni v toplotne indikatorje.
Sproščeni nevtroni lahko izzovejo ločitev para podobnih jeder, če se nahajajo v bližini in jih nevtroni zadenejo.
To povečuje možnost razvejanja, pospešuje verižno reakcijo cepitve atomskih jeder in ustvarja veliko količino energije.
Ko je takšna verižna reakcija pod nadzorom, jo je mogoče uporabiti za določene namene. Na primer za ogrevanje ali elektriko. Takšni procesi se izvajajo v jedrskih elektrarnah in reaktorjih.
Če izgubite nadzor nad reakcijo, se zgodi atomska eksplozija. Podobno se uporablja v jedrskem orožju.
V naravnih razmerah obstaja le en element - uran, ki ima samo en cepljiv izotop s številko 235. Je orožje.
V navadnem atomskem reaktorju urana iz urana-238 pod vplivom nevtronov tvorijo nov izotop s številko 239, iz njega pa plutonij, ki je umeten in se ne pojavlja v naravi. V tem primeru se nastali plutonij-239 uporablja za namene orožja. Ta proces cepitve atomskih jeder je bistvo vsega atomskega orožja in energije.
Pojavi, kot sta alfa razpad in beta razpad, katerih formulo preučujejo v šoli, so v našem času zelo razširjeni. Zahvaljujoč tem reakcijam obstajajo jedrske elektrarne in številne druge industrije, ki temeljijo na jedrski fiziki. Vendar ne pozabite na radioaktivnost mnogih od teh elementov. Pri delu z njimi je potrebna posebna zaščita in upoštevanje vseh varnostnih ukrepov. V nasprotnem primeru lahko to privede donepopravljiva katastrofa.
