Радиоактивно разпадане – определение, механизъм и история
Определение
Радиоактивното разпадане е спонтанен процес, при който нестабилно ядро на атом излъчва частици и/или електромагнитно лъчение и се преобразува в друго ядро. Този процес се наблюдава при някои химични елементи, докато повечето химични елементи са стабилни. Химичните елементи се състоят от атоми, а при химичните реакции самите атоми обикновено не се променят — промяната тук настъпва в самото ядро и води до трансформация на един елемент в друг.
Механизъм и видове разпад
Ядрото става радиоактивно, когато съотношението между протони и неутрони или общото му енергийно състояние са такива, че за ядрото е енергийно изгодно да се преобразува. Основните видове ядрено разпадане са:
- Алфа-разпад — емитира се алфа-частица (ядро на хелий, 2 протона и 2 неутрона). Това намалява масовото число с 4 и атомния номер с 2.
- Бета-разпад — включва бета-минус (изпускане на електрон и антиневтрино; неутрон → протон) и бета-плюс (изпускане на позитрон и невтрино; протон → неутрон) или улов на електрон. Това променя атомния номер с ±1.
- Гама-излъчване — ядро в збудено състояние излъчва високоенергийни фотони (гама-лъчи) без промяна на протонния или неутронния брой, често след алфа или бета разпад.
- Други процеси — например делче-обменни реакции, спонтанно делене (фиси) при много тежки ядра и др.
Радиоактивният разпад е статистически процес: дадено ядро има определена вероятност за разпад в единица време. Характерна величина е периода на полуразпад (полуживот) — времето, за което половината от голям брой еднакви ядра ще се разпаднат. Законът на разпада има експоненциален вид: N(t) = N0 · e-λt, където λ е константата на разпад.
История
Откритието на явлението датира от края на XIX век. През 1896 г. Анри Бекерел установява, че уранови соли излъчват видимо лъчение, което потъмнява фотопластинка — тя се намята без външен източник на светлина. По-нататъшни изследвания са проведени от Мария и Пиер Кюри, които през 1898 г. въвеждат термина „радиоактивност“ и откриват нови радиоактивни елементи (полоний и радий). Заедно с Бекерел те получават Нобеловата награда за физика през 1903 г. (Нобелова награда за физика за). По-късно Ернест Ръдърфорд и Франсис Съди развиват теорията за ядрото и класификацията на алфа, бета и гама лъчите, а Ръдърфорд прави ключови опити, които водят до модела на атомното ядро.
Измерване, приложения и безопасност
Радиоактивността се измерва в бекерели (Bq) — брой разпади в секунда — и в практиката се използват още единици за експозиция и доза (gray, sievert). Различни детектори регистрират йонизиращото лъчение: Гайгер–Мюлеров брояч, сцинтилационни детектори, полупроводникови детектори, облачни и балончести камери и др.
Приложенията са многобройни: в ядрената енергетика, медицина (радиотерапия, диагностика с радиоизотопи, PET), индустрия (неразрушителен контрол, стерилизация), археология и геология (радиоизотопно датиране). Същевременно йонизиращото лъчение може да повреди биологична тъкан, да предизвика остри и хронични ефекти и да бъде канцерогенно. Затова работата с радиоактивни материали изисква строги мерки за защита — време, дистанция и екраниране — и контрол на отпадъците в случай на дълготрайни радионуклиди.
Кратко обобщение
Радиоактивното разпадане е естествен ядрен процес, чрез който нестабилни ядра се преобразуват, излъчвайки частици и енергия. Открито е в края на XIX век от Анри Бекерел и развито от М. и П. Кюри и други учени. Днес разпадът има важни научни, медицински и промишлени приложения, но изисква внимателно управление поради потенциални рискове за здравето и околната среда.
Символът на трилистник се използва за обозначаване на радиоактивен материал.
Пример
Повечето въглеродни атоми имат шест протона и шест неутрона в ядрото си. Този въглерод се нарича въглерод-12s (шест протона + шест неутрона = 12). Атомното му тегло е 12. Ако въглеродният атом има още два неутрона, той е въглерод-14. Въглерод-14 действа химически като другите видове въглерод, тъй като шестте протона и шестте електрона са тези, които определят химическите му свойства. Всъщност въглерод-14 съществува във всички живи същества; всички растения и животни съдържат въглерод-14. Въпреки това въглерод-14 е радиоактивен. Той се разпада чрез бета-разпад и се превръща в азот-14. Въглерод-14, в малките количества, които се срещат в природата, е безвреден. В археологията този вид въглерод се използва за определяне на възрастта на дървесина и други някогашни живи същества. Методът се нарича радиовъглеродно датиране.
Различни видове разпад
Ърнест Ръдърфорд открива, че има различни начини, по които тези частици проникват в материята. Той открива два различни вида, които нарича алфа разпад и бета разпад. През 1900 г. Пол Вилард открива трети вид. През 1903 г. Ръдърфорд го нарича гама разпад.
Промяната от радиоактивен въглерод-14 в стабилен азот-14 е радиоактивен разпад. Това се случва, когато атомът излъчва алфа частица. Алфа частицата е импулс на енергия, когато електрон или позитрон напуска ядрото.
По-късно са открити и други видове гниене. Видовете разпад се различават един от друг, защото при различните видове разпад се получават различни видове частици. Началното радиоактивно ядро се нарича родителско ядро, а ядрото, в което то се превръща, се нарича дъщерно ядро. Високоенергийните частици, произвеждани от радиоактивните материали, се наричат радиация.
Тези различни видове разпадане могат да протичат последователно във "верига на разпадане". Един вид ядро се разпада до друг вид, който отново се разпада до друг и така нататък, докато се превърне в стабилен изотоп и веригата приключи.
Скорост на разпадане
Скоростта, с която се извършва тази промяна, е различна за всеки елемент. Радиоактивното разпадане се управлява от случайността: Времето, за което средно половината от атомите на дадено вещество се променят, се нарича период на полуразпад. Скоростта се определя от експоненциална функция. Например йодът (131 I) има период на полуразпад от около 8 дни. Този на плутония варира между 4 часа (243 Pu) и 80 милиона години (244 Pu).
Ядрени трансформации и енергия
Радиоактивното разпадане променя атома, който има по-висока енергия в ядрото си, в атом с по-ниска енергия. Промяната в енергията на ядрото се предава на частиците, които се създават. Енергията, освободена от радиоактивното разпадане, може да бъде пренесена чрез електромагнитно лъчение гама (вид светлина), бета частица или алфа частица. Във всички тези случаи промяната на енергията на ядрото се пренася. И във всички тези случаи общият брой на положителните и отрицателните заряди на протоните и електроните на атома се сумират до нула преди и след промяната.
Алфа разпад
По време на алфа разпадането атомното ядро освобождава алфа частица. При алфа разпадането ядрото губи два протона и два неутрона. Алфа разпадът води до превръщането на атома в друг елемент, тъй като атомът губи два протона (и два електрона). Например, ако америций премине през алфа разпад, той ще се превърне в нептуний, защото нептуний има два протона по-малко от америций. Алфа разпадът обикновено се случва в най-тежките елементи, като уран, торий, плутоний и радий.
Алфа частиците не могат да преминат дори през няколко сантиметра въздух. Алфа лъчението не може да навреди на хората, когато източникът на алфа лъчение е извън човешкото тяло, тъй като човешката кожа не пропуска алфа частиците. Алфа лъчението може да бъде много вредно, ако източникът е вътре в тялото, например когато хората дишат прах или газ, съдържащи материали, които се разпадат, като излъчват алфа частици (радиация).
Бета разпад
Съществуват два вида бета-разпад - бета-плюс и бета-минус.
При бета-минус разпадането ядрото отделя отрицателно зареден електрон, а неутронът се превръща в протон:
n 0 → p + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}} 
.
където
n 0 {\displaystyle n^{0}}
е неутронът
p + {\displaystyle \ p^{+}}
е протонът
e - {\displaystyle e^{-}}
е електронът
ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}
е антинеутриното
Бета-минус разпадът се извършва в ядрените реактори.
При бета-плюс разпадането ядрото освобождава позитрон, който е като електрона, но е положително зареден, а протонът се превръща в неутрон:
p + → n 0 + e + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}} 
.
където
p + {\displaystyle \ p^{+}} е протонът
n 0 {\displaystyle n^{0}} е неутронът
e + {\displaystyle e^{+}}
е позитронът
ν e {\displaystyle {\nu }_{e}}
е неутриното
Бета-плюс разпадът се случва в слънцето и в някои видове ускорители на частици.
Гама разпад
Гама разпадът се случва, когато ядрото произвежда високоенергиен пакет енергия, наречен гама лъч. Гама лъчите нямат електричен заряд, но имат ъглов импулс. Гама лъчите обикновено се излъчват от ядрата непосредствено след други видове разпад. Гама лъчите могат да се използват за виждане през материал, за унищожаване на бактерии в храната, за откриване на някои видове болести и за лечение на някои видове рак. Гама лъчите имат най-високата енергия от всички електромагнитни вълни, а изригванията на гама лъчи от космоса са най-енергичните познати енергийни емисии.
