Radioactief
is een woord dat niet zo goed wordt begrepen. Ondergedompeld in angst en inherent vreemd en gevaarlijk, de aard van radioactief verval is iets dat het waard is om te leren of je een natuurkundestudent bent of gewoon een geïnteresseerde leek.

De realiteit is dat radioactiviteit in wezen nucleaire reacties beschrijft die leiden tot een verandering in het atoomnummer van een element en /of een afgifte van gammastraling. Het is gevaarlijk in grote hoeveelheden omdat de vrijgekomen straling "ioniseert" (dat wil zeggen, het heeft genoeg energie om elektronen van atomen te strippen) maar het is een interessant fysisch fenomeen en in de praktijk zullen de meeste mensen nooit in de buurt van radioactief materiaal genoeg zijn om gevaar te lopen .

Kernen kunnen een lagere energietoestand bereiken door fusie - dat is wanneer twee kernen samensmelten om een zwaardere kern te creëren, waarbij energie in het proces vrijkomt - of door splijting, wat de splitsing van zware elementen in lichtere is . Splijting is de bron van energie in kernreactoren, en ook in kernwapens, en dit is met name wat de meeste mensen zich voorstellen als ze denken aan radioactiviteit. Maar meestal, wanneer kernen in de natuur in een lagere energietoestand veranderen, is dit te wijten aan radioactief verval.

Er zijn drie soorten radioactief verval: alfa-verval, bèta-verval en gamma-verval, hoewel bèta-verval in komt zelf in drie verschillende types. Leren over deze vormen van nucleair verval is een cruciaal onderdeel van elke cursus kernfysica.
Alpha Decay

Alpha-verval treedt op wanneer een kern een zogenaamd "alfadeeltje" (α-deeltje) uitzendt. Een alfadeeltje is een combinatie van twee protonen en twee neutronen, die u, als u uw periodieke tabel kent, zult herkennen als een heliumkern.

Het proces is vrij eenvoudig te begrijpen in termen van de massa en eigenschappen van het resulterende atoom: het verliest vier van zijn massagetal (twee van de protonen en twee van de elektronen) en twee van zijn atoomnummer (van de twee verloren protonen). Dit betekent dat het oorspronkelijke atoom (dat wil zeggen de "ouder" kern) een ander element wordt (gebaseerd op de "dochter" kern) na het ondergaan van alfa-verval.

Voor het berekenen van de energie die vrijkomt in alfa-verval, hebt u nodig om de massa van de heliumkern en het dochteratoom af te trekken van de massa van het ouderatoom, en dit om te zetten in een waarde van energie met behulp van de beroemde vergelijking van Einstein E
\u003d mc
^{2. Het is meestal eenvoudiger om deze berekening uit te voeren als u in atomaire massa-eenheden (amu) werkt en de ontbrekende massa vermenigvuldigt met de factor c
2 \u003d 931.494 MeV /amu. Dit retourneert een waarde van energie in MeV (dwz mega-elektronenvolt), waarbij een elektronenvolt gelijk is aan 1.602 × 10 - 9 joules en over het algemeen een geschiktere eenheid voor het werken in energieën op atomaire schaal.
Beta-verval: Beta-Plus-verval (Positron-emissie)}

Aangezien bèta-verval drie verschillende variëteiten heeft, is het nuttig om er achtereenvolgens over te leren, hoewel er veel overeenkomsten tussen zijn. Beta-plus verval is wanneer een proton verandert in een neutron, met de afgifte van een beta-plus deeltje (d.w.z. een β + deeltje) samen met een ongeladen, bijna massaloze deeltje genaamd een neutrino. Als resultaat van dit proces zal het dochteratoom een minder proton en een meer neutron hebben dan het ouderatoom, maar hetzelfde totale massagetal.

Het beta-plusdeeltje wordt eigenlijk een positron genoemd, wat waarbij het antimaterie deeltje overeenkomt met het elektron. Het heeft een positieve lading van dezelfde grootte als de negatieve lading op het elektron, en dezelfde massa als een elektron. De vrijgekomen neutrino wordt technisch een elektronenneutrino genoemd. Merk op dat een deeltje van reguliere materie en een deeltje van antimaterie worden vrijgegeven in dit proces.

Het berekenen van de energie die vrijkomt in dit vervalproces is een beetje ingewikkelder dan voor andere vormen van verval, omdat de massa van de ouder atoom omvat de massa van nog een elektron dan de massa van het dochteratoom. Bovendien moet je ook de massa aftrekken van het β + -deeltje dat tijdens het proces wordt uitgestoten. In wezen moet je de massa van het dochterdeeltje en twee elektronen van de massa van het moederdeeltje aftrekken en vervolgens als eerder in energie omzetten. De neutrino is zo klein dat hij veilig kan worden verwaarloosd.
Beta-verval: Beta-minus verval

Beta-minus verval is in wezen het tegenovergestelde proces van beta-plus verval, waarbij een neutron verandert in een proton , waarbij daarbij een bèta-minus-deeltje (een β-deeltje) en een elektronenantineutrino vrijkomen. Vanwege dit proces zal het dochteratoom één minder neutron en één meer proton hebben dan het ouderatoom.

Het β− deeltje is eigenlijk een elektron, maar het heeft in deze context een andere naam omdat wanneer de bèta emissie voor het verval werd voor het eerst ontdekt, niemand wist wat het deeltje eigenlijk was. Bovendien is het handig om ze bèta-deeltjes te noemen, omdat het je eraan herinnert dat het afkomstig is van het bèta-vervalproces en het kan nuttig zijn als je probeert te onthouden wat er in elk gebeurt - het positieve bèta-deeltje wordt vrijgegeven in bèta-plus verval en het negatieve bèta-deeltje komt vrij in bèta-minus verval. In dit geval is de neutrino echter een antimaterie-deeltje, maar nogmaals, een antimaterie en één regulier materie-deeltje komen hierbij vrij.

Het berekenen van de energie die vrijkomt bij dit type bèta-verval is een beetje eenvoudiger, omdat het extra elektron bezeten door het dochteratoom opheft met het elektron verloren in de bèta-emissie. Dit betekent dat om ∆ m
te berekenen, u eenvoudig de massa van het dochteratoom aftrekt van die van het ouderatoom en vervolgens vermenigvuldigt met de snelheid van het kwadraat van het licht ( c
^{2 ), zoals voorheen, uitgedrukt in mega-elektronen per atomaire massa-eenheid.
Beta Decay - Electron Capture}

Het laatste type beta-verval verschilt nogal van de eerste twee. Bij elektronenvangst "absorbeert" een proton een elektron en verandert in een neutron, met de afgifte van een elektronenneutrino. Dit vermindert daarom het atoomnummer (dat wil zeggen het aantal protonen) met één en verhoogt het aantal neutronen met één.

Dit lijkt misschien het patroon tot nu toe te overtreden, met één materie en één antimaterie deeltje uitgestoten, maar het geeft een hint over de werkelijke reden voor dit evenwicht. Het "lepton-nummer" (dat u een "elektronenfamilie" -nummer kunt noemen) is behouden en een elektron of elektronenneutrino heeft een leptonnummer van 1, terwijl de positron of elektronenantineutrino een leptonnummer van −1 heeft.

Je zou moeten kunnen zien dat alle andere processen dit gemakkelijk vervullen. Voor elektronenvangst neemt het aantal lepton af met 1 wanneer het elektron wordt gevangen, dus om dit in evenwicht te brengen, moet een deeltje met een aantal lepton 1 worden uitgezonden.

Het berekenen van de energie die vrijkomt bij elektronenvangst is vrij eenvoudig : Omdat het elektron afkomstig is van het ouderatoom, hoeft u zich geen zorgen te maken over het verschil in het aantal elektronen tussen de ouder- en dochteratomen. Je vindt ∆ m
door eenvoudig de massa van het dochteratoom af te trekken van die van het ouderatoom. De uitdrukking voor het proces zal in het algemeen worden geschreven met het elektron aan de linkerkant, maar de eenvoudige regel herinnert u eraan dat dit eigenlijk een onderdeel is van het ouderatoom in termen van de massa.
Gamma Decay

Gamma-verval omvat de emissie van een hoogenergetisch foton (elektromagnetische straling), maar het aantal protonen en neutronen in het atoom verandert niet als gevolg van het proces. Het is analoog aan de emissie van een foton wanneer een elektron overgaat van een hogere energietoestand naar een lagere energietoestand, maar de overgang vindt in dit geval plaats in de kern van het atoom.

Net als in de analoge situatie wordt de overgang van een hogere energietoestand naar een lagere energietoestand gecompenseerd door de emissie van een foton. Deze hebben energieën van meer dan 10 keV en worden over het algemeen gammastraling genoemd, hoewel de definitie niet echt strikt is (het energiebereik overlapt bijvoorbeeld met röntgenstralen).

Alfa of bèta-emissie kan een kern achterlaten een hogere energie, opgewonden toestand, en de energie die vrijkomt als gevolg van deze processen wordt gedaan in de vorm van gammastralen. De kern kan echter ook in een hogere energietoestand terechtkomen na een botsing met een andere kern of geraakt worden door een neutron. Het resultaat is in alle gevallen hetzelfde: de kern zakt van zijn geëxciteerde toestand naar een lagere energietoestand en geeft gammastralen af tijdens het proces.
Voorbeelden van radioactief verval - Uranium

Uranium-238 vervalt in thorium -234 met de afgifte van een alfadeeltje (dwz een heliumkern), en dit is een van de meest bekende voorbeelden van radioactief verval. Het proces kan worden weergegeven als:
^ {238} \\ text {U} \\ to \\; ^ {234} \\ text {Th} + \\; ^ 4 \\ text {He}

Om te berekenen hoe veel energie komt vrij in dit proces, je hebt de atoommassa's nodig: ^{238U \u003d 238.05079 amu, 234Th \u003d 234.04363 amu en 4He \u003d 4.00260 amu, met alle massa's uitgedrukt in atomaire massa-eenheden . Om te berekenen hoeveel energie er tijdens het proces vrijkomt, hoeft u alleen ∆ m
te vinden door de massa's van de producten af te trekken van de massa van het oorspronkelijke ouderatoom en vervolgens de hoeveelheid energie die dit vertegenwoordigt.
\\ begin {uitgelijnd} ∆m & \u003d \\ text {(massa van ouder)} - \\ text {(massa van producten)} \\\\ & \u003d 238.05079 \\ text {amu} - 234.04363 \\ text { amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ & \u003d 0.00456 \\ text {amu} \\\\ E & \u003d ∆mc ^ 2 \\\\ & \u003d 0.00456 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ & \u003d 4.25 \\ text {MeV} \\ end {alignment} Multi-Step Radioactive Decay Voorbeeld}

Radioactive decay gebeurt vaak in ketens, met meerdere stappen tussen het startpunt en het eindpunt. Deze vervalketens zijn lang en vereisen veel stappen om te berekenen hoeveel energie er tijdens het hele proces vrijkomt, maar het nemen van een stuk van een dergelijke ketting illustreert de aanpak.

Als u kijkt naar de vervalketen van thorium- 232, dicht bij het einde van de keten, ondergaat een onstabiele kern (dwz een atoom van een onstabiele isotoop, met een korte halfwaardetijd) van bismuth-212 bèta-minus verval in polonium-212, dat vervolgens alfa-verval ondergaat in Je kunt de energie die vrijkomt bij dit proces berekenen door het stap voor stap te nemen.

Eerst het bèta-min-verval van bismuth-212 ( m
\u003d 211.99129 amu) in polonium-212 ( m
\u003d 211.98887 amu) geeft:
\\ begin {uitgelijnd} ∆m & \u003d \\ text {(massa van ouder)} - \\ text {(massa van dochter)} \\\\ & \u003d 211.99129 \\ text {amu} - 211.98887 \\ text {amu} \\\\ & \u003d 0.00242 \\ text {amu} \\ end {alignment}

Vergeet niet dat de verandering in elektronaantallen wordt opgeheven in beta-minus verval. Dat geeft uit:
\\ begin {uitgelijnd} E & \u003d ∆mc ^ 2 \\\\ & \u003d 0.00242 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\\\ & \u003d 2.25 \\ text {MeV} \\ end { uitgelijnd}

De volgende fase is het alfa-verval van polonium-212 naar lead-208 ( m
\u003d 207.97665 amu) en één heliumkern.
\\ begin {uitgelijnd} ∆m & \u003d \\ text {(massa van ouder)} - \\ text {(massa van producten)} \\\\ & \u003d 211.98887 \\ text {amu} - 207.97665 \\ text {amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ & \u003d 0.00962 \\ text { amu} \\ end {uitgelijnd}

En de energie is:
\\ begin {uitgelijnd} E & \u003d ∆mc ^ 2 \\\\ & \u003d 0.00962 \\ text {amu} × 931.494 \\ text {MeV /amu} \\ \\ & \u003d 8,96 \\ tekst {MeV} \\ end {uitgelijnd}

In totaal is er dan 2,25 MeV + 8,96 MeV \u003d 11,21 MeV energie die vrijkomt tijdens het proces. Natuurlijk, als je voorzichtig bent (inclusief het alfadeeltje, en extra elektronen als je proces een bèta-plus-verval bevat), kun je het verschil in massa in een enkele stap berekenen en vervolgens converteren, maar deze benadering vertelt je de vrijgekomen energie in elke fase.