Ραδιενέργεια βήτα διάσπαση

Ραδιενεργή αποσύνθεση

Η συμπεριφορά που προβάλλεται από τους ατομικούς πυρήνες ως αποτέλεσμα της πυρηνικής αστάθειας αναφέρεται ως ραδιενέργεια. Ο πυρήνας του ατόμου αρχίζει να χάνει ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας.

Ένα πείραμα χρησιμοποιήθηκε για να επιβεβαιωθεί αυτό το φαινόμενο. Για την επένδυση ενός συρταριού χρησιμοποιήθηκαν φωτογραφικές πλάκες. Στο συρτάρι υπήρχε λίγη ποσότητα ένωσης ουρανίου τυλιγμένη σε μαύρο χαρτί. Μετά από λίγο, οι πλάκες εξετάστηκαν εξονυχιστικά. Έδειξαν ξεκάθαρα ότι είχαν εκτεθεί σε ακτινοβολία. Ο όρος "ραδιενεργή διάσπαση" χρησιμοποιήθηκε για να περιγράψει αυτό το περιστατικό.

Η παρουσία ενός ασταθούς πυρήνα στο ραδιοϊσότοπο του στοιχείου αποστραγγίζει όλη την ενέργεια. Τα σωματίδια του ατόμου δεν συνδέονται ως αποτέλεσμα αυτού. Προκειμένου να σταθεροποιηθούν, τα ισότοπα που υπάρχουν διαρκώς αποσυντίθενται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας ενέργειας με τη μορφή ακτινοβολίας.

Τύποι ραδιενεργού αποσύνθεσης

Το Alpha Decay, το Beta Decay και το Gamma Decay είναι οι τρεις κύριοι τύποι.

Alpha Decay ή α-decay

Η διαδικασία με την οποία ένας πυρήνας εκπέμπει ένα σωματίδιο άλφα (πυρήνας ηλίου) σε έναν νέο ατομικό πυρήνα είναι γνωστή ως διάσπαση άλφα. Ο τύπος για την αποσύνθεση άλφα είναι ο ακόλουθος:

E=(mi–mf–mp)c2 

Εδώ,

mi =αρχική μάζα του πυρήνα

mf =μάζα του πυρήνα μετά από εκπομπή σωματιδίων άλφα

mp =μάζα του εκπεμπόμενου σωματιδίου άλφα

Παράδειγμα Alpha Decay:

92 238 U90234Th+24He 

Όταν το 92238U υφίσταται διάσπαση άλφα, γίνεται 90234Th και 24He  (που περιέχει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια).

Beta Decay ή β-decay

Ένα σωματίδιο βήτα (ηλεκτρόνιο/ποζιτρόνιο) εκπέμπεται από έναν ατομικό πυρήνα κατά τη διάρκεια της διάσπασης βήτα. Η διαδικασία της αποσύνθεσης βήτα είναι η εξής:

90234Th91234Pa+-10e 

Gamma Decay ή γ-decay

Ο πυρήνας, όπως και τα άτομα, έχει διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Όταν το υψηλό επίπεδο ενέργειας του πυρήνα μεταβαίνει σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο, εκπέμπονται φωτόνια ενέργειας MeV, κερδίζοντας το όνομα ακτίνες γάμμα.

Εξήγηση αποσύνθεσης beta

Η διάσπαση βήτα είναι η μετατροπή ενός πρωτονίου σε νετρόνιο ή το αντίστροφο σε ραδιενέργεια. Αυτή η αντίδραση λαμβάνει χώρα μέσα στον πυρήνα ενός ραδιενεργού δείγματος. Τόσο η διάσπαση άλφα όσο και η βήτα επιτρέπουν στον πυρήνα να πλησιάσει όσο το δυνατόν πιο κοντά στο ιδανικό πρωτόνιο ή νετρόνιο.

Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ο πυρήνας εκπέμπει ένα σωματίδιο βήτα, το οποίο μπορεί να είναι είτε ποζιτρόνιο είτε ηλεκτρόνιο. Αυτό που πρέπει να θυμόμαστε είναι ότι το ποζιτρόνιο δημιουργείται για να υπακούσει στην απαίτηση διατήρησης φορτίου. Ένα πρωτόνιο μπορεί να γίνει νετρόνιο ή το αντίστροφο. Η βήτα αποσύνθεση είναι ένας ασθενής μηχανισμός αλληλεπίδρασης που εμφανίζεται στον εγκέφαλο.

Με λίγα λόγια, η διάσπαση βήτα είναι ένα χαρακτηριστικό πολλών φυσικών στοιχείων και των ισοτόπων τους που επιτρέπει τη δημιουργία τεχνητών ισοτόπων αυτών των στοιχείων.

Διαδικασία αποσύνθεσης beta

Το πρωτόνιο μέσα στον πυρήνα διασπάται σε νετρόνιο ή το αντίστροφο κατά τη διαδικασία της διάσπασης βήτα. Η διαδικασία μετατροπής ενός νετρονίου σε πρωτόνιο είναι γνωστή ως διάσπαση (β-) και η διαδικασία μετατροπής ενός πρωτονίου σε νετρόνιο είναι γνωστή ως διάσπαση (β+). Λόγω μιας αλλαγής στον πυρήνα, εκπέμπονται σωματίδια βήτα. Και αυτά τα σωματίδια χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία ποικίλων ασθενειών, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου των οστών και του καρκίνου των ματιών. Ως ιχνηθέτες, τα σωματίδια βήτα χρησιμοποιούνται συχνά.

Τύποι αποσύνθεσης beta

Η διάσπαση βήτα ραδιενέργειας είναι δύο τύπων:–

• Βήτα-Μείον Αποσύνθεση (β-)

• Ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε διάσπαση βήτα πλην, με αποτέλεσμα την αύξηση του ατομικού αριθμού του ατόμου.
• Για να διατηρηθεί η διατήρηση του φορτίου, ο πυρήνας παράγει επίσης ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.
• Το αντινετρίνο είναι το αντίστοιχο της αντιύλης των νετρίνων. Αυτά είναι ουσιαστικά ουδέτερα σωματίδια χωρίς μάζα. Επειδή οι αλληλεπιδράσεις αυτών των σωματιδίων με την άλλη ύλη είναι τόσο αδύναμες, η γη στο σύνολό της δεν επηρεάζεται.

Στην αποσύνθεση βήτα-μείον, η ατομική διαμόρφωση είναι:

ZAXZ+1AY+e–+ 

n=p+e–+ 

• Beta- Plus Decay ( β+)

• Η μετάβαση ενός πρωτονίου σε νετρόνιο σε βήτα συν διάσπαση μειώνει τον ατομικό αριθμό του ραδιενεργού υλικού. Ως αποτέλεσμα, χάνεται ένα πρωτόνιο και αποκτάται ένα νετρόνιο μέσα στον πυρήνα.
• Για να διατηρηθεί ο νόμος της διατήρησης των φορτίων, η διαδικασία της διάσπασης βήτα παράγει επίσης ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο. Το ποζιτρόνιο είναι ένα σωματίδιο θετικού φορτίου.
• Τα νετρίνα συμπεριφέρονται παρόμοια με τα αντινετρίνα όσον αφορά τη συμπεριφορά.

Η εξίσωση της ατομικής διαμόρφωσης είναι:

ZAXZ-1AY+e++ 

p=n+e++ 

Εκπομπή Beta

Τα σωματίδια βήτα που απελευθερώνονται από ορισμένους ραδιενεργούς πυρήνες αποτελούνται από ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας και υψηλής ταχύτητας, όπως αυτά που βρίσκονται στο κάλιο - 40. Αν και η διείσδυση των σωματιδίων βήτα είναι μεγαλύτερη από αυτή των σωματιδίων άλφα, οι ακτίνες βήτα γάμμα είναι ακόμα αδύναμος. Η ιονίζουσα ακτινοβολία εκπέμπεται με τη μορφή σωματιδίων βήτα, τα οποία είναι επίσης γνωστά ως εκπομπή βήτα ή ακτίνες βήτα.

Η θεωρία του Fermi

Τα τέσσερα φερμιόνια αλληλεπιδρούν απευθείας μεταξύ τους σε μία κορυφή, σύμφωνα με την προτεινόμενη υπόθεση του Enrico Fermi. Ένα ηλεκτρόνιο συνδέεται με ένα νετρόνιο, ένα νετρίνο και ένα πρωτόνιο σε αυτόν τον τύπο αλληλεπίδρασης. Ο Fermi πρότεινε για πρώτη φορά αυτή τη θεωρία το 1933.

Νόμος ραδιενεργής διάσπασης

Όταν ο αριθμός των ραδιενεργών πυρήνων που διασπώνται (α, β ή γ σε διάσπαση) ανά μονάδα χρόνου είναι ανάλογος με τον συνολικό αριθμό πυρήνων στο υλικό του δείγματος, ισχύει ο νόμος της ραδιενεργής διάσπασης.

Αν το N υποδηλώνει τον αριθμό των πυρήνων σε ένα δείγμα και το ΔN τον αριθμό των ραδιενεργών διασπάσεων ανά μονάδα χρόνου Δt, τότε

ΔN Δt∝ N

Ή

ΔN Δt=λN

Εδώ,

λ=σταθερά αναλογικότητας ή σταθερά ραδιενεργού διάσπασης

ΔN=μείωση του συνολικού αριθμού των πυρήνων που υπάρχουν στο δείγμα

∂N/∂t=-λN…………………………. Εξίσωση (1)

Η παραπάνω εξίσωση μπορεί επίσης να γραφτεί ως:

∂N/N=-λ∂t…………………. Εξίσωση (2)

Χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις (1) και (2),

NoN∂N/N=-tot∂t

lnN-lnN0=-(t-t0)

Εδώ,

N0=αρχικός αριθμός πυρήνων που υπάρχουν στο δείγμα κάθε φορά

Όταν το t0 αντικαθίσταται με t=0 στην εξίσωση, το αποτέλεσμα είναι:

In(N/N0)=-λt

Η τελική εξίσωση γίνεται:

N(t)=N0e–t0

Συμπέρασμα

Οποιαδήποτε από τις τρεις διεργασίες ραδιενεργού αποσύνθεσης κατά τις οποίες ορισμένοι ασταθείς ατομικοί πυρήνες σπαταλούν αυθόρμητα την πλεονάζουσα ενέργεια και υφίστανται μια αλλαγή θετικού φορτίου μιας μονάδας χωρίς να αλλάζει ο αριθμός μάζας τους. Η εκπομπή ηλεκτρονίων, η εκπομπή ποζιτρονίων (θετικό ηλεκτρόνιο) και η σύλληψη ηλεκτρονίων είναι οι τρεις διαδικασίες. Ο Ernest Rutherford ονόμασε τη διάσπαση βήτα το 1899 αφού παρατήρησε ότι η ραδιενέργεια δεν ήταν ένα απλό φαινόμενο. Οι λιγότερες διεισδυτικές ακτίνες ονομάστηκαν άλφα, ενώ οι πιο διεισδυτικές ακτίνες ονομάστηκαν βήτα. Η πλειονότητα των σωματιδίων βήτα απελευθερώνεται σε ταχύτητες σχεδόν φωτός.