Alfa a beta žiarenie sa vo všeobecnosti nazývajú rádioaktívne rozpady. Ide o proces, ktorý predstavuje emisiu subatomárnych častíc z jadra, ktorá prebieha obrovskou rýchlosťou. V dôsledku toho sa atóm alebo jeho izotop môže zmeniť z jedného chemického prvku na druhý. Alfa a beta rozpady jadier sú charakteristické pre nestabilné prvky. Patria sem všetky atómy s nábojovým číslom väčším ako 83 a hmotnostným číslom väčším ako 209.
Reakčné podmienky
Rozklad, podobne ako iné rádioaktívne premeny, je prirodzený a umelý. K tomu dochádza v dôsledku vniknutia cudzorodej častice do jadra. Koľko alfa a beta rozpadu môže atóm podstúpiť, závisí len od toho, ako skoro dosiahne stabilný stav.
Za prirodzených okolností dochádza k rozpadu alfa a beta mínus.
V umelých podmienkach sú prítomné neutrón, pozitrón, protón a iné, zriedkavejšie typy rozpadov a premien jadier.
Tieto mená dal Ernest Rutherford, ktorý študoval rádioaktívne žiarenie.
Rozdiel medzi stabilným a nestabilnýmjadro
Schopnosť rozpadu priamo závisí od stavu atómu. Takzvané "stabilné" alebo nerádioaktívne jadro je charakteristické pre nerozpadajúce sa atómy. Teoreticky možno takéto prvky pozorovať donekonečna, aby sme sa nakoniec presvedčili o ich stabilite. Je to potrebné na oddelenie takýchto jadier od nestabilných, ktoré majú extrémne dlhý polčas rozpadu.
Omylom si takýto „pomalý“atóm možno pomýliť so stabilným. Pozoruhodným príkladom však môže byť telúr a konkrétnejšie jeho izotop číslo 128, ktorý má polčas rozpadu 2,2·1024 rokov. Tento prípad nie je ojedinelý. Lantán-138 má polčas rozpadu 1011 rokov. Toto obdobie je tridsaťkrát staršie ako vek existujúceho vesmíru.
Podstata rádioaktívneho rozpadu
Tento proces prebieha náhodne. Každý rozpadnutý rádionuklid nadobúda rýchlosť, ktorá je pre každý prípad konštantná. Miera rozpadu sa nemôže meniť pod vplyvom vonkajších faktorov. Nezáleží na tom, či dôjde k reakcii pod vplyvom obrovskej gravitačnej sily, pri absolútnej nule, v elektrickom a magnetickom poli, pri akejkoľvek chemickej reakcii a pod. Proces je možné ovplyvniť iba priamym dopadom do vnútra atómového jadra, čo je prakticky nemožné. Reakcia je spontánna a závisí len od atómu, v ktorom prebieha a od jeho vnútorného stavu.
Keď sa hovorí o rádioaktívnych rozpadoch, často sa používa termín „rádionuklid“. Pre tých, ktorí nie súoboznámení s ním, mali by ste vedieť, že toto slovo označuje skupinu atómov, ktoré majú rádioaktívne vlastnosti, svoje vlastné hmotnostné číslo, atómové číslo a energetický stav.
V technických, vedeckých a iných oblastiach ľudského života sa používajú rôzne rádionuklidy. Napríklad v medicíne sa tieto prvky používajú pri diagnostike chorôb, spracovaní liekov, nástrojov a iných predmetov. Existuje dokonca množstvo terapeutických a prognostických rádiových liekov.
Nie menej dôležitá je definícia izotopu. Toto slovo označuje špeciálny druh atómov. Majú rovnaké atómové číslo ako obyčajný prvok, ale iné hmotnostné číslo. Tento rozdiel je spôsobený počtom neutrónov, ktoré neovplyvňujú náboj ako protóny a elektróny, ale menia svoju hmotnosť. Napríklad jednoduchý vodík ich má až 3. Toto je jediný prvok, ktorého izotopy dostali pomenovania: deutérium, trícium (jediné rádioaktívne) a protium. V ostatných prípadoch sa názvy uvádzajú podľa atómových hmotností a hlavného prvku.
Alfa rozpad
Toto je druh rádioaktívnej reakcie. Je typický pre prírodné prvky zo šiesteho a siedmeho obdobia periodickej tabuľky chemických prvkov. Špeciálne pre umelé alebo transuránové prvky.
Prvky podliehajúce rozpadu alfa
Medzi kovy, ktoré sa vyznačujú týmto rozpadom, patrí tórium, urán a ďalšie prvky šiestej a siedmej periódy z periodickej tabuľky chemických prvkov, počítajúc od bizmutu. Proces tiež podlieha izotopom spomedzi ťažkýchpoložky.
Čo sa stane počas reakcie?
Keď začne rozpad alfa, z jadra sa vyžarujú častice pozostávajúce z 2 protónov a páru neutrónov. Samotná emitovaná častica je jadrom atómu hélia s hmotnosťou 4 jednotiek a nábojom +2.
V dôsledku toho sa objaví nový prvok, ktorý sa v periodickej tabuľke nachádza dve bunky naľavo od pôvodného prvku. Toto usporiadanie je určené skutočnosťou, že pôvodný atóm stratil 2 protóny a spolu s tým - počiatočný náboj. V dôsledku toho sa hmotnosť výsledného izotopu zníži o 4 jednotky hmotnosti v porovnaní s počiatočným stavom.
Príklady
Počas tohto rozpadu vzniká tórium z uránu. Z tória pochádza rádium, z neho radón, ktorý nakoniec dáva polónium, a nakoniec olovo. V tomto procese sa tvoria izotopy týchto prvkov a nie oni samotné. Ukazuje sa teda, že urán-238, tórium-234, rádium-230, radón-236 atď., Až do vzhľadu stabilného prvku. Vzorec pre takúto reakciu je nasledujúci:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Rýchlosť vybranej častice alfa v momente emisie je od 12 do 20 tisíc km/s. Vo vákuu by takáto častica obehla zemeguľu za 2 sekundy a pohybovala by sa pozdĺž rovníka.
Beta Decay
Rozdiel medzi touto časticou a elektrónom je v mieste vzhľadu. K rozpadu beta dochádza v jadre atómu, nie v elektrónovom obale, ktorý ho obklopuje. Najbežnejšia zo všetkých existujúcich rádioaktívnych premien. Dá sa pozorovať takmer vo všetkých v súčasnosti existujúcichchemické prvky. Z toho vyplýva, že každý prvok má aspoň jeden izotop podliehajúci rozpadu. Vo väčšine prípadov má beta rozpad za následok beta-mínus rozpad.
Priebeh reakcie
Pri tomto procese dochádza k vymršteniu elektrónu z jadra, ktoré vzniklo spontánnou premenou neutrónu na elektrón a protón. V tomto prípade v dôsledku väčšej hmotnosti protóny zostávajú v jadre a elektrón, nazývaný beta mínus častica, opúšťa atóm. A keďže na jednotku pripadá viac protónov, jadro prvku sa mení smerom nahor a nachádza sa v periodickej tabuľke napravo od originálu.
Príklady
Rozpad beta s draslíkom-40 ho premení na izotop vápnika, ktorý sa nachádza vpravo. Rádioaktívny vápnik-47 sa zmení na skandium-47, ktoré sa môže zmeniť na stabilný titán-47. Ako vyzerá tento beta rozpad? Vzorec:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Rýchlosť beta častice je 0,9-násobok rýchlosti svetla, čo je 270 000 km/s.
V prírode nie je príliš veľa beta-aktívnych nuklidov. Významných je veľmi málo. Príkladom je draslík-40, ktorého je v prírodnej zmesi len 119/10 000. Medzi významné prírodné beta-mínus aktívne rádionuklidy patria aj alfa a beta produkty rozpadu uránu a tória.
Beta rozpad má typický príklad: tórium-234, ktoré sa pri alfa rozpade mení na protaktínium-234 a potom sa rovnakým spôsobom stáva uránom, ale jeho ďalším izotopom číslo 234. Tento urán-234 opäť vďaka alfa rozpad sa stávatórium, ale už jeho iná odroda. Toto tórium-230 sa potom zmení na rádium-226, ktoré sa zmení na radón. A v rovnakom poradí až po tálium, len s rôznymi beta prechodmi späť. Tento rádioaktívny beta rozpad končí vytvorením stabilného olova-206. Táto transformácia má nasledujúci vzorec:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> TH-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-2345 -546 Po4163 Pb-206
Prirodzené a významné beta aktívne rádionuklidy sú K-40 a prvky od tália po urán.
Beta-plus rozpad
Existuje aj beta plus transformácia. Nazýva sa tiež rozpad pozitrónu beta. Z jadra vyžaruje časticu nazývanú pozitrón. Výsledkom je transformácia pôvodného prvku na prvok vľavo, ktorý má nižšie číslo.
Príklad
Keď dôjde k rozpadu beta elektrónu, horčík-23 sa stane stabilným izotopom sodíka. Rádioaktívne európium-150 sa zmení na samárium-150.
Výsledná beta rozpadová reakcia môže vytvárať beta+ a beta- emisie. Rýchlosť úniku častíc je v oboch prípadoch 0,9-násobok rýchlosti svetla.
Iné rádioaktívne rozpady
Okrem reakcií, ako je rozpad alfa a rozpad beta, ktorých vzorec je všeobecne známy, existujú aj iné procesy, ktoré sú zriedkavejšie a charakteristické pre umelé rádionuklidy.
Neutrónový rozpad. Je emitovaná neutrálna častica s veľkosťou 1 jednotkyomši. Počas nej sa jeden izotop zmení na druhý s menším hmotnostným číslom. Príkladom môže byť premena lítia-9 na lítium-8, hélia-5 na hélium-4.
Keď je stabilný izotop jódu-127 ožiarený gama lúčmi, stane sa izotopom číslo 126 a získa rádioaktivitu.
Rozpad protónov. Je to mimoriadne zriedkavé. Počas nej je emitovaný protón, ktorý má náboj +1 a 1 jednotku hmotnosti. Atómová hmotnosť sa zníži o jednu hodnotu.
Akákoľvek rádioaktívna transformácia, najmä rádioaktívne rozpady, je sprevádzaná uvoľňovaním energie vo forme gama žiarenia. Nazývajú to gama lúče. V niektorých prípadoch sú pozorované röntgenové lúče s nižšou energiou.
Gamma rozpad. Je to prúd gama kvánt. Ide o elektromagnetické žiarenie, tvrdšie ako röntgenové žiarenie, ktoré sa používa v medicíne. V dôsledku toho sa objavujú gama kvantá alebo energia prúdi z atómového jadra. Röntgenové lúče sú tiež elektromagnetické, ale pochádzajú z elektrónových obalov atómu.
Prebiehajú častice alfa
Alfa častice s hmotnosťou 4 atómových jednotiek a nábojom +2 sa pohybujú po priamke. Z tohto dôvodu môžeme hovoriť o rozsahu alfa častíc.
Hodnota behu závisí od počiatočnej energie a pohybuje sa od 3 do 7 (niekedy 13) cm vo vzduchu. V hustom médiu je to stotina milimetra. Takéto žiarenie nemôže preniknúť do fóliepapier a ľudská koža.
Vďaka svojej vlastnej hmotnosti a číslu náboja má častica alfa najvyššiu ionizačnú silu a ničí všetko, čo jej stojí v ceste. V tomto ohľade sú alfa rádionuklidy najnebezpečnejšie pre ľudí a zvieratá, keď sú vystavené telu.
Prenikanie beta častíc
Vzhľadom na malé hmotnostné číslo, ktoré je 1836-krát menšie ako protón, záporný náboj a veľkosť má beta žiarenie slabý vplyv na látku, ktorou prelietava, no navyše je let dlhší. Tiež dráha častice nie je rovná. V tejto súvislosti hovoria o penetračnej schopnosti, ktorá závisí od prijatej energie.
Sila prieniku beta častíc produkovaných počas rádioaktívneho rozpadu dosahuje vo vzduchu 2,3 m, v kvapalinách sa počíta v centimetroch a v pevných látkach - v zlomkoch centimetra. Tkanivá ľudského tela prepúšťajú žiarenie do hĺbky 1,2 cm. Na ochranu pred beta žiarením môže slúžiť jednoduchá vrstva vody do 10 cm Prúd častíc s dostatočne vysokou rozpadovou energiou 10 MeV je takmer úplne absorbovaný takýmito vrstvami: vzduch - 4 m; hliník - 2,2 cm; železo - 7,55 mm; vývod - 5,2 mm.
Vzhľadom na ich malú veľkosť majú častice beta žiarenia v porovnaní s časticami alfa nízku ionizačnú kapacitu. Pri požití sú však oveľa nebezpečnejšie ako pri vonkajšej expozícii.
Neutrón a gama majú v súčasnosti najvyššiu penetračnú schopnosť spomedzi všetkých typov žiarenia. Dosah týchto žiarení vo vzduchu niekedy dosahuje desiatky a stovkymetrov, ale s nižším ionizačným výkonom.
Väčšina izotopov gama žiarenia nepresahuje energiu 1,3 MeV. Zriedkavo sa dosahujú hodnoty 6,7 MeV. V tomto ohľade sa na ochranu pred takýmto žiarením používajú vrstvy ocele, betónu a olova ako faktor útlmu.
Napríklad na desaťnásobné zoslabenie kob altového gama žiarenia je potrebné olovené tienenie s hrúbkou asi 5 cm, na 100-násobný útlm je potrebných 9,5 cm. Betónové tienenie bude 33 a 55 cm a voda - 70 a 115 cm.
Ionizačný výkon neutrónov závisí od ich energetickej výkonnosti.
V každej situácii je najlepším spôsobom ochrany pred žiarením zostať čo najďalej od zdroja a tráviť čo najmenej času v oblasti s vysokým žiarením.
Štepenie atómových jadier
Štepením jadier atómov sa rozumie samovoľné, alebo vplyvom neutrónov, rozdelenie jadra na dve časti, približne rovnakej veľkosti.
Tieto dve časti sa stávajú rádioaktívnymi izotopmi prvkov z hlavnej časti tabuľky chemických prvkov. Od medi po lantanoidy.
Počas uvoľnenia unikne pár neutrónov navyše a vzniká prebytok energie vo forme gama kvánt, ktorý je oveľa väčší ako pri rádioaktívnom rozpade. Takže pri jednom akte rádioaktívneho rozpadu sa objaví jedno gama kvantá a počas aktu štiepenia sa objaví 8, 10 gama kvanta. Rozptýlené úlomky majú tiež veľkú kinetickú energiu, ktorá sa mení na tepelné indikátory.
Uvoľnené neutróny sú schopné vyprovokovať oddelenie páru podobných jadier, ak sa nachádzajú v blízkosti a neutróny ich zasiahnu.
To zvyšuje možnosť rozvetvenia, zrýchlenia reťazovej reakcie štiepenia atómových jadier a vytvorenia veľkého množstva energie.
Keď je takáto reťazová reakcia pod kontrolou, možno ju použiť na určité účely. Napríklad na kúrenie alebo elektrinu. Takéto procesy sa vykonávajú v jadrových elektrárňach a reaktoroch.
Ak stratíte kontrolu nad reakciou, dôjde k atómovému výbuchu. Podobné sa používa v jadrových zbraniach.
V prírodných podmienkach existuje iba jeden prvok - urán, ktorý má iba jeden štiepny izotop s číslom 235. Je to zbraňový systém.
V obyčajnom uránovom atómovom reaktore z uránu-238 pod vplyvom neutrónov vytvoria nový izotop na čísle 239 a z neho - plutónium, ktoré je umelé a nevyskytuje sa prirodzene. V tomto prípade sa výsledné plutónium-239 používa na zbrojné účely. Tento proces štiepenia atómových jadier je podstatou všetkých atómových zbraní a energie.
Fenomény ako alfa rozpad a beta rozpad, ktorých vzorec sa študuje v škole, sú v našej dobe rozšírené. Vďaka týmto reakciám existujú jadrové elektrárne a mnohé ďalšie odvetvia založené na jadrovej fyzike. Netreba však zabúdať na rádioaktivitu mnohých z týchto prvkov. Pri práci s nimi je potrebná špeciálna ochrana a dodržiavanie všetkých opatrení. V opačnom prípade to môže viesť knenapraviteľná katastrofa.
