Радиоактивный распад

Большинство атомов углерода имеют в своем ядре шесть протонов и шесть нейтронов. Такой углерод называется углерод-12s (шесть протонов + шесть нейтронов = 12). Его атомный вес равен 12. Если у атома углерода на два нейтрона больше, то это углерод-14. Углерод-14 ведет себя химически так же, как и другие углероды, потому что шесть протонов и шесть электронов определяют его химические свойства. Фактически, углерод-14 существует во всех живых существах; все растения и животные содержат углерод-14. Однако углерод-14 радиоактивен. Он распадается путем бета-распада и превращается в азот-14. Углерод-14 в тех небольших количествах, которые встречаются нам в природе, безвреден. В археологии этот вид углерода используется для определения возраста древесины и других ранее живых существ. Этот метод называется радиоуглеродным датированием.

Эрнест Резерфорд обнаружил, что существуют различные способы проникновения этих частиц в материю. Он обнаружил два различных вида, которые назвал альфа-распадом и бета-распадом. Поль Виллард открыл третий вид в 1900 году. Резерфорд назвал его гамма-распадом в 1903 году.

Переход от радиоактивного углерода-14 к стабильному азоту-14 - это радиоактивный распад. Он происходит, когда атом испускает альфа-частицу. Альфа-частица - это импульс энергии, когда электрон или позитрон покидает ядро.

Другие виды распада были открыты позже. Типы распада отличаются друг от друга, потому что при разных типах распада образуются разные виды частиц. Начальное радиоактивное ядро называется родительским ядром, а ядро, в которое оно превращается, - дочерним ядром. Высокоэнергетические частицы, производимые радиоактивными материалами, называются радиацией.

Эти различные виды распада могут происходить последовательно в "цепочке распада". Один вид ядер распадается на другой вид, который снова распадается на другой и так далее, пока не станет стабильным изотопом, и цепочка не закончится.

Скорость, с которой происходит это изменение, различна для каждого элемента. Радиоактивный распад регулируется случайностью: Время, которое в среднем требуется для изменения половины атомов вещества, называется периодом полураспада. Скорость определяется экспоненциальной функцией. Например, период полураспада йода (¹³¹ I) составляет около 8 дней. Период полураспада плутония составляет от 4 часов (²⁴³ Pu) до 80 миллионов лет (²⁴⁴ Pu).

Радиоактивный распад изменяет атом с более высокой энергией внутри ядра на атом с более низкой энергией. Изменение энергии ядра передается создаваемым частицам. Энергия, высвобождаемая при радиоактивном распаде, может быть либо унесена гамма-лучами электромагнитного излучения (вид света), бета-частицами или альфа-частицами. Во всех этих случаях происходит изменение энергии ядра. И во всех этих случаях общее число положительных и отрицательных зарядов протонов и электронов атома равно нулю до и после изменения.

При альфа-распаде ядро атома испускает альфа-частицу. При альфа-распаде ядро теряет два протона и два нейтрона. Альфа-распад приводит к превращению атома в другой элемент, поскольку атом теряет два протона (и два электрона). Например, если бы америций прошел через альфа-распад, он превратился бы в нептуний, поскольку нептуний имеет на два протона меньше, чем америций. Альфа-распад обычно происходит в самых тяжелых элементах, таких как уран, торий, плутоний и радий.

Альфа-частицы не могут пройти даже через несколько сантиметров воздуха. Альфа-излучение не может причинить вред человеку, если источник альфа-излучения находится вне тела человека, поскольку кожа человека не пропускает альфа-частицы. Альфа-излучение может быть очень вредным, если источник находится внутри тела, например, когда люди дышат пылью или газом, содержащим материалы, которые распадаются, испуская альфа-частицы (излучение).

Существует два вида бета-распада: бета-плюс и бета-минус.

При бета-минус распаде ядро отдает отрицательно заряженный электрон, а нейтрон превращается в протон:

n 0 → p + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}} .

где

n 0 {\displaystyle n^{0}} - нейтрон

  p + {\displaystyle \ p^{+}} - протон

e - {\displaystyle e^{-}} - электрон

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} - антинейтрино.

Бета-минус распад происходит в ядерных реакторах.

При бета-распаде ядро высвобождает позитрон, который похож на электрон, но заряжен положительно, а протон превращается в нейтрон:

  p + → n 0 + e + + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}}} .

где

  p + {\displaystyle \ p^{+}} - протон

n 0 {\displaystyle n^{0}} - нейтрон

e + {\displaystyle e^{+}} - позитрон

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} - нейтрино

Распад бета-плюс происходит внутри Солнца и в некоторых типах ускорителей частиц.

Гамма-распад происходит, когда ядро производит высокоэнергетический пакет энергии, называемый гамма-лучами. Гамма-лучи не имеют электрического заряда, но обладают угловым моментом. Гамма-лучи обычно испускаются ядрами сразу после других видов распада. Гамма-лучи можно использовать для просвечивания материалов, для уничтожения бактерий в пище, для обнаружения некоторых видов заболеваний и для лечения некоторых видов рака. Гамма-лучи имеют самую высокую энергию среди всех электромагнитных волн, а всплески гамма-лучей из космоса - это самые энергичные выбросы энергии из всех известных.