Radioaktivni razpad: definicija, mehanizmi in zgodovina odkritja

Večina ogljikovih atomov ima v jedru šest protonov in šest nevtronov. Ta ogljik se imenuje ogljik-12s (šest protonov + šest nevtronov = 12). Njegova atomska masa je 12. Če ima ogljikov atom dva nevtrona več, je to ogljik-14. Ogljik-14 se kemijsko obnaša kot drugi ogljik, saj šest protonov in šest elektronov določa njegove kemijske lastnosti. Dejansko je ogljik-14 prisoten v vseh živih bitjih; vse rastline in živali vsebujejo ogljik-14. Vendar je ogljik-14 radioaktiven. Razpade z razpadom beta in postane dušik-14. Ogljik-14 je v majhnih količinah, ki jih najdemo v naravi, neškodljiv. V arheologiji se ta vrsta ogljika uporablja za določanje starosti lesa in drugih prej živih stvari. Metoda se imenuje radiokarbonsko datiranje.

Ernest Rutherford je ugotovil, da ti delci prodirajo v snov na različne načine. Odkril je dve različni vrsti, ki ju je poimenoval razpad alfa in razpad beta. Paul Villard je leta 1900 odkril še tretjo vrsto. Rutherford jo je leta 1903 poimenoval razpad gama.

Sprememba radioaktivnega ogljika-14 v stabilni dušik-14 je radioaktivni razpad. To se zgodi, ko atom odda delec alfa. Delec alfa je impulz energije, ko elektron ali pozitron zapusti jedro.

Pozneje so odkrili še druge vrste razkroja. Vrste razpada se med seboj razlikujejo, ker pri različnih vrstah razpada nastajajo različne vrste delcev. Izhodiščno radioaktivno jedro imenujemo matično jedro, jedro, v katerega se spremeni, pa hčerinsko jedro. Visokoenergijske delce, ki jih proizvajajo radioaktivne snovi, imenujemo sevanje.

Te različne vrste razpadanja se lahko zaporedoma pojavljajo v "verigi razpadanja". Jedro ene vrste razpade na drugo vrsto, ki spet razpade na drugo in tako naprej, dokler ne postane stabilen izotop in se veriga konča.

Hitrost te spremembe je pri vsakem elementu drugačna. Radioaktivni razpad je odvisen od naključja: Čas, v katerem se v povprečju spremeni polovica atomov snovi, se imenuje razpolovni čas. Hitrost je podana z eksponentno funkcijo. Na primer, razpolovna doba joda (¹³¹ I) je približno 8 dni. Pri plutoniju je razpolovni čas med 4 urami (²⁴³ Pu) in 80 milijoni let (²⁴⁴ Pu).

Radioaktivni razpad spremeni atom, ki ima v svojem jedru večjo energijo, v atom z manjšo energijo. Sprememba energije jedra se prenese na delce, ki nastanejo. Energija, ki se sprosti pri radioaktivnem razpadu, se lahko prenese z elektromagnetnim sevanjem gama (vrsta svetlobe), delcem beta ali delcem alfa. V vseh teh primerih gre za spremembo energije jedra. V vseh teh primerih je skupno število pozitivnih in negativnih nabojev protonov in elektronov v atomu pred spremembo in po njej enako nič.

Pri razpadu alfa se iz atomskega jedra sprosti delec alfa. Pri razpadu alfa jedro izgubi dva protona in dva nevtrona. Zaradi razpada alfa se atom spremeni v drug element, ker izgubi dva protona (in dva elektrona). Če bi na primer americium prešel skozi razpad alfa, bi se spremenil v neptun, ker ima neptun dva protona manj kot americium. Razpad alfa se običajno zgodi pri najtežjih elementih, kot so uran, torij, plutonij in radij.

Delci alfa ne morejo prodreti niti skozi nekaj centimetrov zraka. Če je vir sevanja alfa zunaj človeškega telesa, sevanje alfa ne more poškodovati človeka, saj človeška koža delcev alfa ne prepušča. Sevanje alfa je lahko zelo škodljivo, če je vir v telesu, na primer ko ljudje vdihavajo prah ali plin, ki vsebuje snovi, ki razpadajo z oddajanjem delcev alfa (sevanje).

Obstajata dve vrsti razpadanja beta: beta plus in beta minus.

Pri razpadu beta-minus jedro odda negativno nabiti elektron, nevtron pa se spremeni v proton:

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

kjer je

n 0 {\displaystyle n^{0}} je nevtron

  p + {\displaystyle \ p^{+}} je proton

e - {\displaystyle e^{-}} je elektron

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} je anti-nevtrino

Razpad beta-minus poteka v jedrskih reaktorjih.

Pri razpadu beta plus jedro sprosti pozitron, ki je podoben elektronu, vendar je pozitivno nabit, proton pa se spremeni v nevtron:

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

kjer je

  p + {\displaystyle \ p^{+}} je proton

n 0 {\displaystyle n^{0}} je nevtron

e + {\displaystyle e^{+}} je pozitron

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} je nevtrino

Razpad beta plus se dogaja v soncu in v nekaterih vrstah pospeševalnikov delcev.

Razpad gama se zgodi, ko jedro proizvede visokoenergijski paket energije, imenovan žarek gama. Žarki gama nimajo električnega naboja, imajo pa kotni moment. Žarki gama se običajno izsevajo iz jeder takoj po drugih vrstah razpada. Z žarki gama lahko vidimo skozi snov, uničujemo bakterije v hrani, odkrivamo nekatere vrste bolezni in zdravimo nekatere vrste raka. Žarki gama imajo največjo energijo med vsemi elektromagnetnimi valovi, izbruhi žarkov gama iz vesolja pa so najbolj energični sproščanja energije, kar jih poznamo.