Alfa a beta záření se obecně nazývá radioaktivní rozpady. Jedná se o proces, který představuje emisi subatomárních částic z jádra, ke kterému dochází obrovskou rychlostí. V důsledku toho se atom nebo jeho izotop může změnit z jednoho chemického prvku na druhý. Alfa a beta rozpady jader jsou charakteristické pro nestabilní prvky. Patří sem všechny atomy s nábojovým číslem větším než 83 a hmotnostním číslem větším než 209.
Reakční podmínky
Rozklad, stejně jako ostatní radioaktivní přeměny, je přirozený a umělý. K tomu druhému dochází v důsledku vniknutí nějaké cizí částice do jádra. Kolik alfa a beta rozpadu může atom podstoupit, závisí pouze na tom, jak brzy dosáhne stabilního stavu.
Za přirozených okolností dochází k rozpadům alfa a beta mínus.
V umělých podmínkách jsou přítomny neutrony, pozitrony, protony a další, vzácnější typy rozpadů a přeměn jader.
Tyto názvy dal Ernest Rutherford, který studoval radioaktivní záření.
Rozdíl mezi stabilním a nestabilnímjádro
Schopnost rozpadu přímo závisí na stavu atomu. Pro nerozpadající se atomy je charakteristické takzvané „stabilní“neboli neradioaktivní jádro. Teoreticky lze takové prvky pozorovat donekonečna, abychom se nakonec přesvědčili o jejich stabilitě. To je nutné k oddělení takových jader od nestabilních, které mají extrémně dlouhý poločas rozpadu.
Omylem může být takový "pomalý" atom zaměněn za stabilní. Pozoruhodným příkladem však může být tellur, a konkrétněji jeho izotop číslo 128, který má poločas rozpadu 2,2·1024 let. Tento případ není ojedinělý. Lanthan-138 má poločas rozpadu 1011 let. Toto období je třicetkrát starší než stávající vesmír.
Podstata radioaktivního rozpadu
Tento proces probíhá náhodně. Každý rozpadající se radionuklid nabývá rychlosti, která je pro každý případ konstantní. Rychlost rozpadu se nemůže měnit pod vlivem vnějších faktorů. Nezáleží na tom, zda dojde k reakci pod vlivem obrovské gravitační síly, v absolutní nule, v elektrickém a magnetickém poli, při jakékoli chemické reakci a podobně. Proces lze ovlivnit pouze přímým dopadem do nitra atomového jádra, což je prakticky nemožné. Reakce je spontánní a závisí pouze na atomu, ve kterém probíhá, a jeho vnitřním stavu.
Když se odkazuje na radioaktivní rozpady, často se používá termín „radionuklid“. Pro ty, kteří nejsouPokud to znáte, měli byste vědět, že toto slovo označuje skupinu atomů, které mají radioaktivní vlastnosti, své vlastní hmotnostní číslo, atomové číslo a energetický stav.
V technických, vědeckých a dalších oblastech lidského života se používají různé radionuklidy. Například v medicíně se tyto prvky používají při diagnostice nemocí, zpracování léků, nástrojů a dalších předmětů. Existuje dokonce řada terapeutických a prognostických radiofarmak.
Neméně důležitá je definice izotopu. Toto slovo označuje zvláštní druh atomů. Mají stejné atomové číslo jako běžný prvek, ale jiné hmotnostní číslo. Tento rozdíl je způsoben počtem neutronů, které neovlivňují náboj, jako protony a elektrony, ale mění svou hmotnost. Například jednoduchý vodík jich má až 3. Toto je jediný prvek, jehož izotopy dostaly jména: deuterium, tritium (jediné radioaktivní) a protium. V ostatních případech jsou názvy uvedeny podle atomových hmotností a hlavního prvku.
Rozpad alfa
Toto je druh radioaktivní reakce. Je typický pro přírodní prvky ze šestého a sedmého období periodické tabulky chemických prvků. Speciálně pro umělé nebo transuranové prvky.
Prvky podléhající rozpadu alfa
Mezi kovy, které se vyznačují tímto rozpadem, patří thorium, uran a další prvky šesté a sedmé periody z periodické tabulky chemických prvků, počítáno od bismutu. Proces také prochází izotopy z řad těžkýchpoložky.
Co se stane během reakce?
Když začne rozpad alfa, emise z jádra se skládají ze 2 protonů a páru neutronů. Samotná emitovaná částice je jádrem atomu helia s hmotností 4 jednotek a nábojem +2.
V důsledku toho se objeví nový prvek, který je v periodické tabulce umístěn o dvě buňky vlevo od původního. Toto uspořádání je určeno skutečností, že původní atom ztratil 2 protony a spolu s tím - počáteční náboj. V důsledku toho se hmotnost výsledného izotopu sníží o 4 jednotky hmotnosti ve srovnání s počátečním stavem.
Příklady
Při tomto rozpadu vzniká z uranu thorium. Z thoria pochází radium, z něj radon, který nakonec dává polonium, a nakonec olovo. V tomto procesu se tvoří izotopy těchto prvků, nikoli ony samotné. Ukazuje se tedy, že uran-238, thorium-234, radium-230, radon-236 a tak dále, až do vzhledu stabilního prvku. Vzorec pro takovou reakci je následující:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
Rychlost vybrané částice alfa v okamžiku emise je od 12 do 20 tisíc km/s. Ve vakuu by taková částice obletěla zeměkouli za 2 sekundy a pohybovala by se podél rovníku.
Beta Decay
Rozdíl mezi touto částicí a elektronem je v místě vzhledu. K rozpadu beta dochází v jádře atomu, nikoli v elektronovém obalu, který jej obklopuje. Nejběžnější ze všech existujících radioaktivních přeměn. Lze jej pozorovat téměř u všech v současnosti existujícíchchemické prvky. Z toho vyplývá, že každý prvek má alespoň jeden izotop podléhající rozpadu. Ve většině případů vede beta rozpad k beta-minus rozpadu.
Reakční tok
Při tomto procesu je z jádra vyvržen elektron, který vznikl spontánní přeměnou neutronu na elektron a proton. V tomto případě kvůli větší hmotnosti protony zůstávají v jádře a elektron, nazývaný částice beta minus, opouští atom. A protože existuje více protonů na jednotku, jádro prvku samotného se mění směrem nahoru a je umístěno vpravo od originálu v periodické tabulce.
Příklady
Rozpad beta s draslíkem-40 z něj udělá izotop vápníku, který se nachází vpravo. Radioaktivní vápník-47 se změní na skandium-47, které se může změnit na stabilní titan-47. Jak vypadá tento beta rozpad? Vzorec:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
Rychlost beta částice je 0,9krát větší než rychlost světla, což je 270 000 km/s.
V přírodě není příliš mnoho beta-aktivních nuklidů. Těch významných je velmi málo. Příkladem je draslík-40, který je v přírodní směsi pouze 119/10 000. Mezi významné přírodní beta-minus aktivní radionuklidy patří také alfa a beta produkty rozpadu uranu a thoria.
Beta rozpad má typický příklad: thorium-234, které se při rozpadu alfa mění na protaktinium-234 a poté se stejným způsobem stává uranem, ale jeho dalším izotopem číslo 234. Tento uran-234 opět díky alfa rozpad se stáváthorium, ale již jeho jiná odrůda. Toto thorium-230 se pak změní na radium-226, které se změní na radon. A ve stejném pořadí až po thalium, jen s různými beta přechody zpět. Tento radioaktivní beta rozpad končí vytvořením stabilního olova-206. Tato transformace má následující vzorec:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-245 -263 Po4164 Pb-206
Přirozené a významné beta aktivní radionuklidy jsou K-40 a prvky od thalia po uran.
Beta-plus rozpad
Existuje také beta plus transformace. Říká se mu také rozpad pozitronu beta. Z jádra emituje částici zvanou pozitron. Výsledkem je transformace původního prvku na prvek vlevo, který má nižší číslo.
Příklad
Když dojde k rozpadu elektronu beta, stane se hořčík-23 stabilním izotopem sodíku. Radioaktivní europium-150 se změní na samarium-150.
Výsledná reakce beta rozpadu může vytvářet beta+ a beta- emise. Rychlost úniku částice je v obou případech 0,9krát větší než rychlost světla.
Jiné radioaktivní rozpady
Kromě reakcí, jako je rozpad alfa a rozpad beta, jejichž vzorec je široce známý, existují další procesy, které jsou vzácnější a charakteristické pro umělé radionuklidy.
Rozpad neutronů. Je emitována neutrální částice o velikosti 1 jednotkymasy. Během ní se jeden izotop změní na druhý s menším hmotnostním číslem. Příkladem může být přeměna lithia-9 na lithium-8, helia-5 na helium-4.
Když je stabilní izotop jódu-127 ozářen gama paprsky, stane se izotopem číslo 126 a získá radioaktivitu.
Rozpad protonu. Je extrémně vzácný. Během ní je emitován proton, který má náboj +1 a 1 jednotku hmotnosti. Atomová hmotnost se sníží o jednu hodnotu.
Jakákoli radioaktivní přeměna, zejména radioaktivní rozpady, je doprovázena uvolňováním energie ve formě gama záření. Říkají tomu gama paprsky. V některých případech jsou pozorovány rentgenové záření s nižší energií.
Gamma rozpad. Je to proud gama kvant. Jde o elektromagnetické záření, tvrdší než rentgenové záření, které se používá v lékařství. V důsledku toho se objevují gama kvanta neboli energie proudí z atomového jádra. Rentgenové záření je také elektromagnetické, ale pochází z elektronových obalů atomu.
Probíhají alfa částice
Alfa částice o hmotnosti 4 atomových jednotek a náboji +2 se pohybují po přímce. Z tohoto důvodu můžeme mluvit o rozsahu částic alfa.
Hodnota běhu závisí na počáteční energii a pohybuje se od 3 do 7 (někdy 13) cm ve vzduchu. V hustém médiu je to setina milimetru. Takové záření nemůže proniknout plechempapír a lidská kůže.
Vzhledem k vlastní hmotnosti a číslu náboje má částice alfa nejvyšší ionizační sílu a ničí vše, co jí stojí v cestě. V tomto ohledu jsou alfa radionuklidy nejnebezpečnější pro lidi a zvířata, když jsou vystaveny tělu.
Pronikání beta částic
Vzhledem k malému hmotnostnímu číslu, které je 1836krát menší než proton, zápornému náboji a velikosti, má beta záření slabý vliv na látku, kterou prolétá, ale navíc je let delší. Také dráha částice není přímá. V tomto ohledu mluví o schopnosti pronikat, která závisí na přijaté energii.
Síla průniku beta částic produkovaných během radioaktivního rozpadu dosahuje ve vzduchu 2,3 m, v kapalinách se počítá v centimetrech a v pevných látkách - ve zlomcích centimetru. Tkáně lidského těla propouštějí záření do hloubky 1,2 cm. K ochraně před beta zářením může sloužit jednoduchá vrstva vody do 10 cm Proud částic s dostatečně vysokou rozpadovou energií 10 MeV je téměř úplně absorbován takovými vrstvami: vzduch - 4 m; hliník - 2,2 cm; železo - 7,55 mm; olovo - 5,2 mm.
Vzhledem k jejich malé velikosti mají částice beta záření ve srovnání s částicemi alfa nízkou ionizační kapacitu. Při požití jsou však mnohem nebezpečnější než při vnější expozici.
Neutrony a gama mají v současnosti nejvyšší penetrační výkon ze všech typů záření. Dosah těchto záření ve vzduchu někdy dosahuje desítek a stovekmetrů, ale s nižším ionizačním výkonem.
Většina izotopů gama záření nepřesahuje energii 1,3 MeV. Vzácně jsou dosaženy hodnoty 6,7 MeV. V tomto ohledu se na ochranu před takovým zářením používají vrstvy oceli, betonu a olova jako faktor útlumu.
Například pro desetinásobné zeslabení kob altového gama záření je potřeba stínění olovem o tloušťce asi 5 cm, pro 100násobný útlum je potřeba 9,5 cm. Betonové stínění bude 33 a 55 cm a voda - 70 a 115 cm.
Ionizační výkon neutronů závisí na jejich energetickém výkonu.
V každé situaci je nejlepším způsobem ochrany před radiací zůstat co nejdále od zdroje a trávit co nejméně času v oblasti s vysokou radiací.
Štěpení atomových jader
Pod štěpením jader atomů se rozumí samovolné, nebo pod vlivem neutronů, rozdělení jádra na dvě části, přibližně stejně velké.
Tyto dvě části se stávají radioaktivními izotopy prvků z hlavní části tabulky chemických prvků. Počínaje mědí po lanthanoidy.
Během uvolňování unikne pár neutronů navíc a vzniká přebytek energie ve formě gama kvant, který je mnohem větší než při radioaktivním rozpadu. Takže při jednom aktu radioaktivního rozpadu se objeví jedno gama kvanta a během aktu štěpení se objeví 8, 10 gama kvant. Také rozptýlené úlomky mají velkou kinetickou energii, která se mění na tepelné indikátory.
Uvolněné neutrony jsou schopny vyprovokovat oddělení páru podobných jader, pokud se nacházejí poblíž a neutrony je zasáhnou.
To zvyšuje možnost větvení, urychlení řetězové reakce štěpení atomových jader a vytvoření velkého množství energie.
Když je taková řetězová reakce pod kontrolou, lze ji použít pro určité účely. Například na topení nebo elektřinu. Takové procesy se provádějí v jaderných elektrárnách a reaktorech.
Pokud ztratíte kontrolu nad reakcí, dojde k atomovému výbuchu. Podobné se používá v jaderných zbraních.
V přírodních podmínkách existuje pouze jeden prvek - uran, který má pouze jeden štěpný izotop s číslem 235. Je to zbraňové kvality.
V běžném uranovém atomovém reaktoru z uranu-238 pod vlivem neutronů tvoří nový izotop na čísle 239 a z něj - plutonium, které je umělé a přirozeně se nevyskytuje. V tomto případě je výsledné plutonium-239 použito pro zbrojní účely. Tento proces štěpení atomových jader je podstatou všech atomových zbraní a energie.
Jevy, jako je rozpad alfa a rozpad beta, jejichž vzorec se studuje ve škole, jsou v naší době velmi rozšířené. Díky těmto reakcím existují jaderné elektrárny a mnoho dalších odvětví založených na jaderné fyzice. Nezapomínejte však na radioaktivitu mnoha těchto prvků. Při práci s nimi je nutná zvláštní ochrana a dodržování všech opatření. V opačném případě to může vést knenapravitelná katastrofa.
