Ραδιενεργή διάσπαση

Τα περισσότερα άτομα άνθρακα έχουν έξι πρωτόνια και έξι νετρόνια στον πυρήνα τους. Αυτός ο άνθρακας ονομάζεται άνθρακας-12s (έξι πρωτόνια + έξι νετρόνια = 12). Το ατομικό του βάρος είναι 12. Εάν ένα άτομο άνθρακα έχει δύο επιπλέον νετρόνια είναι ο άνθρακας-14. Ο άνθρακας-14 συμπεριφέρεται χημικά όπως ο άλλος άνθρακας, επειδή τα έξι πρωτόνια και τα έξι ηλεκτρόνια είναι αυτά που καθορίζουν τις χημικές του ιδιότητες. Στην πραγματικότητα, ο άνθρακας-14 υπάρχει σε όλα τα έμβια όντα- όλα τα φυτά και τα ζώα περιέχουν άνθρακα-14. Ωστόσο, ο άνθρακας-14 είναι ραδιενεργός. Διασπάται με βήτα διάσπαση και μετατρέπεται σε άζωτο-14. Ο άνθρακας-14, στις μικρές ποσότητες που βρίσκονται γύρω μας στη φύση, είναι ακίνδυνος. Στην αρχαιολογία, αυτό το είδος άνθρακα χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ηλικίας του ξύλου και άλλων πρώην ζωντανών πραγμάτων. Η μέθοδος ονομάζεται ραδιοχρονολόγηση.

Ο Ernest Rutherford διαπίστωσε ότι υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους τα σωματίδια αυτά διαπερνούν την ύλη. Βρήκε δύο διαφορετικά είδη, τα οποία ονόμασε διάσπαση άλφα και διάσπαση βήτα. Ο Paul Villard ανακάλυψε ένα τρίτο είδος το 1900. Ο Ράδερφορντ το ονόμασε διάσπαση γάμμα, το 1903.

Η αλλαγή από ραδιενεργό άνθρακα-14 σε σταθερό άζωτο-14 είναι μια ραδιενεργός διάσπαση. Συμβαίνει όταν το άτομο εκπέμπει ένα σωματίδιο άλφα. Ένα σωματίδιο άλφα είναι ένας παλμός ενέργειας καθώς ένα ηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο εγκαταλείπει τον πυρήνα.

Άλλα είδη αποσύνθεσης ανακαλύφθηκαν αργότερα. Οι τύποι διάσπασης είναι διαφορετικοί μεταξύ τους, επειδή οι διάφοροι τύποι διάσπασης παράγουν διαφορετικά είδη σωματιδίων. Ο αρχικός ραδιενεργός πυρήνας ονομάζεται μητρικός πυρήνας και ο πυρήνας στον οποίο μετατρέπεται ονομάζεται θυγατρικός πυρήνας. Τα σωματίδια υψηλής ενέργειας που παράγονται από τα ραδιενεργά υλικά ονομάζονται ακτινοβολία.

Αυτά τα διάφορα είδη αποσύνθεσης μπορούν να συμβούν διαδοχικά σε μια "αλυσίδα αποσύνθεσης". Ένα είδος πυρήνα διασπάται σε ένα άλλο είδος, το οποίο διασπάται και πάλι σε ένα άλλο κ.ο.κ. μέχρι να γίνει ένα σταθερό ισότοπο και να τελειώσει η αλυσίδα.

Η ταχύτητα με την οποία συμβαίνει αυτή η αλλαγή είναι διαφορετική για κάθε στοιχείο. Η ραδιενεργός διάσπαση διέπεται από την τύχη: Ο χρόνος που χρειάζεται, κατά μέσο όρο, για να αλλάξουν τα μισά άτομα μιας ουσίας ονομάζεται χρόνος ημιζωής. Ο ρυθμός δίνεται από μια εκθετική συνάρτηση. Για παράδειγμα, το ιώδιο (¹³¹ I) έχει χρόνο ημιζωής περίπου 8 ημέρες. Αυτός του πλουτωνίου κυμαίνεται μεταξύ 4 ωρών (²⁴³ Pu) και 80 εκατομμυρίων ετών (²⁴⁴ Pu).

Η ραδιενεργός διάσπαση μετατρέπει ένα άτομο από ένα άτομο που έχει υψηλότερη ενέργεια μέσα στον πυρήνα του σε ένα άτομο με χαμηλότερη ενέργεια. Η αλλαγή της ενέργειας του πυρήνα δίνεται στα σωματίδια που δημιουργούνται. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη ραδιενεργό διάσπαση μπορεί να μεταφερθεί είτε με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία γάμμα (ένα είδος φωτός), είτε με σωματίδιο βήτα, είτε με σωματίδιο άλφα. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, μεταφέρεται η μεταβολή της ενέργειας του πυρήνα. Και σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, ο συνολικός αριθμός των θετικών και αρνητικών φορτίων των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων του ατόμου αθροίζεται στο μηδέν πριν και μετά την αλλαγή.

Κατά τη διάσπαση άλφα, ο ατομικός πυρήνας απελευθερώνει ένα σωματίδιο άλφα. Με τη διάσπαση άλφα ο πυρήνας χάνει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Η διάσπαση άλφα προκαλεί τη μετατροπή του ατόμου σε άλλο στοιχείο, επειδή το άτομο χάνει δύο πρωτόνια (και δύο ηλεκτρόνια). Για παράδειγμα, αν το Αμερίκιο περνούσε από διάσπαση άλφα, θα μετατρεπόταν σε Ποσειδώνιο, επειδή το Ποσειδώνιο ορίζεται ότι έχει δύο πρωτόνια λιγότερα από το Αμερίκιο. Η διάσπαση άλφα συμβαίνει συνήθως στα πιο βαριά στοιχεία, όπως το ουράνιο, το θόριο, το πλουτώνιο και το ράδιο.

Τα σωματίδια άλφα δεν μπορούν να διαπεράσουν ούτε μερικά εκατοστά αέρα. Η ακτινοβολία άλφα δεν μπορεί να βλάψει τον άνθρωπο όταν η πηγή της ακτινοβολίας άλφα βρίσκεται εκτός του ανθρώπινου σώματος, επειδή το ανθρώπινο δέρμα δεν αφήνει τα σωματίδια άλφα να περάσουν. Η ακτινοβολία άλφα μπορεί να είναι πολύ επιβλαβής εάν η πηγή βρίσκεται στο εσωτερικό του σώματος, όπως όταν οι άνθρωποι αναπνέουν σκόνη ή αέριο που περιέχει υλικά τα οποία διασπώνται εκπέμποντας σωματίδια άλφα (ακτινοβολία).

Υπάρχουν δύο είδη διάσπασης βήτα, η βήτα-πλέων και η βήτα-μείον.

Κατά τη διάσπαση βήτα-μείον, ο πυρήνας αποβάλλει ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο και ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο:

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

όπου

n 0 {\displaystyle n^{0}} είναι το νετρόνιο

  p + {\displaystyle \ p^{+}} είναι το πρωτόνιο

e - {\displaystyle e^{-}} είναι το ηλεκτρόνιο

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} είναι το αντι-νετρίνο

Η διάσπαση βήτα-μείον συμβαίνει στους πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Κατά τη διάσπαση βήτα-πλεον, ο πυρήνας απελευθερώνει ένα ποζιτρόνιο, το οποίο μοιάζει με το ηλεκτρόνιο αλλά είναι θετικά φορτισμένο, και ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο:

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

όπου

  p + {\displaystyle \ p^{+}} είναι το πρωτόνιο

n 0 {\displaystyle n^{0}} είναι το νετρόνιο

e + {\displaystyle e^{+}} είναι το ποζιτρόνιο

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} είναι το νετρίνο

Η διάσπαση βήτα-plus συμβαίνει στο εσωτερικό του ήλιου και σε ορισμένους τύπους επιταχυντών σωματιδίων.

Η διάσπαση γάμμα συμβαίνει όταν ένας πυρήνας παράγει ένα πακέτο ενέργειας υψηλής ενέργειας που ονομάζεται ακτίνα γάμμα. Οι ακτίνες γάμμα δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, αλλά έχουν στροφορμή. Οι ακτίνες γάμμα εκπέμπονται συνήθως από πυρήνες αμέσως μετά από άλλους τύπους διάσπασης. Οι ακτίνες γάμμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δούμε μέσα από υλικά, να σκοτώσουμε βακτήρια σε τρόφιμα, να εντοπίσουμε ορισμένα είδη ασθενειών και να θεραπεύσουμε ορισμένα είδη καρκίνου. Οι ακτίνες γάμμα έχουν την υψηλότερη ενέργεια από όλα τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα και οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα από το διάστημα είναι οι πιο ενεργητικές απελευθερώσεις ενέργειας που είναι γνωστές.