17.3: Radioaktiivisuuden tyypit: alfa-, beeta- ja gammahajoaminen (2023)

Viimeksi päivitetty
Tallenna PDF-muodossa

Sivun tunnus: 161974

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}}}\) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!- \!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{ span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart } norm[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm {span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\ mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{ \ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{ \unicode[.8,0]{x212B}}\)

↵

Oppimistavoitteet

Vertaa laadullisesti alfahiukkasten \(\left( \alpha \right)\), beetahiukkasten \(\left( \beta \right)\) ja gammasäteiden \(\left( \gamma \right) )\).
Ilmaise radioaktiivisten ytimien atomiluvun ja massaluvun muutokset, kun alfa-, beeta- tai gammahiukkanen emittoidaan.
Kirjoita ydinyhtälöt alfa- ja beeta-hajoamisreaktioihin.

Monet ytimet ovat radioaktiivisia; eli ne hajoavat emittoimalla hiukkasia ja muuttuvat näin tehdessään erilaiseksi ytimeksi. Tähän asti tehdyissä tutkimuksissamme yhden alkuaineen atomit eivät kyenneet muuttumaan eri alkuaineiksi. Tämä johtuu siitä, että kaikissa muissa käsitellyissä muutoksissa vain elektronit muuttuivat. Näissä muutoksissa ydin, joka sisältää protonit, jotka sanelevat, mikä alkuaine atomi on. Kaikki ytimet, joissa on 84 tai enemmän protonia, ovat radioaktiivisia, ja alle 84 protonin alkuaineilla on sekä stabiileja että epästabiileja isotooppeja. Kaikki nämä elementit voivat käydä läpi ydinmuutoksia ja muuttua erilaisiksi elementeiksi.

Luonnollisessa radioaktiivisessa hajoamisessa esiintyy kolme yleistä päästöä. Kun nämä päästöt alun perin havaittiin, tutkijat eivät pystyneet tunnistamaan niitä joiksikin jo tunnetuiksi hiukkasiksi ja nimesivät ne näin:

alfahiukkaset (\(\alpha \))
beetahiukkaset \(\left(\beta \right)\)
gammasäteet \(\vasen(\gamma \oikea)\)

Nämä hiukkaset nimettiin kreikkalaisten aakkosten kolmella ensimmäisellä kirjaimella. Myöhemmin alfahiukkaset tunnistettiin helium-4-ytimiksi, beetahiukkaset elektroneiksi ja gammasäteet sähkömagneettisen säteilyn muodoksi, kuten röntgensäteet, paitsi että ne ovat energialtaan paljon korkeampia ja vielä vaarallisempia eläville järjestelmille.

Säteilyn ionisoiva ja läpäisyvoima

Kaikesta luonnollisista ja ihmisen aiheuttamista lähteistä tulevan säteilyn vuoksi meidän pitäisi aivan kohtuudella olla huolissaan siitä, kuinka kaikki säteily voi vaikuttaa terveyteemme. Radioaktiiviset päästöt aiheuttavat vahinkoa eläville järjestelmille, kun hiukkaset tai säteet osuvat kudoksiin, soluihin tai molekyyleihin ja muuttavat niitä. Nämä vuorovaikutukset voivat muuttaa molekyylirakennetta ja toimintaa; solut eivät enää suorita oikeaa toimintaansa ja molekyylejä, kutenDNA, eivät enää sisällä tarvittavia tietoja. Suuret määrät säteilyä ovat erittäin vaarallisia, jopa tappavia. Useimmissa tapauksissa säteily vahingoittaa yhtä (tai hyvin pientä määrää) soluja rikkomalla soluseinän tai muuten estämällä solua lisääntymästä.

Säteilyn kykyä vahingoittaa molekyylejä analysoidaan nsionisoivaa voimaa. Kun säteilypartikkeli on vuorovaikutuksessa atomien kanssa, vuorovaikutus voi aiheuttaa sen, että atomi menettää elektroneja ja siten ionisoituu. Mitä suurempi todennäköisyys, että vuorovaikutus aiheuttaa vahinkoa, on säteilyn ionisoiva voima.

Suuri osa säteilyn uhista liittyy siihen, että hiukkasilta suojautuminen on helppoa tai vaikeaa. Kuinka paksun seinän taakse sinun täytyy piiloutua ollaksesi turvassa? Kunkin säteilytyypin kyky kulkea aineen läpi ilmaistaan termeilläläpäisyteho.Mitä enemmän materiaalia säteily voi läpäistä, sitä suurempi tunkeutumisteho ja sitä vaarallisempi se on. Yleensä mitä suurempi massa on läsnä, sitä suurempi ionisointiteho ja sitä pienempi tunkeutumisteho.

Kun verrataan vain kolmea yleistä ionisoivan säteilyn tyyppiä, alfahiukkasilla on suurin massa. Alfahiukkasten massa on noin neljä kertaa protonin tai neutronin massa ja noin 8 000 kertaa beetahiukkasen massa. Alfahiukkasen suuren massan vuoksi sillä on suurin ionisoiva teho ja suurin kyky vahingoittaa kudosta. Sama suuri alfahiukkasten koko tekee niistä kuitenkin vähemmän kykeneviä tunkeutumaan aineeseen. Ne törmäävät molekyyleihin erittäin nopeasti osuessaan aineeseen, lisäävät kaksi elektronia ja niistä tulee vaaraton heliumatomi. Alfahiukkasilla on pienin tunkeutumiskyky, ja ne voidaan pysäyttää paksulla paperiarkilla tai jopa vaatekerroksella. Ihmisten kuolleen ihon ulkokerros pysäyttää ne myös. Tämä saattaa näyttää poistavan uhan alfahiukkasista, mutta se tulee vain ulkoisista lähteistä. Ydinräjähdyksessä tai jonkinlaisessa ydinonnettomuudessa, jossa radioaktiiviset säteilijät leviävät ympäristöön, säteilijät voidaan hengittää tai ottaa ruoan tai veden kanssa ja kun alfasäteilijä on sisälläsi, sinulla ei ole minkäänlaista suojaa.

Beetahiukkaset ovat paljon pienempiä kuin alfahiukkaset ja siksi niillä on paljon vähemmän ionisoivaa tehoa (vähemmän kykyä vahingoittaa kudosta), mutta niiden pieni koko antaa niille paljon suuremman läpäisyvoiman. Useimmat resurssit sanovat, että beetahiukkaset voidaan pysäyttää neljännestuuman paksuisella alumiinilevyllä. Jälleen kerran kuitenkin suurin vaara syntyy, kun beetasäteilevä lähde pääsee sisälle.

Gammasäteet eivät ole hiukkasia, vaan sähkömagneettisen säteilyn korkean energian muoto (kuten röntgensäteet, paitsi voimakkaammat). Gammasäteet ovat energiaa, jolla ei ole massaa tai varausta. Gammasäteillä on valtava tunkeutumiskyky ja ne vaativat useita tuumaa tiheää materiaalia (kuten lyijyä) suojatakseen niitä. Gammasäteet voivat kulkea ihmiskehon läpi iskemättä mihinkään. Niillä katsotaan olevan vähiten ionisoivaa tehoa ja suurin tunkeutumiskyky.

Taulukko \(\PageIndex{1}\) Läpäisytehon, alfa- ja beetahiukkasten ionisointitehon ja suojauksen sekä gammasäteiden vertailu.
Hiukkanen	Symboli	Massa	Läpäisevä voima	Ionisoiva voima	Suojaus
Alpha	\(\alpha\)	\(4 \mathrm{amu}\)	Erittäin matala	Erittäin korkea	Paperi iho
Beeta	\(\beeta\)	\(1/2000 \mathrm{amu}\)	Keskitason	Keskitason	Alumiini
Gamma	\(\gamma\)	0 (vain energia)	Erittäin korkea	Erittäin matala	2 tuuman johto

Turvallisin määrä säteilyä ihmiskeholle on nolla. Ionisoivaa säteilyä on mahdotonta välttää kokonaan, joten seuraavaksi paras tavoite on altistua mahdollisimman vähän. Kaksi parasta tapaa minimoida altistuminen on rajoittaa altistusaikaa ja lisätä etäisyyttä lähteeseen.

Alfa hajoaminen

Ydinhajoamisprosessia, joka lähettää alfahiukkasia, kutsutaan alfahajoamiseksi. Esimerkki alfahajoavasta ytimestä on uraani-238. Kohteen \(\ce{U}\)-238 alfa-hajoaminen on

\[\ce{_{92}^{238}U} \rightarrow \ce{_2^4He} + \ce{_{90}^{234}Th} \label{alpha1} \]

Beta Decay

Toinen yleinen hajoamisprosessi on beetahiukkaspäästö tai beetahajoaminen. Beetahiukkanen on yksinkertaisesti korkeaenerginen elektroni, joka emittoituu ytimestä. Sinulle saattaa tulla mieleen, että meillä on loogisesti vaikea tilanne. Ytimet eivät sisällä elektroneja, ja kuitenkin beetahajoamisen aikana ytimestä emittoituu elektroni. Samaan aikaan kun elektroni irtoaa ytimestä, neutronista on tulossa protoni. On houkuttelevaa kuvitella tämä neutronina, joka hajoaa kahteen osaan, jolloin osat ovat protoni ja elektroni. Se olisi kätevää yksinkertaisuuden vuoksi, mutta valitettavasti näin ei tapahdu (lisää tästä aiheesta selitetään tämän osan lopussa). Mukavuuden vuoksi käsittelemme beetahajoamista neutronina, joka jakautuu protoniksi ja elektroniksi. Protoni pysyy ytimessä ja lisää atomin atomilukua yhdellä. Elektroni irtoaa ytimestä ja on säteilyn hiukkanen, jota kutsutaan beetaksi.

Elektronin lisäämiseksi ydinyhtälöön ja numeroiden yhteenlaskemiseksi oikein elektronille oli annettava atomiluku ja massaluku. Elektronille annettu massaluku on nolla (0), mikä on järkevää, koska massaluku on protonien ja neutronien lukumäärä, ja elektroni ei sisällä protoneja eikä neutroneja. Elektronille annettu atomiluku on negatiivinen (-1), koska sen avulla elektronin sisältävä ydinyhtälö voi tasapainottaa atomiluvut. Siksi elektronia (beetahiukkasta) edustava ydinsymboli on

\(\ce{_{-1}^0e}\) tai \(\ce{_{-1}^0\beta} \label{beta1}\)

Torium-234 on ydin, joka käy läpi beetahajoamisen. Tässä on ydinyhtälö tälle beeta-hajoamiselle:

\[\ce{_{90}^{234}Th} \rightarrow \ce{_{-1}^0e} + \ce{_{91}^{234}Pa} \label{beta2} \]

Gammasäteily

Usein gammasäteen tuotanto liittyy kaikentyyppisiin ydinreaktioihin. \(\ce{U}\)-238:n alfa-hajoamisessa emittoidaan kaksi erienergistä gammasädettä alfahiukkasen lisäksi.

\[\ce{_{92}^{238}U} \rightarrow \ce{_2^4He} + \ce{_{90}^{234}Th} + 2 \ce{_0^0\gamma} \ ei numero \]

Käytännössä kaikki tämän luvun ydinreaktiot lähettävät myös gammasäteitä, mutta yksinkertaisuuden vuoksi gammasäteitä ei yleensä esitetä. Ydinreaktiot tuottavat paljon enemmän energiaa kuin kemialliset reaktiot. Kemialliset reaktiot vapauttavat lähtöaineiden ja tuotteiden kemiallisen sidosenergian välisen eron, ja vapautuvat energiat ovat suuruusluokkaa \(1 \kertaa 10^3 \: \teksti{kJ/mol}\). Ydinreaktiot vapauttavat osan sitoutumisenergiasta ja voivat muuttaa pieniä määriä ainetta energiaksi. Ydinreaktiossa vapautuva energia on suuruusluokkaa \(1 \kertaa 10^{18} \: \text{kJ/mol}\). Tämä tarkoittaa, että ydinvoimamuutokset sisältävät melkeinmiljoona kertaa enemmän energiaaatomia kohti kuin kemialliset muutokset!

Huomautus

Käytännössä kaikki tämän luvun ydinreaktiot lähettävät myös gammasäteitä, mutta yksinkertaisuuden vuoksi gammasäteitä ei yleensä esitetä.

Kunkin reaktion keskeiset ominaisuudet on esitetty kohdassaKuva 17.3.2

Kuva 17.3.2: Kolme yleisintä ydinten hajoamismuotoa.

"Ydinkirjanpito"

Kun kirjoitat ydinyhtälöitä, on olemassa joitain yleisiä sääntöjä, jotka auttavat sinua:

Reagenssipuolen massalukujen (huippulukujen) summa on yhtä suuri kuin tulopuolen massalukujen summa.
Reaktion molemmilla puolilla olevat atomiluvut (alaluvut) ovat myös yhtä suuret.

\(\ce{^{238}U}\) (yhtälö \(\ref{alpha1}\)) alfa-hajoamisessa sekä atomi- että massaluvut säilyvät:

massaluku: \(238 = 4 + 234\)
atominumero: \(92 = 2 + 90\)

Varmista, että tämä yhtälö on oikein tasapainotettu laskemalla yhteen lähtöaineiden ja tuotteiden atomi- ja massaluvut. Huomaa myös, että koska tämä oli alfareaktio, yksi tuotteista on alfahiukkanen \(\ce{_2^4He}\).

Huomaa, että sekä massaluvut että atomiluvut laskeutuvat oikein torium-234:n beetahajoamiseen (yhtälö \(\ref{beta2}\)):

massaluku: \(234 = 0 + 234\)
atominumero: \(90 = -1 + 91\)

Alkuperäisen ytimen ja uuden ytimen massaluvut ovat samat, koska neutroni on kadonnut, mutta protoni on saatu, joten protonien ja neutronien summa pysyy samana. Prosessin atomiluku on kasvanut yhdellä, koska uudessa ytimessä on yksi protoni enemmän kuin alkuperäisessä ytimessä. Tässä beetahajoamisessa torium-234-ytimessä on yksi protoni enemmän kuin alkuperäisessä ytimessä. Tässä beetahajoamisessa torium-234-ytimestä on tullut protaktiinium-234-ydin. Protactinium-234 on myös beetasäteilijä ja tuottaa uraani-234:ää.

\[\ce{_{91}^{234}Pa} \rightarrow \ce{_{-1}^0e} + \ce{_{92}^{234}U} \label{nuke1} \]

Jälleen kerran atomiluku kasvaa yhdellä ja massaluku pysyy samana; tämä vahvistaa, että yhtälö on oikein tasapainotettu.

Entä tasapainotusveloitus?

Sekä alfa- että beetahiukkaset ovat varattuja, mutta yhtälöiden \(\ref{alpha1}\), \(\ref{beta2}\) ydinreaktiot ja useimmat muut yllä olevat ydinreaktiot eivät ole tasapainossa varauksen suhteen. kuten tasapainotettaessa puhuttiinredox-reaktiot. Ydinreaktioita yleisesti tutkittaessa radioaktiivisten isotooppien kemiallisesta tilasta on tyypillisesti vähän tietoa tai huolta, koska elektronipilven elektronit eivät ole suoraan mukana ydinreaktiossa (toisin kuin kemialliset reaktiot).

Joten se on hyväksyttävääjättää huomiottalatautua tasapainotettaessa ydinreaktioita ja keskittyä vain tasapainottamaan massaa ja atomilukuja.

Esimerkki \(\PageIndex{1}\)

Suorita seuraava ydinreaktio täyttämällä puuttuva hiukkanen.

\[\ce{_{86}^{210}Rn} \rightarrow \ce{_2^4He} + ? \ei numero \]

Ratkaisu

Tämä reaktio on alfa-hajoamista. Voimme ratkaista tämän ongelman kahdella tavalla:

Ratkaisu 1:Kun atomi vapauttaa alfahiukkasen, sen atomiluku putoaa 2:lla ja massaluku 4, jolloin jäljelle jää: \(\ce{_{84}^{206}Po}\). Tiedämme, että poloniumin symboli on \(\ce{Po}\), koska tämä on alkuaine, jolla on 84 protonia jaksollisessa taulukossa.

Ratkaisu 2:Muista, että molemmilla puolilla olevien massalukujen on oltava yhtä suuria. Sama pätee atomilukuihin.

Massaluvut: \(210 = 4 + ?\)
Atomiluvut: \(86 = 2 + ?\)

Jäljelle jää \(\ce{_{84}^{206}Po}\).

Esimerkki \(\PageIndex{2}\)

Kirjoita jokainen seuraavista ydinreaktioista.

a) Hiilen ajoittamisessa käytetty hiili-14 hajoaa beetapäästöjen vaikutuksesta.

b) Uraani-238 hajoaa alfaemissiolla.

Ratkaisu

a) Beetahiukkasilla on symboli \(\ce{_{-1}^0e}\). Beetahiukkasen lähettäminen saa atomiluvun kasvamaan yhdellä ja massaluku ei muutu. Saamme elementtien atominumerot ja symbolit jaksollisen taulukon avulla. Jäljelle jää seuraava reaktio:

\[\ce{_6^{14}C} \rightarrow \ce{_{-1}^0e} + \ce{_7^{14}N} \nonumber \]

b) Alfahiukkasilla on symboli \(\ce{_2^4He}\). Alfahiukkasen lähettäminen saa atomiluvun pienenemään 2:lla ja massaluvun pienentymään 4:llä. Jäljelle jää:

\[\ce{_{92}^{238}U} \rightarrow \ce{_2^4He} + \ce{_{90}^{234}Th} \nonumber \]

Decay-sarja

Radioaktiivisen ytimen hajoaminen on askel kohti vakaata. Usein radioaktiivinen ydin ei voi saavuttaa vakaata tilaa yhden hajoamisen kautta. Tällaisissa tapauksissa tapahtuu sarja hajoamisia, kunnes muodostuu vakaa ydin. \(\ce{U}\)-238:n vaimeneminen on esimerkki tästä. \(\ce{U}\)-238-hajoamissarja alkaa \(\ce{U}\)-238:lla ja käy läpi neljätoista erillistä hajoamista saavuttaakseen lopulta vakaan ytimen, \(\ce{Pb}\)- 206 (kuva 17.3.3). Samanlaisia vaimenemissarjoja on \(\ce{U}\)-235 ja \(\ce{Th}\)-232. \(\ce{U}\)-235-sarja päättyy \(\ce{Pb}\)-207 ja \(\ce{Th}\)-232-sarja päättyy \(\ce{Pb}\ )-208.

17.3: Radioaktiivisuuden tyypit: alfa-, beeta- ja gammahajoaminen (3)

Useita luonnossa esiintyviä radioaktiivisia ytimiä on siellä, koska ne syntyvät jossakin radioaktiivisen hajoamisen sarjassa. Esimerkiksi radon on saattanut olla maan päällä sen muodostumishetkellä, mutta se oli alkuperäinenradonkaikki olisivat hajonneet tähän mennessä. Nyt läsnä oleva radon on läsnä, koska se muodostui hajoamissarjassa (enimmäkseen U-238:lla).

Yhteenveto

Ydinreaktio on sellainen, joka muuttaa atomin ytimen rakennetta. Ydinyhtälön atomilukujen ja massalukujen on oltava tasapainossa. Protonit ja neutronit koostuvat kvarkeista. Luonnollisen radioaktiivisuuden kaksi yleisintä muotoa ovat alfahajoaminen ja beetahajoaminen. Suurin osa ydinreaktioista säteilee energiaa gammasäteilyn muodossa.

Sanasto

Alfa hajoaminen- Yleinen radioaktiivisen hajoamisen muoto, jossa ydin lähettää alfahiukkasta (helium-4-ydin).
Beta hajoaminen- Yleinen radioaktiivisen hajoamisen muoto, jossa ydin lähettää beetahiukkasia. Tytärytimellä on suurempi atomiluku kuin alkuperäisellä ytimellä.
Kvarkki- Hiukkaset, jotka muodostavat toisen aineen kahdesta perusaineosasta. Erilaiset kvarkkilajit yhdistyvät tietyillä tavoilla muodostaen protoneja ja neutroneja. Kussakin tapauksessa tarvitaan täsmälleen kolme kvarkkia komposiittihiukkasen muodostamiseen.