Radioaktiivne lagunemine

Radioaktiivne lagunemine toimub mõne keemilise elemendi puhul. Enamik keemilisi elemente on stabiilsed. Keemilised elemendid koosnevad aatomitest. Stabiilsete elementide aatom jääb samaks. Isegi keemilises reaktsioonis ei muutu aatomid ise kunagi.

19. sajandil avastas Henri Becquerel, et mõnel keemilisel elemendil on aatomid, mis muutuvad. Aastal 1898 nimetasid Marie ja Pierre Curie seda nähtust radioaktiivseks lagunemiseks. Becquerel ja Curie'd said selle avastuse eest 1903. aastal Nobeli füüsikaauhinna.

Radioaktiivse materjali tähistamiseks kasutatakse kolmekirju sümbolit.

Näide

Enamiku süsiniku aatomite tuumas on kuus prootonit ja kuus neutronit. Sellist süsinikku nimetatakse süsinik-12s (kuus prootonit + kuus neutronit = 12). Selle aatommass on 12. Kui süsiniku aatomil on kaks neutronit rohkem, siis on see süsinik-14. Süsinik-14 käitub keemiliselt nagu muu süsinik, sest kuus prootonit ja kuus elektroni määravad tema keemilised omadused. Tegelikult on süsinik-14 olemas kõigis elusolendites; kõik taimed ja loomad sisaldavad süsinik-14. Süsinik-14 on aga radioaktiivne. See laguneb beetah lagunemise teel lämmastik-14-ks. Looduses leiduvas väikeses koguses on süsinik-14 kahjutu. Arheoloogias kasutatakse seda liiki süsinikku puidu ja muude kunagiste elusolendite vanuse määramiseks. Meetodit nimetatakse radiosüsiniku dateerimiseks.

Erinevad lagunemisviisid

Ernest Rutherford leidis, et need osakesed läbivad ainet erinevalt. Ta leidis kaks erinevat liiki, mida ta nimetas alfa- ja beetahajumisteks. Paul Villard avastas 1900. aastal kolmanda liigi. Rutherford nimetas seda 1903. aastal gammahajumiseks.

Radioaktiivse süsiniku-14 muutumine stabiilseks lämmastik-14-ks on radioaktiivne lagunemine. See toimub siis, kui aatom kiirgab alfa-osakesi. Alfa-osake on energiaimpulss, kui elektron või positron lahkub tuumast.

Hiljem avastati ka muid lagunemisviise. Need lagunemisliigid erinevad üksteisest, sest eri liiki lagunemisel tekivad eri liiki osakesed. Algset radioaktiivset tuuma nimetatakse emaatomiks ja tuuma, milleks see muutub, nimetatakse tütaratomiks. Radioaktiivsete ainete tekitatud kõrge energiaga osakesi nimetatakse kiirguseks.

Need erinevad lagunemisviisid võivad toimuda järjestikku "lagunemisahelas". Üks tuumaliik laguneb teiseks tuumaliikiks, mis laguneb jälle teiseks ja nii edasi, kuni sellest saab stabiilne isotoop ja ahel lõpeb.

Lagunemiskiirus

Selle muutuse kiirus on iga elemendi puhul erinev. Radioaktiivset lagunemist reguleerib juhus: Seda aega, mis keskmiselt kulub poole aine aatomite muutumiseks, nimetatakse poolväärtusajaks. Kiirus on antud eksponentsiaalfunktsiooniga. Näiteks joodi (¹³¹ I) poolväärtusaeg on umbes 8 päeva. Plutooniumi poolväärtusaeg jääb vahemikku 4 tundi (²⁴³ Pu) kuni 80 miljonit aastat (²⁴⁴ Pu).

Tuumamuutused ja energia

Radioaktiivne lagunemine muudab aatomi aatomi, mille tuumas on suurem energia, väiksema energiaga aatomiks. Tuuma energia muutus antakse tekkinud osakestele. Radioaktiivse lagunemise käigus vabanev energia võib olla kas gammakiirguse elektromagnetilise kiirguse (valguse liik), beetoosakeste või alfoosakeste kujul. Kõigil neil juhtudel viiakse tuuma energia muutus ära. Ja kõigil neil juhtudel on aatomi prootonite ja elektronide positiivsete ja negatiivsete laengute summa enne ja pärast muutust null.

Alfa lagunemine

Alfahajumise käigus vabaneb aatomituumast alfa-osake. Aatomituuma kaotab alfahajaotuse tagajärjel kaks prootonit ja kaks neutronit. Alfahajaotus põhjustab aatomi muutumise teiseks elemendiks, sest aatom kaotab kaks prootonit (ja kaks elektroni). Näiteks kui ameriitsium läbiks alfahajaotuse, muutuks ta neptuuniumiks, sest neptuunium on määratletud sellega, et tal on kaks prootonit vähem kui ameriitsiumil. Alfahajumine toimub tavaliselt kõige raskemates elementides, näiteks uraanis, tooriumis, plutooniumis ja raadiumis.

Alfaosakesed ei saa läbida isegi paari sentimeetri pikkust õhku. Alfakiirgus ei saa inimesele haiget teha, kui alfakiirguse allikas on väljaspool inimkeha, sest inimese nahk ei lase alfaosakesi läbi. Alfakiirgus võib olla väga kahjulik, kui kiirgusallikas on keha sees, näiteks kui inimesed hingavad sisse tolmu või gaasi, mis sisaldab materjale, mis lagunevad alfaosakesi (kiirgust) eraldades.

Beeta lagunemine

On olemas kahte liiki beetahajumist, beeta-pluss ja beeta-miinus.

Beeta-miinuse lagunemisel annab tuum välja negatiivselt laetud elektroni ja neutron muutub prootoniks:

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

kus

n 0 {\displaystyle n^{0}} $n^{0}$ on neutron

p + {\displaystyle \ p^{+}} $\ p^{+}$ on prooton

e - {\displaystyle e^{-}} $e^{-}$ on elektron

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} ${\bar {\nu }}_{e}$ on anti-neutriino

Beeta-minus lagunemine toimub tuumareaktorites.

Beeta-pluss lõhustumisel vabaneb tuumast positron, mis on nagu elektron, kuid positiivselt laetud, ja prooton muutub neutroniks:

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

kus

p + {\displaystyle \ p^{+}} $\ p^{+}$ on prooton

n 0 {\displaystyle n^{0}} $n^{0}$ on neutron

e + {\displaystyle e^{+}} $e^{+}$ on positroni

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} ${\nu }_{e}$ on neutriino

Beeta-pluss lagunemine toimub päikese sees ja teatud tüüpi osakeste kiirendites.

Gamma lagunemine

Gammahajumine toimub siis, kui tuum tekitab suure energiaga energiapaketi, mida nimetatakse gammakiirguseks. Gammakiirtel ei ole elektrilist laengut, kuid neil on nurgamoment. Gammakiirgus eraldub tuumadest tavaliselt vahetult pärast muud liiki lagunemist. Gammakiirgust saab kasutada materjali läbinägemiseks, bakterite tapmiseks toidus, mõnede haiguste leidmiseks ja mõnede vähivormide raviks. Gammakiirgus on elektromagnetlainetest kõige suurema energiaga ja gammakiirguse pursked kosmosest on kõige energilisemad teadaolevad energiaväljundid.