Dlaczego występuje rozkład radioaktywny?

Rozpad promieniotwórczy jest spontanicznym procesem, w którym niestabilny jądro atomowe rozpada się na mniejsze, bardziej stabilne fragmenty. Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego niektóre jądra rozpadają się, a inne nie?

Zasadniczo jest to kwestia termodynamiki. Każdy atom stara się być jak najbardziej stabilny. W przypadku rozpadu radioaktywnego niestabilność występuje, gdy występuje nierównowaga w liczbie protony i neutrony w jądrze atomowym. Zasadniczo w jądrze jest zbyt dużo energii, aby utrzymać wszystkie nukleony razem. Status elektrony atomu nie ma znaczenia dla rozpadu, chociaż oni także mają własny sposób na znalezienie stabilności. Jeśli jądro atomu jest niestabilne, ostatecznie rozpadnie się, tracąc co najmniej niektóre cząstki, które powodują, że jest niestabilny. Pierwotne jądro nazywa się rodzicem, a powstałe jądro lub jądra nazywane są córką lub córkami. Córki mogą nadal być radioaktywnym, ostatecznie rozpadające się na więcej części lub mogą być stabilne.

Istnieją trzy formy rozpadu radioaktywnego: które z nich przechodzi jądro atomowe, zależy od natury wewnętrznej niestabilności. Niektóre izotopy mogą rozpadać się na więcej niż jedną ścieżkę.

W rozpadzie alfa jądro wyrzuca cząstkę alfa, która jest zasadniczo jądrem helu (dwa protony i dwa neutrony), zmniejszając liczbę atomową rodzica o dwa, a liczbę masową o cztery.

Podczas rozpadu beta strumień elektronów, zwanych cząsteczkami beta, jest wyrzucany z rodzica, a neutron w jądrze przekształca się w proton. Liczba masowa nowego jądra jest taka sama, ale liczba atomowa wzrasta o jeden.

W rozpadzie gamma jądro atomowe uwalnia nadmiar energii w postaci fotonów o wysokiej energii (promieniowanie elektromagnetyczne). Liczba atomowa i liczba masowa pozostają takie same, ale powstałe jądro przyjmuje bardziej stabilny stan energetyczny.

ZA izotop radioaktywny to taki, który ulega rozkładowi radioaktywnemu. Termin „stabilny” jest bardziej niejednoznaczny, ponieważ odnosi się do elementów, które nie rozpadają się ze względów praktycznych przez długi czas. Oznacza to, że stabilne izotopy obejmują te, które nigdy się nie łamią, takie jak prot (składa się z jednego protonu, więc nie ma już nic do stracenia) oraz izotopy radioaktywne, takie jak tellur -128, który ma okres półtrwania 7,7 x 10²⁴ lat Radioizotopy o krótkim okresie półtrwania nazywane są niestabilnymi radioizotopami.

Można założyć, że jądro w stabilnej konfiguracji będzie miało taką samą liczbę protonów jak neutrony. W przypadku wielu lżejszych elementów jest to prawda. Na przykład węgiel jest powszechnie spotykany w trzech konfiguracjach protonów i neutronów, zwanych izotopami. Liczba protonów nie zmienia się, ponieważ determinuje to pierwiastek, ale liczba neutronów: Carbon-12 ma sześć protonów i sześć neutronów i jest stabilny; węgiel-13 ma również sześć protonów, ale ma siedem neutronów; węgiel-13 jest również stabilny. Jednak węgiel 14 z sześcioma protonami i ośmioma neutronami jest niestabilny lub radioaktywny. Liczba neutronów w jądrze węgla-14 jest zbyt wysoka, aby silna siła przyciągająca mogła utrzymać go razem przez czas nieokreślony.

Ale kiedy przechodzisz do atomów zawierających więcej protonów, izotopy są coraz bardziej stabilne z nadmiarem neutronów. Wynika to z faktu, że nukleony (protony i neutrony) nie są ustalone w jądrze, ale się poruszają, a protony odpychają się, ponieważ wszystkie mają dodatni ładunek elektryczny. Neutrony tego większego jądra izolują protony od wzajemnych skutków.

Stosunek neutronów do protonów lub stosunek N: Z jest głównym czynnikiem, który określa, czy jądro atomowe jest stabilne. Lżejsze pierwiastki (Z <20) wolą mieć taką samą liczbę protonów i neutronów lub N: Z = 1. Cięższe pierwiastki (Z = 20 do 83) wolą stosunek N: Z 1,5, ponieważ potrzeba więcej neutronów do izolacji przed odpychającą siłą między protonami.

Istnieją również tak zwane liczby magiczne, czyli liczby nukleonów (protonów lub neutronów), które są szczególnie stabilne. Jeśli zarówno liczba protonów, jak i neutronów ma te wartości, sytuacja nazywa się podwójną liczbą magiczną. Możesz myśleć o tym jako o jądrze równoważnym do reguła oktetu rządzące stabilnością powłoki elektronowej. Liczby magiczne są nieco inne dla protonów i neutronów:

• Protony: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutrony: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Aby dodatkowo skomplikować stabilność, istnieją bardziej stabilne izotopy o parzystej do parzystej Z: N (162 izotopach) niż parzystej do nieparzystej (53 izotopy), niż nieparzystej do parzystej (50) niż wartości nieparzystej do nieparzystej (4).

Ostatnia uwaga: to, czy którekolwiek jądro ulega rozkładowi, czy nie, jest wydarzeniem całkowicie losowym. Okres półtrwania izotopu jest najlepszą prognozą dla wystarczająco dużej próbki pierwiastków. Nie można go wykorzystać do prognozowania zachowania jednego jądra lub kilku jąder.

Czy możesz przekazać quiz na temat radioaktywności?