קרינת אלפא ובטא נקראות בדרך כלל דעיכה רדיואקטיבית. זהו תהליך שהוא פליטת חלקיקים תת-אטומיים מהגרעין, המתרחשים במהירות עצומה. כתוצאה מכך, אטום או איזוטופ שלו יכולים להשתנות מיסוד כימי אחד למשנהו. התפרקות אלפא ובטא של גרעינים אופייניות ליסודות לא יציבים. אלה כוללים את כל האטומים עם מספר מטען גדול מ-83 ומספר מסה גדול מ-209.
תנאי תגובה
פירוק, כמו טרנספורמציות רדיואקטיביות אחרות, הוא טבעי ומלאכותי. זה האחרון מתרחש עקב חדירת חלקיק זר כלשהו לתוך הגרעין. כמה ריקבון אלפא וביטא יכול לעבור אטום תלוי רק בזמן שבו מגיעים למצב יציב.
בנסיבות טבעיות, מתרחשות דעיכה של אלפא וביטא מינוס.
בתנאים מלאכותיים קיימים נויטרונים, פוזיטרונים, פרוטון וסוגים נדירים יותר של דעיכה וטרנספורמציות של גרעינים.
השמות האלה ניתנו על ידי ארנסט רתרפורד, שחקר קרינה רדיואקטיבית.
ההבדל בין יציב ללא יציבcore
היכולת להתפרק תלויה באופן ישיר במצב האטום. הגרעין המכונה "יציב" או לא רדיואקטיבי אופייני לאטומים שאינם מתכלים. בתיאוריה, ניתן לצפות באלמנטים כאלה ללא הגבלת זמן כדי להשתכנע סופית ביציבותם. זה נדרש על מנת להפריד גרעינים כאלה מגרעין לא יציבים, שיש להם זמן מחצית חיים ארוך במיוחד.
בטעות, אטום "איטי" כזה יכול להיחשב בטעות לאטום יציב. עם זאת, טלוריום, וליתר דיוק, איזוטופ מספר 128 שלו, בעל זמן מחצית חיים של 2.2·1024 שנים, יכול להיות דוגמה בולטת. המקרה הזה אינו מבודד. ל-Lanthanum-138 יש זמן מחצית חיים של 1011 שנים. תקופה זו היא פי שלושים מגיל היקום הקיים.
מהות ההתפרקות הרדיואקטיבית
תהליך זה מתרחש באופן אקראי. כל רדיונוקליד מתכלה מקבל קצב קבוע לכל מקרה. קצב הריקבון אינו יכול להשתנות בהשפעת גורמים חיצוניים. זה לא משנה אם תגובה תתרחש בהשפעת כוח כבידה עצום, באפס מוחלט, בשדה חשמלי ומגנטי, במהלך כל תגובה כימית וכו'. התהליך יכול להיות מושפע רק על ידי השפעה ישירה על החלק הפנימי של גרעין האטום, וזה כמעט בלתי אפשרי. התגובה היא ספונטנית ותלויה רק באטום שבו היא ממשיכה ובמצבו הפנימי.
כאשר מתייחסים לדעיכה רדיואקטיבית, המונח "רדיונוקליד" משמש לעתים קרובות. למי שלאמכיר את זה, אתה צריך לדעת שהמילה הזו מציינת קבוצה של אטומים שיש להם תכונות רדיואקטיביות, מספר מסה משלהם, מספר אטומי ומצב אנרגיה.
רדיונוקלידים שונים משמשים בתחומים טכניים, מדעיים ואחרים בחיי האדם. לדוגמה, ברפואה, אלמנטים אלו משמשים באבחון מחלות, עיבוד תרופות, כלים ופריטים אחרים. יש אפילו מספר תרופות רדיו טיפוליות ופרוגנוסטיות.
לא פחות חשובה היא הגדרת האיזוטופ. מילה זו מתייחסת לסוג מיוחד של אטומים. יש להם אותו מספר אטומי כמו ליסוד רגיל, אבל מספר מסה שונה. הבדל זה נגרם ממספר הנייטרונים, שאינם משפיעים על המטען, כמו פרוטונים ואלקטרונים, אלא משנים את המסה שלהם. למשל, למימן פשוט יש עד 3 מהם. זהו היסוד היחיד שהאיזוטופים שלו קיבלו שמות: דאוטריום, טריטיום (הרדיואקטיבי היחיד) ופרוטיום. במקרים אחרים, השמות ניתנים לפי המסות האטומיות והיסוד העיקרי.
Alpha decay
זו מעין תגובה רדיואקטיבית. זה אופייני ליסודות טבעיים מהתקופות השישית והשביעית של הטבלה המחזורית של יסודות כימיים. במיוחד עבור יסודות מלאכותיים או טרנסאורניום.
אלמנטים הכפופים לדעיכת אלפא
מספר המתכות המאופיינות בדעיכה זו כוללות תוריום, אורניום ויסודות אחרים מהתקופה השישית והשביעית מהטבלה המחזורית של יסודות כימיים, ספירה מבסמוט. התהליך גם עובר איזוטופים מקרב הכבדיםפריטים.
מה קורה במהלך תגובה?
כאשר מתחילה ריקבון אלפא, הפליטה מגרעין החלקיקים המורכבים מ-2 פרוטונים וזוג נויטרונים. החלקיק הנפלט עצמו הוא גרעין של אטום הליום, בעל מסה של 4 יחידות ומטען של +2.
כתוצאה מכך, אלמנט חדש מופיע, הממוקם שני תאים משמאל למקור בטבלה המחזורית. סידור זה נקבע על ידי העובדה שהאטום המקורי איבד 2 פרוטונים ויחד איתו - המטען ההתחלתי. כתוצאה מכך, מסת האיזוטופ שנוצר מצטמצמת ב-4 יחידות מסה בהשוואה למצב ההתחלתי.
דוגמאות
במהלך ריקבון זה, תוריום נוצר מאורניום. מהתוריום מגיע הרדיום, ממנו מגיע הראדון, שבסופו של דבר נותן פולוניום, ולבסוף עופרת. בתהליך זה נוצרים איזוטופים של יסודות אלו, ולא הם עצמם. אז, מסתבר שאורניום-238, תוריום-234, רדיום-230, ראדון-236 וכן הלאה, עד להופעת יסוד יציב. הנוסחה לתגובה כזו היא כדלקמן:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
מהירות חלקיק האלפא הנבחר ברגע הפליטה היא בין 12 ל-20 אלף ק מ לשנייה. בהיותו בוואקום, חלקיק כזה יקיף את כדור הארץ תוך 2 שניות, נע לאורך קו המשווה.
Beta Decay
ההבדל בין חלקיק זה לבין אלקטרון הוא במקום ההופעה. ריקבון בטא מתרחש בגרעין של אטום, לא במעטפת האלקטרונים המקיפה אותו. הטרנספורמציות הרדיואקטיביות הנפוצות ביותר מכל הקיימות. ניתן לראות אותו כמעט בכל הקיים כיוםיסודות כימיים. מכאן נובע שלכל יסוד יש לפחות איזוטופ אחד נתון לדעיכה. ברוב המקרים, דעיכת בטא גורמת לדעיכה בטא מינוס.
זרימת תגובה
בתהליך זה נפלט אלקטרון מהגרעין, שנוצר עקב הטרנספורמציה ספונטנית של נויטרון לאלקטרון ולפרוטון. במקרה זה, בגלל המסה הגדולה יותר, פרוטונים נשארים בגרעין, והאלקטרון, הנקרא חלקיק בטא מינוס, עוזב את האטום. ומכיוון שיש יותר פרוטונים ליחידה, גרעין היסוד עצמו משתנה כלפי מעלה וממוקם מימין למקור בטבלה המחזורית.
דוגמאות
הדעיכה של בטא עם אשלגן-40 הופכת אותה לאיזוטופ סידן, שנמצא בצד ימין. סידן רדיואקטיבי-47 הופך לסקנדיום-47, שיכול להפוך לטיטניום-47 יציב. איך נראה ריקבון הבטא הזה? נוסחה:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
מהירותו של חלקיק בטא היא פי 0.9 ממהירות האור, שהיא 270,000 ק מ לשנייה.
אין יותר מדי נוקלידים פעילים בטא בטבע. יש מעט מאוד משמעותיים. דוגמה לכך היא אשלגן-40, שהוא רק 119/10,000 בתערובת טבעית. כמו כן, בין הרדיונוקלידים הטבעיים המשמעותיים הפעילים בטא מינוס נמצאים תוצרי ההתפרקות האלפא והביתא של אורניום ותוריום.
לדעיכת בטא יש דוגמה טיפוסית: תוריום-234, שבדעיכת אלפא הופך לפרוטקטיניום-234, ואז באותו אופן הופך לאורניום, אבל האיזוטופ השני שלו מספר 234. האורניום-234 הזה שוב בגלל אלפא ריקבון הופךתוריום, אבל כבר מגוון אחר שלו. תוריום-230 זה הופך לאחר מכן לרדיום-226, שהופך לראדון. ובאותו רצף, עד לתליום, רק עם מעברי בטא שונים אחורה. ריקבון בטא רדיואקטיבי זה מסתיים בהיווצרות עופרת 206 יציבה. לטרנספורמציה זו הנוסחה הבאה:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> -> - Po-> - Po-> - Po-> - Po-> Pb-206
רדיונוקלידים טבעיים ומשמעותיים בטא פעילים הם K-40 ואלמנטים מתליום לאורניום.
ביטא פלוס דעיכה
יש גם שינוי בטא פלוס. זה נקרא גם ריקבון בטא פוזיטרון. הוא פולט חלקיק הנקרא פוזיטרון מהגרעין. התוצאה היא הפיכת האלמנט המקורי לזה שמשמאל, בעל מספר נמוך יותר.
דוגמה
כאשר מתרחשת ריקבון בטא של אלקטרונים, מגנזיום-23 הופך לאיזוטופ יציב של נתרן. Europium-150 רדיואקטיבי הופך ל-samarium-150.
תגובת דעיכת הביטא שנוצרה יכולה ליצור פליטות בטא+ ובטא-. מהירות בריחת החלקיקים בשני המקרים היא פי 0.9 ממהירות האור.
דעיכה רדיואקטיבית אחרת
בנוסף לתגובות כגון ריקבון אלפא וריקבון בטא, שהנוסחה שלהן ידועה ברבים, ישנם תהליכים נוספים שהם נדירים יותר ואופייניים יותר לרדיונוקלידים מלאכותיים.
דעיכת ניוטרון. נפלט חלקיק ניטרלי של יחידה אחתהמונים. במהלכו, איזוטופ אחד הופך לאחר עם מספר מסה קטן יותר. דוגמה לכך היא המרה של ליתיום-9 לליתיום-8, הליום-5 להליום-4.
כאשר איזוטופ יציב של יוד-127 מוקרן בקרני גמא, הוא הופך לאיזוטופ מספר 126 ורוכש רדיואקטיביות.
דעיכת פרוטונים. זה נדיר ביותר. במהלכו נפלט פרוטון בעל מטען של +1 ו-1 יחידת מסה. המשקל האטומי יורד בערך אחד.
כל טרנספורמציה רדיואקטיבית, בפרט, דעיכה רדיואקטיבית, מלווה בשחרור אנרגיה בצורה של קרינת גמא. הם קוראים לזה קרני גמא. במקרים מסוימים, נצפו צילומי רנטגן באנרגיה נמוכה יותר.
דעיכת גמא. זהו זרם של גמא קוואנטה. זוהי קרינה אלקטרומגנטית, קשה יותר מקרני רנטגן, המשמשת ברפואה. כתוצאה מכך מופיעות קוונטות גמא, או אנרגיה זורמת מגרעין האטום. קרני רנטגן הן גם אלקטרומגנטיות אך מקורן בקליפות האלקטרונים של האטום.
חלקיקי אלפא פועלים
חלקיקי אלפא בעלי מסה של 4 יחידות אטומיות ומטען של +2 נעים בקו ישר. בגלל זה, אנחנו יכולים לדבר על טווח חלקיקי האלפא.
ערך הריצה תלוי באנרגיה הראשונית ונע בין 3 ל-7 (לפעמים 13) ס מ באוויר. במדיום צפוף הוא מאית המילימטר. קרינה כזו לא יכולה לחדור סדיןנייר ועור אדם.
בגלל המסה ומספר המטען שלו, לחלקיק האלפא יש את הכוח המייננן הגבוה ביותר והוא הורס את כל מה שנקרה בדרכו. בהקשר זה, אלפא רדיונוקלידים הם המסוכנים ביותר עבור בני אדם ובעלי חיים כאשר הם נחשפים לגוף.
חדירת חלקיקי ביתא
בשל מספר המסה הקטן, שהוא פי 1836 פחות מפרוטון, מטען וגודל שליליים, לקרינת בטא יש השפעה חלשה על החומר שדרכו היא עפה, אך יתרה מכך, הטיסה ארוכה יותר. כמו כן הנתיב של החלקיק אינו ישר. בהקשר זה מדברים על יכולת חדירה, שתלויה באנרגיה המתקבלת.
כוח החדירה של חלקיקי בטא הנוצרים במהלך התפרקות רדיואקטיבית מגיע ל-2.3 מ' באוויר, בנוזלים הוא סופר בסנטימטרים, ובמוצקים - בשברירי סנטימטר. רקמות גוף האדם מעבירות קרינה בעומק 1.2 ס"מ. כדי להגן מפני קרינת בטא, שכבה פשוטה של מים עד 10 ס"מ יכולה לשרת. זרימת חלקיקים עם אנרגיית דעיכה גבוהה מספיק של 10 MeV נספגת כמעט לחלוטין על ידי שכבות כאלה: אוויר - 4 מ'; אלומיניום - 2.2 ס"מ; ברזל - 7.55 מ"מ; עופרת - 5, 2 מ"מ.
בהתחשב בגודלם הקטן, לחלקיקי קרינת בטא יש יכולת יינון נמוכה בהשוואה לחלקיקי אלפא. עם זאת, כאשר הם נבלעים, הם הרבה יותר מסוכנים מאשר במהלך חשיפה חיצונית.
לניוטרונים וגמא יש כרגע את הביצועים החודרים הגבוהים ביותר מבין כל סוגי הקרינה. טווח הקרנות הללו באוויר מגיע לפעמים לעשרות ומאותמטרים, אבל עם ביצועי מייננים נמוכים יותר.
רוב האיזוטופים של קרני גמא אינם עולים על 1.3 MeV באנרגיה. לעיתים רחוקות מגיעים לערכים של 6.7 MeV. בהקשר זה, כדי להגן מפני קרינה כזו, נעשה שימוש בשכבות של פלדה, בטון ועופרת עבור גורם הנחתה.
לדוגמה, על מנת להחליש את קרינת הגמא הקובלט פי עשרה, יש צורך במיגון עופרת בעובי של כ-5 ס"מ, להנחתה של פי 100 יש צורך ב-9.5 ס"מ. מיגון בטון יהיה 33 ו-55 ס"מ, ומים - 70 ו-115 ס"מ.
ביצועי היינון של נויטרונים תלויים בביצועי האנרגיה שלהם.
בכל מצב, הדרך הטובה ביותר להתגונן מפני קרינה היא להתרחק כמה שיותר מהמקור ולבלות כמה שפחות זמן באזור הקרינה הגבוהה.
ביקוע של גרעיני אטום
תחת ביקוע גרעיני האטומים הכוונה ספונטנית, או בהשפעת נויטרונים, לחלוקת הגרעין לשני חלקים, בערך שווים בגודלם.
שני החלקים הללו הופכים לאיזוטופים רדיואקטיביים של יסודות מהחלק העיקרי של טבלת היסודות הכימיים. החל מנחושת עד לנטאנידים.
במהלך השחרור, בורחים כמה נויטרונים נוספים ויש עודף אנרגיה בצורה של קוונטות גמא, שהוא הרבה יותר גדול מאשר במהלך התפרקות רדיואקטיבית. אז, בפעולה אחת של דעיכה רדיואקטיבית, מופיעה קוונטת גמא אחת, ובמהלך פעולת הביקוע מופיעות 8, 10 קוונטות גמא. כמו כן, לשברים מפוזרים יש אנרגיה קינטית גדולה, שהופכת לאינדיקטורים תרמיים.
הנייטרונים המשוחררים מסוגלים לעורר הפרדה של זוג גרעינים דומים אם הם ממוקמים בקרבת מקום והנייטרונים פוגעים בהם.
זה מעלה את האפשרות של תגובת שרשרת מסועפת ומאיצה של פיצול גרעיני אטום ויצירת כמות גדולה של אנרגיה.
כאשר תגובת שרשרת כזו נמצאת בשליטה, ניתן להשתמש בה למטרות מסוימות. למשל, לחימום או לחשמל. תהליכים כאלה מבוצעים בתחנות כוח גרעיניות ובכורים.
אם תאבד שליטה על התגובה, יקרה פיצוץ אטומי. דומה משמש בנשק גרעיני.
בתנאים טבעיים, יש רק יסוד אחד - אורניום, שיש לו רק איזוטופ בקיע אחד עם המספר 235. הוא בדרגת נשק.
בכור אטומי אורניום רגיל מאורניום-238, בהשפעת נויטרונים, הם יוצרים איזוטופ חדש במספר 239, וממנו - פלוטוניום, שהוא מלאכותי ואינו מופיע באופן טבעי. במקרה זה, הפלוטוניום-239 שנוצר משמש למטרות נשק. תהליך ביקוע זה של גרעיני אטום הוא המהות של כל כלי הנשק והאנרגיה האטומיים.
תופעות כמו ריקבון אלפא וריקבון בטא, שנוסחתם נלמדת בבית הספר, נפוצות בתקופתנו. הודות לתגובות אלו, קיימות תחנות כוח גרעיניות ותעשיות רבות אחרות המבוססות על פיזיקה גרעינית. עם זאת, אל תשכח את הרדיואקטיביות של רבים מהיסודות הללו. כאשר עובדים איתם, נדרשות הגנה מיוחדת ועמידה בכל אמצעי הזהירות. אחרת, זה עלול להובילאסון בלתי הפיך.
