Radioaktivt henfald (fra latin radius "stråle" og āctīvus "effektiv", gennem fransk radioactif , lit. - "radioaktivitet") - en spontan ændring i sammensætningen ( ladning Z , massetal A ) eller den indre struktur af ustabile atomkerner vha. udsender elementarpartikler , gamma-kvanter og/eller nukleare fragmenter [1] . Processen med radioaktivt henfald kaldes også radioaktivitet , og de tilsvarende nuklider er radioaktive ( radionuklider ). Stoffer, der indeholder radioaktive kerner, kaldes også radioaktive.
Naturlig radioaktivitet er det spontane henfald af atomkerner, der findes i naturen.
Kunstig radioaktivitet er det spontane henfald af atomkerner opnået kunstigt gennem de tilsvarende nukleare reaktioner .
Kernen, der gennemgår radioaktivt henfald, og kernen, der er et resultat af dette henfald, kaldes henholdsvis forældre- og datterkerner. Ændringen i datterkernens massetal og ladning i forhold til forælderen er beskrevet af Soddy-forskydningsreglen .
Henfald ledsaget af emission af alfapartikler blev kaldt alfa-henfald ; henfald ledsaget af emission af beta-partikler er blevet kaldt beta-henfald (det er nu kendt, at der findes typer beta-henfald uden emission af beta-partikler, dog ledsages beta-henfald altid af emission af neutrinoer eller antineutrinoer). Udtrykket "gamma henfald" bruges sjældent; emissionen af gammastråler fra kernen kaldes normalt en isomer overgang . Gammastråling ledsager ofte andre former for henfald, når der som følge af det første forfaldsstadium opstår en exciteret datterkerne, der derefter gennemgår en overgang til grundtilstanden med emission af gammastråler.
Energispektrene for α-partikler og γ-kvanter udsendt af radioaktive kerner er diskontinuerlige ("diskrete"), mens spektret af β-partikler er kontinuert.
På nuværende tidspunkt er der ud over alfa-, beta- og gamma-henfald blevet opdaget henfald med emission af en neutron , en proton (såvel som to protoner ), klyngeradioaktivitet og spontan fission . Elektronindfangning , positron-henfald (eller β + henfald) og dobbelt beta-henfald (og dens slags) anses generelt for at være forskellige typer beta-henfald.
Nogle isotoper kan gennemgå to eller flere henfald på samme tid. For eksempel henfalder bismuth-212 med 64 % sandsynlighed til thallium-208 (via alfa-henfald) og med 36 % sandsynlighed til polonium-212 (via beta-henfald).
Datterkernen, der er dannet som følge af radioaktivt henfald, viser sig nogle gange også at være radioaktiv og henfalder efter et stykke tid også. Processen med radioaktivt henfald vil fortsætte, indtil en stabil, det vil sige ikke-radioaktiv, kerne vises. Sekvensen af sådanne henfald kaldes en henfaldskæde, og sekvensen af nuklider, der opstår i dette tilfælde, kaldes en radioaktiv serie . Især for radioaktive serier, der begynder med uranium-238 , uranium-235 og thorium-232 , er de endelige (stabile) nuklider henholdsvis bly-206 , bly-207 og bly-208 .
Kerner med samme massetal A (isobarer) kan passere ind i hinanden gennem beta-henfald. Hver isobarisk kæde indeholder fra 1 til 3 beta-stabile nuklider (de kan ikke gennemgå beta-henfald, men er ikke nødvendigvis stabile med hensyn til andre typer radioaktivt henfald). De resterende kerner i den isobariske kæde er beta-ustabile; ved successive beta-minus- eller beta-plus-henfald bliver de til det nærmeste beta-stabile nuklid. Kerner placeret i den isobariske kæde mellem to beta-stabile nuklider kan opleve både β − - og β + henfald (eller elektronindfangning). For eksempel er det naturligt forekommende radionuklid kalium-40 i stand til at henfalde til nabobeta-stabile kerner argon-40 og calcium-40:
Det er eksperimentelt blevet fastslået, at alle kemiske grundstoffer med et atomnummer større end 82 er radioaktive , det vil sige, at de ikke har stabile isotoper (det vil sige begyndende med bismuth ).
Alle lettere grundstoffer, udover stabile isotoper, har radioaktive isotoper med forskellige halveringstider, lige fra brøkdele af et nanosekund til værdier, der er mange størrelsesordener større end universets alder . For eksempel har tellur-128 den længste målte halveringstid af alle undersøgte radionuklider, ~2,2·10 24 år.
En undtagelse med hensyn til ustabilitet fra grundstoffer lettere end bismuth er promethium og technetium , som ikke har langlivede isotoper i forhold til varigheden af geologiske epoker. Den længstlevende technetiumisotop, technetium-98, har en halveringstid på omkring 4,2 millioner år, mens den længstlevende promethiumisotop, promethium-145, har en halveringstid på 17,5 år. Derfor er isotoperne af technetium og promethium ikke blevet bevaret i jordskorpen siden dannelsen af Jorden og blev opnået kunstigt.
Der er mange naturligt forekommende radioaktive isotoper, som har en halveringstid sammenlignelig med eller mange gange større end Jordens alder, så på trods af deres radioaktivitet findes disse isotoper i den naturlige isotopblanding af de tilsvarende grundstoffer. Eksempler er kalium-40 , rhenium -187, rubidium -87, tellur-128 og mange andre.
Måling af forholdet mellem koncentrationer af nogle af de langlivede isotoper og deres henfaldsprodukter tillader absolut datering af mineraler, sten og meteoritter i geologi.
Radioaktivitet blev opdaget i 1896 af den franske fysiker A. Becquerel . Han var engageret i forskning i forbindelsen mellem luminescens og de nyligt opdagede røntgenstråler .
Becquerel kom med tanken: "Er nogen luminescens ikke ledsaget af røntgenstråler?" For at teste sit gæt tog han flere forbindelser, herunder et af uransaltene , som fosforescerende gul-grønt lys. Efter at have oplyst det med sollys, pakkede han saltet ind i sort papir og anbragte det i et mørkt skab på en fotografisk plade, også pakket ind i sort papir. Nogen tid senere, efter at have vist pladen, så Becquerel virkelig billedet af et stykke salt. Men selvlysende stråling kunne ikke passere gennem det sorte papir, og kun røntgenstråler kunne belyse pladen under disse forhold. Becquerel gentog eksperimentet flere gange med lige stor succes.
Den 24. februar 1896 lavede han på et møde i det franske videnskabsakademi en rapport "Om strålingen frembragt af fosforescens ". Men efter et par dage skulle der justeres på fortolkningen af resultaterne. Den 26. og 27. februar blev endnu et forsøg forberedt i Becquerels laboratorium med mindre ændringer, men på grund af overskyet vejr blev det udskudt. Uden at vente på godt vejr udviklede Becquerel den 1. marts en plade, hvorpå der lå uransalt, som ikke blev bestrålet af sollys. Hun phosphorescerede selvfølgelig ikke, men aftrykket på pladen viste sig. Allerede den 2. marts rapporterede Becquerel om denne opdagelse på et møde i Paris Academy of Sciences, med titlen hans arbejde "Om den usynlige stråling produceret af fosforescerende legemer" [2] .
Efterfølgende testede Becquerel andre forbindelser og mineraler af uran (inklusive dem, der ikke udviser phosphorescens), samt metallisk uran. Tallerkenen var konstant tændt. Ved at placere et metalkryds mellem saltet og pladen fik Becquerel de svage konturer af korset på pladen. Så blev det klart, at der blev opdaget nye stråler, der passerer gennem uigennemsigtige genstande, men som ikke er røntgenstråler.
Becquerel konstaterede, at strålingsintensiteten kun bestemmes af mængden af uran i præparatet og slet ikke afhænger af, hvilke forbindelser det er inkluderet i. Således var denne egenskab ikke iboende i forbindelser, men i det kemiske element - uran.
Becquerel deler sin opdagelse med de videnskabsmænd, som han samarbejdede med. I 1898 opdagede Marie Curie og Pierre Curie thoriums radioaktivitet , senere opdagede de de radioaktive grundstoffer polonium og radium .
De fandt ud af, at alle uranforbindelser og i videst udstrækning uran i sig selv har egenskaben af naturlig radioaktivitet. Becquerel vendte tilbage til de luminophorer, der interesserede ham. Sandt nok gjorde han en anden stor opdagelse relateret til radioaktivitet. Engang, til et offentligt foredrag, havde Becquerel brug for et radioaktivt stof, han tog det fra Curies og puttede reagensglasset i sin vestlomme. Efter at have holdt et foredrag returnerede han det radioaktive præparat til ejerne, og dagen efter fandt han rødme af huden i form af et reagensglas på kroppen under vestlommen. Becquerel fortalte Pierre Curie om dette, og han lavede et eksperiment: I ti timer bar han et reagensglas med radium bundet til sin underarm. Få dage senere fik han også rødme, som så blev til et alvorligt sår, som han led af i to måneder. Således blev den biologiske effekt af radioaktivitet opdaget for første gang.
Men selv efter det gjorde Curies modigt deres arbejde. Det er tilstrækkeligt at sige, at Marie Curie døde af komplikationer, herunder langvarigt arbejde med radium, i 1934.
I 1955 blev Marie Curies notesbøger undersøgt. De stråler stadig på grund af den radioaktive forurening, der blev introduceret, da de blev fyldt. På et af arkene var et radioaktivt fingeraftryk af Pierre Curie bevaret.
Loven om radioaktivt henfald er en lov opdaget eksperimentelt af Frederick Soddy og Ernest Rutherford og formuleret i 1903 . Den moderne ordlyd af loven:
hvilket betyder, at antallet af henfald i et tidsinterval t i et vilkårligt stof er proportionalt med antallet af N af radioaktive atomer af en given type, der er til stede i prøven.
Løsningen af denne differentialligning med startbetingelsen ved
hvor er den gennemsnitlige levetid for et radioaktivt atom.I dette matematiske udtryk er λ henfaldskonstanten, som karakteriserer sandsynligheden for radioaktivt henfald pr. tidsenhed og har dimensionen c −1 . Minustegnet indikerer et fald i antallet af radioaktive kerner med tiden. Loven udtrykker uafhængigheden af henfald af radioaktive kerner fra hinanden og fra tid: sandsynligheden for henfald af en given kerne i hver efterfølgende tidsenhed afhænger ikke af den tid, der er forløbet siden begyndelsen af eksperimentet, og på antallet af tilbageværende kerner i prøven.
Denne lov betragtes som den grundlæggende lov om radioaktivitet, der er blevet udvundet adskillige vigtige konsekvenser fra den, blandt andet formuleringerne af henfaldskarakteristika - den gennemsnitlige levetid for et atom og halveringstiden [3] [4] [5] [6 ] ] .
En radioaktiv kernes henfaldskonstant afhænger i de fleste tilfælde praktisk talt ikke af de omgivende forhold (temperatur, tryk, stoffets kemiske sammensætning osv.). For eksempel henfalder fast tritium T 2 ved en temperatur på flere kelvin med samme hastighed som gasformigt tritium ved stuetemperatur eller ved en temperatur på tusindvis af kelvin; tritium i sammensætningen af T 2 molekylet nedbrydes med samme hastighed som i sammensætningen for eksempel af aminosyren valin med hydrogenatomer erstattet af tritiumatomer.
Svage ændringer i henfaldskonstanten under laboratorieforhold blev kun fundet for elektronindfangning - temperaturer og tryk tilgængelige i laboratoriet, samt en ændring i den kemiske sammensætning, kan i nogen grad ændre tætheden af elektronskyen i miljøet af kernen, hvilket fører til en ændring i henfaldshastigheden med brøkdele af en procent. Men under ret barske forhold (høj ionisering af atomet, høj elektrontæthed, højt kemisk potentiale af neutrinoer, stærke magnetfelter), som er vanskelige at opnå i laboratoriet, men realiseres f.eks. i stjernernes kerne, andre typer henfald kan også ændre deres sandsynlighed.
Konstansen af den radioaktive henfaldskonstant gør det muligt at måle alderen på forskellige naturlige og kunstige genstande baseret på resultaterne af måling af koncentrationen af deres radioaktive kerner og koncentrationen af akkumulerede henfaldsprodukter. Der er udviklet en række radioisotopdateringsmetoder , der måler alderen på objekter fra enheder til milliarder af år; blandt dem er de mest berømte radiocarbon-metoden , uran-bly-metoden , uran-helium-metoden, kalium-argon-metoden osv.
E. Rutherford etablerede eksperimentelt ( 1899 ), at uransalte udsender tre typer stråler, som afbøjes forskelligt i et magnetfelt :
Selvom andre typer partikler, der udsendes under radioaktivt henfald, blev opdaget i løbet af forskningen, har de nævnte navne overlevet indtil i dag, da de tilsvarende typer henfald er de mest almindelige.
Når den henfaldende kerne interagerer med elektronskallen, er det muligt at udsende partikler (røntgenfotoner, Auger-elektroner, konverteringselektroner) fra elektronskallen . De første to typer stråling opstår, når der opstår en ledig plads i elektronskallen (især under elektronindfangning og under en isomer overgang med emission af en konverteringselektron) og den efterfølgende kaskadeudfyldning af denne ledighed. En konverteringselektron udsendes under en isomer overgang med intern omdannelse, når den energi, der frigives under overgangen mellem nukleare niveauer, ikke føres væk af et gammakvante, men overføres til en af skalelektronerne.
Under spontan fission henfalder kernen til to (sjældent tre) relativt lette kerner - de såkaldte fissionsfragmenter - og flere neutroner. Under cluster-henfald (som er en mellemproces mellem fission og alfa-henfald) udsendes en relativt let kerne ( 14 C, 16 O osv.) fra en tung moderkerne.
Under proton (to-proton) og neutron henfald udsender kernen henholdsvis protoner og neutroner.
Ved alle typer beta-henfald (bortset fra de forudsagte, men endnu ikke opdagede neutrinoløse ), udsendes en neutrino eller antineutrino af kernen.
Alle former for henfald kan opdeles i tre grupper:
Forfaldsnavn | Beskrivelse | barnekerne | Udledning | |
---|---|---|---|---|
Nukleon emission | ||||
Alfa henfald | α | En α-partikel er adskilt fra kernen - kernen i helium-4 atomet. | (A-4, Z-2) | ⁴ Han |
Protonemission | s | 1-2 nukleoner adskilles. Det er typisk for lette kerner med et stort overskud af protoner eller neutroner. | (A-1, Z-1) | s |
Dobbelt protonhenfald | 2 p | (A-2, Z-2) | 2 p | |
neutronemission | n | (A-1, Z) | n | |
Dobbelt neutronhenfald | 2n | (A-4, Z) | 2n | |
klynge henfald | KL | En klynge adskiller sig - kernen er tungere end ⁴Han, men meget lettere end datterkernen. | (A-Aₓ, Z-Zₓ) | (Aₓ, Zₓ) |
Spontan opdeling | SF | Kernen er groft delt i to. Typisk for tunge kerner (transuranium) | 2(~A/2, ~Z/2) | 2-5n |
Forskellige β-henfald | ||||
Beta minus henfald | β⁻ | Neutronen henfalder på grund af den svage interaktion med emissionen af en elektron: | (A, Z+1) | e⁻;ν |
Beta plus henfald (positronemission) | β⁺ | Omvendt proces. En proton henfalder til en neutron: | (A, Z-1) | e⁺;ν |
Elektronisk optagelse | ε | En elektron fanges fra et atoms elektronskal: | (A, Z-1) | v |
Beta-minus henfald med overgang til elektronskallen | Nogle gange har elektronen ikke nok energi til at forlade atomet, og den passerer ind i atomets elektronskal. | |||
Dobbelt beta minus henfald | 2β⁻ | To neutronhenfald forekommer samtidigt. | (A, Z+2) | 2e⁻;2v |
Dobbelt beta plus henfald | 2β⁺ | Der er to henfald af en proton på samme tid. Hvert henfald kan enten være positronemission eller elektronindfangning. | (A, Z-2) | 2e+;2ν |
Dobbelt elektronisk greb | 2ε | (A, Z-2) | 2v | |
Elektronisk indfangning med positronemission | εβ⁺ | (A, Z-2) | e⁺;2ν | |
Neutrinoløst dobbelt beta-henfald | 0ν2β | Et påstået henfald, hvor to neutrinopartikler reagerer med selvdestruktion. | (A, Z+2) | 2e⁻ |
Isomer overgang | ||||
Gamma henfald | γ | Kernen går fra den exciterede tilstand til grundtilstanden. | (A, Z) | γ |
intern konvertering | IC | Det udsendte γ-kvante absorberes af elektronen fra e-mailen. atomets skaller. Den bevæger sig enten til et nyt niveau eller bliver fri ( konverteringselektron ) | (A, Z) | e⁻ |
Alfa-henfald er det spontane henfald af en atomkerne til en datterkerne og en α-partikel (kernen af et atom 4 He ).
Alfa-henfald forekommer typisk i tunge kerner med et massetal A ≥ 140 (selvom der er nogle få undtagelser). Inde i tunge kerner dannes der på grund af egenskaben til mætning af kernekræfter separate α-partikler , der består af to protoner og to neutroner. Den resulterende α-partikel er udsat for en større virkning af Coulomb frastødende kræfter fra kernens protoner end individuelle protoner. Samtidig oplever α-partiklen mindre nuklear tiltrækning til kernens nukleoner end resten af nukleonerne. Den resulterende alfapartikel ved grænsen af kernen reflekteres fra den potentielle barriere indad, men med en vis sandsynlighed kan den overvinde den (se tunneleffekt ) og flyve ud. Efterhånden som alfapartiklernes energi falder, falder permeabiliteten af den potentielle barriere meget hurtigt (eksponentielt), så levetiden for kerner med en lavere tilgængelig energi af alfa-henfald, alt andet lige, er længere.
Soddy's shift-regel for α-henfald:
Eksempel (alfa-henfald af uranium-238 til thorium-234):
Som et resultat af α-henfald forskydes atomet med 2 celler til begyndelsen af det periodiske system (det vil sige, kerneladningen Z falder med 2), datterkernens massetal falder med 4.
Becquerel beviste, at β-stråler er en strøm af elektroner . Beta-henfald er en manifestation af den svage kraft .
Beta henfald (mere præcist, beta minus henfald, β - henfald) er et radioaktivt henfald, ledsaget af emission af en elektron og en elektron antineutrino fra kernen .
Beta-henfald er en intranukleon proces. Beta-minus henfald opstår på grund af omdannelsen af en af d -kvarkerne i en af neutronerne i kernen til en u -kvark ; i dette tilfælde omdannes neutronen til en proton med emission af en elektron og en antineutrino:
Frie neutroner oplever også β − henfald og bliver til en proton, en elektron og en antineutrino (se neutron beta henfald ).
Soddys skiftregel for β − henfald:
Eksempel (beta-henfald af tritium til helium-3 ):
Efter β − -henfald forskydes grundstoffet med 1 celle til slutningen af det periodiske system (kerneladningen øges med én), mens kernens massetal ikke ændres.
Der er også andre typer beta-henfald. Ved positronhenfald (beta plus henfald) udsender kernen en positron og en elektronneutrino . Under β + henfald falder kerneladningen med én (kernen flytter en celle til begyndelsen af det periodiske system), det vil sige, at en af kernens protoner bliver til en neutron, der udsender en positron og en neutrino (ved kvarkniveau, kan denne proces beskrives som omdannelsen af en af u -kvarkerne i en af kernens protoner til en d -kvark ; det skal bemærkes, at en fri proton ikke kan henfalde til en neutron, dette er forbudt loven om bevarelse af energi, fordi en neutron er tungere end en proton; i kernen er en sådan proces dog mulig, hvis masseforskellen mellem forældre- og datteratomet er positiv). Positron-henfald er altid ledsaget af en konkurrerende proces, elektronindfangning ; i denne proces fanger kernen en elektron fra atomskallen og udsender en neutrino, mens ladningen af kernen også falder med én. Det omvendte er dog ikke sandt: For mange nuklider, der oplever elektronindfangning (ε-fangning), er positronhenfald forbudt af loven om bevarelse af energi . Afhængigt af hvilken af atomets elektronskaller (K, L, M, ...) en elektron fanges under ε-fangst, betegnes processen som K-fangst, L-fangst, M-fangst, ... ; alle konkurrerer normalt i nærværelse af passende skaller og tilstrækkelig henfaldsenergi, men K-fangst er mest sandsynligt, eftersom koncentrationen af elektroner i K-skallen nær kernen er højere end i fjernere skaller. Efter indfangningen af en elektron udfyldes den resulterende tomhed i elektronskallen ved overførsel af en elektron fra en højere skal, denne proces kan være en kaskadeproces (efter overgangen forsvinder tomrummet ikke, men skifter til en højere shell), og energien bliver båret væk af røntgenfotoner og/eller Auger-elektroner fra diskret energispektrum.
Soddy's shift-regel for β + henfald og elektronfangst:
Eksempel (ε-opfangning af beryllium - 7 i lithium-7 ):
Efter positronhenfald og ε-fangning forskydes grundstoffet med 1 celle til begyndelsen af det periodiske system (kerneladningen falder med én), mens kernens massetal ikke ændres.
Den sjældneste af alle kendte typer af radioaktivt henfald er dobbelt beta-henfald , det er til dato blevet opdaget for kun elleve nuklider, og halveringstiden for nogen af dem overstiger 10 19 år . Dobbelt beta-henfald, afhængigt af nuklidet, kan forekomme:
Neutrinoløst dobbelt beta-henfald er blevet forudsagt, men endnu ikke opdaget.
Alle typer beta-henfald bevarer kernens massenummer , da det samlede antal nukleoner i kernen i ethvert beta-henfald ikke ændres, kun en eller to neutroner bliver til protoner (eller omvendt).
Næsten alle kerner har, udover grundkvantetilstanden, et diskret sæt af exciterede tilstande med højere energi (undtagelser er kernerne 1 H , 2 H , 3 H og 3 He ). Ophidsede tilstande kan befolkes under nukleare reaktioner eller radioaktivt henfald af andre kerner. De fleste exciterede tilstande har meget korte levetider (mindre end et nanosekund). Der er dog også tilstrækkeligt langlivede tilstande (hvis levetid måles i mikrosekunder, dage eller år), som kaldes isomere, selvom grænsen mellem dem og kortlivede tilstande er meget vilkårlig. De isomere tilstande af kerner henfalder som regel til grundtilstanden (nogle gange gennem flere mellemtilstande). I dette tilfælde udsendes en eller flere gamma-kvanter; excitationen af kernen kan også fjernes ved udsendelse af konverteringselektroner fra atomskallen. Isomere tilstande kan også henfalde gennem de sædvanlige beta- og alfa-henfald.
Ordbøger og encyklopædier |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Partikelklassifikationer | |
---|---|
Hastighed i forhold til lysets hastighed |
|
Ved tilstedeværelsen af intern struktur og adskillelighed | |
Fermioner ved tilstedeværelsen af en antipartikel | |
Dannes under radioaktivt henfald | |
Kandidater til rollen som mørkt stof partikler | |
I den inflationære model af universet | |
Ved tilstedeværelsen af en elektrisk ladning | |
I teorier om spontan symmetribrud |
|
Efter levetid | |
Andre klasser |