تشعشعات آلفا و بتا را عموماً واپاشی رادیواکتیو می نامند. این فرآیندی است که انتشار ذرات زیر اتمی از هسته است که با سرعت فوق العاده ای رخ می دهد. در نتیجه، یک اتم یا ایزوتوپ آن می تواند از یک عنصر شیمیایی به عنصر دیگر تغییر کند. فروپاشی آلفا و بتا هسته ها مشخصه عناصر ناپایدار است. اینها شامل همه اتمهای با عدد بار بیشتر از 83 و عدد جرمی بیشتر از 209 می شود.
شرایط واکنش
تجزیه، مانند دیگر تبدیلات رادیواکتیو، طبیعی و مصنوعی است. مورد دوم به دلیل ورود مقداری ذره خارجی به هسته رخ می دهد. اینکه یک اتم چقدر واپاشی آلفا و بتا می تواند متحمل شود فقط به این بستگی دارد که چقدر زود به حالت پایدار می رسد.
در شرایط طبیعی، پوسیدگی آلفا و بتا منهای رخ می دهد.
در شرایط مصنوعی، نوترون، پوزیترون، پروتون و انواع دیگر، نادرتر از واپاشی و تبدیل هسته ها وجود دارد.
این نام‌ها را ارنست رادرفورد، که در مورد تشعشعات رادیواکتیو مطالعه کرد، نامگذاری شد.
تفاوت بین پایدار و ناپایدارهسته
توانایی واپاشی مستقیماً به وضعیت اتم بستگی دارد. هسته موسوم به "پایدار" یا غیر رادیواکتیو مشخصه اتم های غیر واپاشی است. در تئوری، چنین عناصری را می توان به طور نامحدود مشاهده کرد تا در نهایت به پایداری آنها متقاعد شود. این برای جدا کردن چنین هسته هایی از هسته های ناپایدار که نیمه عمر بسیار طولانی دارند لازم است.
به اشتباه، چنین اتمی "آهسته" را می توان با یک اتم پایدار اشتباه گرفت. با این حال، تلوریم، و به طور خاص، ایزوتوپ شماره 128 آن، که نیمه عمر 2.2·1024 سال دارد، می تواند یک مثال قابل توجه باشد. این مورد مجزا نیست. نیمه عمر لانتانیم-138 1011 سال است. این دوره سی برابر سن جهان موجود است.
جوهر واپاشی رادیواکتیو
این فرآیند به صورت تصادفی اتفاق می افتد. هر رادیونوکلئید در حال پوسیدگی سرعتی به دست می آورد که برای هر مورد ثابت است. نرخ پوسیدگی تحت تأثیر عوامل خارجی نمی تواند تغییر کند. مهم نیست که واکنشی تحت تأثیر یک نیروی گرانشی عظیم، در صفر مطلق، در میدان الکتریکی و مغناطیسی، در طول هر واکنش شیمیایی و غیره رخ دهد. این فرآیند را می توان تنها با تأثیر مستقیم در داخل هسته اتم تحت تأثیر قرار داد، که عملاً غیرممکن است. واکنش خود به خود است و فقط به اتمی که در آن انجام می شود و وضعیت داخلی آن بستگی دارد.
وقتی به واپاشی های رادیواکتیو اشاره می شود، اغلب از اصطلاح "رادیونوکلئید" استفاده می شود. برای کسانی که نیستندبا آن آشنا هستید، باید بدانید که این کلمه به گروهی از اتم ها اشاره دارد که دارای خواص رادیواکتیو، عدد جرمی، عدد اتمی و وضعیت انرژی خود هستند.
رادیونوکلئیدهای مختلف در زمینه های فنی، علمی و سایر زمینه های زندگی انسان استفاده می شود. به عنوان مثال، در پزشکی، از این عناصر در تشخیص بیماری ها، پردازش داروها، ابزار و موارد دیگر استفاده می شود. حتی تعدادی از داروهای رادیویی درمانی و پیش آگهی وجود دارد.
تعریف ایزوتوپ از اهمیت کمتری برخوردار نیست. این کلمه به نوع خاصی از اتم ها اشاره دارد. آنها دارای عدد اتمی یکسانی با یک عنصر معمولی هستند، اما عدد جرمی متفاوتی دارند. این تفاوت ناشی از تعداد نوترون ها است که مانند پروتون ها و الکترون ها بر بار تأثیر نمی گذارند، اما جرم آنها را تغییر می دهند. به عنوان مثال، هیدروژن ساده دارای 3 مورد است. این تنها عنصری است که ایزوتوپ‌های آن به نام‌های دوتریوم، تریتیوم (تنها رادیواکتیو) و پروتیوم داده شده است. در موارد دیگر، نام ها بر اساس جرم اتمی و عنصر اصلی داده می شود.
واپاشی آلفا
این نوعی واکنش رادیواکتیو است. برای عناصر طبیعی از دوره ششم و هفتم جدول تناوبی عناصر شیمیایی معمول است. به خصوص برای عناصر مصنوعی یا ترانس اورانیوم.
عناصر در معرض فروپاشی آلفا
تعداد فلزاتی که با این فروپاشی مشخص می شوند عبارتند از توریم، اورانیوم و سایر عناصر دوره ششم و هفتم از جدول تناوبی عناصر شیمیایی، شمارش از بیسموت. این فرآیند همچنین تحت ایزوتوپ های سنگین قرار می گیردموارد.
در طول یک واکنش چه اتفاقی می افتد؟
هنگامی که واپاشی آلفا شروع می شود، گسیل از هسته ذراتی متشکل از 2 پروتون و یک جفت نوترون است. ذره ساطع شده خود هسته اتم هلیوم با جرم 4 واحد و بار 2 + است.
در نتیجه، یک عنصر جدید ظاهر می شود که در دو خانه در سمت چپ اصلی در جدول تناوبی قرار دارد. این ترتیب با این واقعیت تعیین می شود که اتم اصلی 2 پروتون و همراه با آن - بار اولیه را از دست داده است. در نتیجه، جرم ایزوتوپ حاصل نسبت به حالت اولیه 4 واحد جرم کاهش می یابد.
نمونه
در طول این فروپاشی، توریم از اورانیوم تشکیل می شود. از توریم رادیوم، از آن رادون می آید که در نهایت پولونیوم می دهد و در نهایت سرب. در این فرآیند، ایزوتوپ های این عناصر تشکیل می شود و نه خود آنها. بنابراین، معلوم می شود اورانیوم-238، توریم-234، رادیوم-230، رادون-236 و غیره تا ظاهر یک عنصر پایدار. فرمول چنین واکنشی به شرح زیر است:
Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218
سرعت ذره آلفای انتخاب شده در لحظه گسیل از 12 تا 20 هزار کیلومتر بر ثانیه است. با قرار گرفتن در خلاء، چنین ذره ای در عرض 2 ثانیه دور کره زمین می چرخد و در امتداد استوا حرکت می کند.
واپاشی بتا
تفاوت این ذره با الکترون در محل ظهور است. واپاشی بتا در هسته یک اتم رخ می دهد، نه در لایه الکترونی اطراف آن. رایج ترین تبدیلات رادیواکتیو موجود. تقریباً در همه موجودات فعلی قابل مشاهده استعناصر شیمیایی از این نتیجه می شود که هر عنصر حداقل یک ایزوتوپ در معرض واپاشی دارد. در بیشتر موارد، پوسیدگی بتا منجر به پوسیدگی بتا منهای می شود.
جریان واکنش
در این فرآیند، یک الکترون از هسته خارج می شود که به دلیل تبدیل خود به خود یک نوترون به یک الکترون و یک پروتون به وجود آمده است. در این حالت به دلیل جرم بیشتر پروتون ها در هسته باقی می مانند و الکترونی که ذره بتا منهای نامیده می شود از اتم خارج می شود. و از آنجایی که تعداد پروتون ها در هر واحد بیشتر است، هسته خود عنصر به سمت بالا تغییر می کند و در سمت راست عنصر اصلی در جدول تناوبی قرار دارد.
نمونه
تجزیه بتا با پتاسیم ۴۰ آن را به ایزوتوپ کلسیم تبدیل می کند که در سمت راست قرار دارد. کلسیم-47 رادیواکتیو تبدیل به اسکاندیم-47 می شود که می تواند به تیتانیوم-47 پایدار تبدیل شود. این واپاشی بتا چه شکلی است؟ فرمول:
Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47
سرعت یک ذره بتا 0.9 برابر سرعت نور است که 270000 کیلومتر در ثانیه است.
نوکلیدهای بتا فعال زیادی در طبیعت وجود ندارد. موارد قابل توجه بسیار کمی وجود دارد. به عنوان مثال پتاسیم-40 است که در یک مخلوط طبیعی تنها 119/10000 است. همچنین، از جمله رادیونوکلئیدهای فعال طبیعی بتا منهای طبیعی، محصولات تجزیه آلفا و بتا اورانیوم و توریم هستند.
واپاشی بتا یک مثال معمولی دارد: توریم-234 که در واپاشی آلفا تبدیل به پروتاکتینیم-234 می شود و سپس به همین ترتیب تبدیل به اورانیوم می شود اما ایزوتوپ دیگر آن شماره 234 است. این اورانیوم-234 دوباره به دلیل آلفا پوسیدگی می شودتوریم، اما در حال حاضر انواع متفاوتی از آن. سپس این توریم 230 به رادیوم 226 تبدیل می شود که به رادون تبدیل می شود. و در همان دنباله، تا تالیم، فقط با انتقال های مختلف بتا به عقب. این واپاشی بتا رادیواکتیو با تشکیل سرب-206 پایدار به پایان می رسد. این تبدیل فرمول زیر را دارد:
Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> -> At-2144 -> -> -> -> -> -> در -214 -214 -6423 -214 -214 - > Pb-206
رادیونوکلئیدهای بتا فعال طبیعی و قابل توجه K-40 و عناصری از تالیوم تا اورانیوم هستند.
واپاشی بتا پلاس
همچنین یک تبدیل بتا به علاوه وجود دارد. به آن واپاشی بتا پوزیترون نیز می گویند. ذره ای به نام پوزیترون را از هسته ساطع می کند. نتیجه تبدیل عنصر اصلی به عنصر سمت چپ است که عدد کمتری دارد.
مثال
وقتی واپاشی الکترون بتا رخ می دهد، منیزیم-23 به ایزوتوپ پایدار سدیم تبدیل می شود. یوروپیوم-150 رادیواکتیو به ساماریوم-150 تبدیل می شود.
واکنش فروپاشی بتا می تواند انتشارات بتا+ و بتا ایجاد کند. سرعت فرار ذرات در هر دو مورد 0.9 برابر سرعت نور است.
سایر واپاشی های رادیواکتیو
علاوه بر واکنش هایی مانند واپاشی آلفا و واپاشی بتا، که فرمول آن به طور گسترده ای شناخته شده است، فرآیندهای دیگری نیز وجود دارند که نادرتر و مشخصه تر رادیونوکلئیدهای مصنوعی هستند.
واپاشی نوترون. یک ذره خنثی 1 واحدی ساطع می شودتوده ها در طی آن، یک ایزوتوپ به ایزوتوپ دیگر با عدد جرمی کمتر تبدیل می شود. یک مثال می تواند تبدیل لیتیوم-9 به لیتیوم-8، هلیوم-5 به هلیوم-4 باشد.
وقتی ایزوتوپ پایدار ید-127 تحت تابش پرتوهای گاما قرار می گیرد، به ایزوتوپ شماره 126 تبدیل می شود و رادیواکتیویته پیدا می کند.
واپاشی پروتون. بسیار نادر است. در طی آن، یک پروتون با بار 1+ و 1 واحد جرم ساطع می شود. وزن اتمی یک مقدار کاهش می یابد.
هر تبدیل رادیواکتیو، به ویژه، واپاشی های رادیواکتیو، با آزاد شدن انرژی به شکل تابش گاما همراه است. آنها به آن اشعه گاما می گویند. در برخی موارد، اشعه ایکس با انرژی کمتر مشاهده می شود.
واپاشی گاما. این یک جریان از کوانتاهای گاما است. این تابش الکترومغناطیسی است، سخت تر از اشعه ایکس که در پزشکی استفاده می شود. در نتیجه کوانتوم های گاما ظاهر می شوند یا انرژی از هسته اتم جریان می یابد. پرتوهای ایکس نیز الکترومغناطیسی هستند، اما از لایه‌های الکترونی اتم منشا می‌گیرند.
ذرات آلفا اجرا می شوند
ذرات آلفا با جرم 4 واحد اتمی و بار 2+ در یک خط مستقیم حرکت می کنند. به همین دلیل، می توانیم در مورد محدوده ذرات آلفا صحبت کنیم.
مقدار دویدن به انرژی اولیه بستگی دارد و از 3 تا 7 (گاهی اوقات 13) سانتی متر در هوا متغیر است. در یک محیط متراکم، یک صدم میلی متر است. چنین تشعشعی نمی تواند به یک ورقه نفوذ کندکاغذ و پوست انسان.
به دلیل جرم و عدد بار خود، ذره آلفا بالاترین قدرت یونیزاسیون را دارد و هر چیزی را که در مسیر خود باشد از بین می برد. از این نظر، رادیونوکلئیدهای آلفا زمانی که در معرض بدن قرار می گیرند برای انسان و حیوانات خطرناک ترین هستند.
نفوذ ذرات بتا
به دلیل عدد جرمی کوچک که ۱۸۳۶ برابر کمتر از یک پروتون است، بار منفی و اندازه اشعه بتا بر ماده ای که از طریق آن پرواز می کند تأثیر ضعیفی دارد، اما علاوه بر این، پرواز طولانی تر است. همچنین مسیر ذره مستقیم نیست. در این راستا از قابلیت نفوذ که به انرژی دریافتی بستگی دارد صحبت می کنند.
قدرت نفوذ ذرات بتا تولید شده در هنگام واپاشی رادیواکتیو در هوا به 2.3 متر می رسد، در مایعات به سانتی متر و در جامدات به کسری از سانتی متر شمارش می شود. بافت های بدن انسان تشعشعات را به عمق 1.2 سانتی متر منتقل می کنند. برای محافظت در برابر تشعشعات بتا، یک لایه ساده آب تا 10 سانتی متر می تواند خدمت کند.جریان ذرات با انرژی واپاشی به اندازه کافی بالا 10 MeV تقریباً به طور کامل توسط چنین لایه هایی جذب می شود: هوا - 4 متر. آلومینیوم - 2.2 سانتی متر؛ آهن - 7.55 میلی متر؛ سرب - 5، 2 میلی متر.
با توجه به اندازه کوچکشان، ذرات تابش بتا در مقایسه با ذرات آلفا ظرفیت یونیزاسیون کمی دارند. با این حال، زمانی که بلعیده می‌شوند، بسیار خطرناک‌تر از مواجهه خارجی هستند.
نوترون و گاما در حال حاضر بالاترین عملکرد نافذ را در میان انواع پرتوها دارند. دامنه این تشعشعات در هوا گاهی به ده ها و صدها می رسدمتر، اما با عملکرد یونیزه کمتر.
انرژی بیشتر ایزوتوپ های پرتوهای گاما از 1.3 مگا ولت تجاوز نمی کند. به ندرت، مقادیر 6.7 مگا ولت به دست می آید. در این راستا برای محافظت در برابر این گونه تشعشعات از لایه های فولاد، بتن و سرب برای ضریب تضعیف استفاده می شود.
مثلاً برای تضعیف ده برابر تشعشعات گامای کبالت، حفاظ سرب با ضخامت حدود 5 سانتی متر، برای تضعیف 100 برابر، 9.5 سانتی متر مورد نیاز است، محافظ بتن 33 و 55 سانتی متر و آب 70 سانتی متر خواهد بود. و 115 سانتی متر.
عملکرد یونیزه نوترونها به عملکرد انرژی آنها بستگی دارد.
در هر شرایطی، بهترین راه برای محافظت در برابر تشعشعات این است که تا حد امکان از منبع دور بمانید و تا حد امکان زمان کمتری را در منطقه پرتابش سپری کنید.
شکافت هسته اتمی
در زیر شکافت هسته اتم ها به معنای تقسیم خود به خود یا تحت تأثیر نوترون ها، تقسیم هسته به دو قسمت تقریباً برابر است.
این دو بخش به ایزوتوپ های رادیواکتیو عناصر از قسمت اصلی جدول عناصر شیمیایی تبدیل می شوند. شروع از مس تا لانتانیدها.
در طول انتشار، چند نوترون اضافی فرار می کنند و انرژی اضافی به شکل کوانتای گاما وجود دارد که بسیار بیشتر از زمان واپاشی رادیواکتیو است. بنابراین، در یک عمل واپاشی رادیواکتیو، یک کوانتا گاما ظاهر می شود و در حین عمل شکافت، 8، 10 کوانتا گاما ظاهر می شود. همچنین، قطعات پراکنده دارای انرژی جنبشی زیادی هستند که به نشانگرهای حرارتی تبدیل می‌شوند.
نوترون های آزاد شده می توانند جداسازی یک جفت هسته مشابه را تحریک کنند اگر در نزدیکی آنها قرار گیرند و نوترون ها به آنها برخورد کنند.
این احتمال انشعاب، واکنش زنجیره ای تسریع کننده شکافتن هسته های اتمی و ایجاد مقدار زیادی انرژی را افزایش می دهد.
وقتی چنین واکنش زنجیره ای تحت کنترل باشد، می توان از آن برای اهداف خاصی استفاده کرد. مثلاً برای گرمایش یا برق. چنین فرآیندهایی در نیروگاه ها و راکتورهای هسته ای انجام می شود.
اگر کنترل واکنش را از دست بدهید، یک انفجار اتمی رخ می دهد. مشابه در سلاح های هسته ای استفاده می شود.
در شرایط طبیعی، تنها یک عنصر وجود دارد - اورانیوم، که تنها یک ایزوتوپ شکافت پذیر با شماره 235 دارد. این عنصر درجه سلاح است.
در یک راکتور اتمی اورانیوم معمولی از اورانیوم-238، تحت تأثیر نوترون ها، ایزوتوپ جدیدی به شماره 239 تشکیل می دهند و از آن - پلوتونیوم که مصنوعی است و به طور طبیعی وجود ندارد. در این مورد، پلوتونیوم 239 حاصل برای اهداف تسلیحاتی استفاده می شود. این فرآیند شکافت هسته‌های اتمی، جوهر تمام سلاح‌ها و انرژی اتمی است.
پدیده هایی مانند واپاشی آلفا و فروپاشی بتا که فرمول آن در مدرسه مورد مطالعه قرار می گیرد، در زمان ما بسیار گسترده است. به لطف این واکنش ها، نیروگاه های هسته ای و بسیاری از صنایع دیگر بر اساس فیزیک هسته ای وجود دارد. با این حال، رادیواکتیویته بسیاری از این عناصر را فراموش نکنید. هنگام کار با آنها، حفاظت ویژه و رعایت تمام اقدامات احتیاطی مورد نیاز است. در غیر این صورت، این ممکن است منجر شودفاجعه جبران ناپذیر.
