Free Press

A magbomlás elképesztő ablakot nyitott a nagyon kicsi birodalmába. A magbomlás először mutatta meg a tömeg és az energia közötti kapcsolatot, és felfedte a természet négy alapvető erejéből kettő létezését. Ebben a fejezetben a nukleáris bomlás főbb módozatait tárjuk fel; és akárcsak azok, akik először fedezték fel őket, korábban ismeretlen részecskékre és megmaradási törvényekre vonatkozó bizonyítékokat fogunk felfedezni.

Egyes nuklidok stabilak, látszólag örökké élnek. A nem stabil nuklidok bomlanak (azaz radioaktívak), és végül sok bomlás után egy stabil nuklidot hoznak létre. Az eredeti nuklidot nevezzük szülőnek, bomlástermékeit pedig leányoknak. Egyes radioaktív nuklidok egyetlen lépésben bomlanak stabil atommaggá. Például a 60Co instabil, és közvetlenül 60Ni-re bomlik, amely stabil. Mások, mint például a 238U, egy másik instabil nuklidra bomlanak, ami egy bomlási sorozatot eredményez, amelyben minden következő nuklid addig bomlik, amíg végül egy stabil nuklid keletkezik.

A 238U-val kezdődő bomlási sorozat különösen érdekes, mivel ebből keletkeznek a 226Ra és 210Po radioaktív izotópok, amelyeket Curie-ék fedeztek fel először (lásd az 1. ábrát). Radongáz is keletkezik (a sorozatban a 222Rn), amely egyre inkább felismert természetes veszélyforrás. Mivel a radon nemesgáz, olyan anyagokból, például a talajból, amelyek akár nyomokban is tartalmaznak 238U-t, kilép, és belélegezhető. A radon és leányvállalatainak bomlása belső károsodást okoz. A 238U bomlási sora a 206Pb-vel, az ólom stabil izotópjával végződik.

Megjegyezzük, hogy az 1. ábrán látható α-bomlás leányai mindig két protonnal és két neutronnal kevesebbet tartalmaznak, mint a szülő. Ez ésszerűnek tűnik, mivel tudjuk, hogy az α-bomlás egy 4He atommag kibocsátása, amelynek két protonja és két neutronja van. A β-bomlás leányai eggyel kevesebb neutronnal és eggyel több protonnal rendelkeznek, mint a szülő. A béta-bomlás egy kicsit finomabb, amint azt látni fogjuk. Az ábrán nem szerepelnek γ-bomlások, mert ezek nem hoznak létre a szülőtől eltérő leányt.

Alfa-bomlás

Az alfa-bomlásban a 4He atommag egyszerűen elszakad a szülő atommagtól, és egy olyan leányt hagy maga után, amelynek két protonjával és két neutronjával kevesebb van, mint a szülőnek (lásd a 2. ábrát). Az α-bomlás egyik példája a 238U esetében az 1. ábrán látható. Egy másik, α-bomláson áteső nuklid a 239Pu. E két nuklid bomlási egyenletei a következők

^{238}\text{U}\rightarrow{^{234}}\text{Th}_{92}^{234}+{^4}\text{He}\\\

.

és

^{238}\text{Pu}\rightarrow{^{235}}\text{U}+{^4}\text{He}\\\

Ha megvizsgáljuk az elemek periódusos rendszerét, azt találjuk, hogy a Th Z=90, kettővel kevesebb, mint az U, amelynek Z=92. Hasonlóképpen, a második bomlási egyenletben azt látjuk, hogy az U-nak két protonnal kevesebb van, mint a Pu-nak, amelynek Z=94. Az α-bomlás általános szabálya a legjobban a _Z^A\text{X}_N\\\ formátumban írható le. Ha egy adott nuklidról ismert, hogy α-bomlik (általában ezt az információt az izotópok táblázatában kell keresni, mint például a B. függelékben), az α-bomlás egyenlete

_Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\left(\alpha\text{ bomlás}\right)\\

ahol Y az a nuklid, amelynek két protonjával kevesebb van, mint X, például Th-nak kettővel kevesebb, mint U-nak. Ha tehát azt mondanák neked, hogy a 239Pu α bomlik, és arra kérnének, hogy írd fel a teljes bomlási egyenletet, akkor először megnéznéd, hogy melyik elemnek van két protonjával kevesebb (kettővel alacsonyabb atomi számmal), és azt találnád, hogy ez az urán. Ezután, mivel az eredeti 239-ről négy nukleon szakadt le, az atomtömege 235 lenne.

Az α-bomlással kapcsolatos megőrzési törvényeket tanulságos megvizsgálni. A _Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\\ egyenletből láthatjuk, hogy a teljes töltés megmarad. A lineáris és a szögimpulzus is megmarad. Bár a szögimpulzus megőrzésének nincs nagy jelentősége az ilyen típusú bomlásban, a lineáris impulzus megőrzése érdekes következményekkel jár. Ha az atommag nyugalomban van a bomláskor, akkor az impulzusmomentuma nulla. Ebben az esetben a darabkáknak azonos nagyságú impulzusokkal kell ellentétes irányba repülniük, hogy a teljes impulzusmomentum nulla maradjon. Ez azt eredményezi, hogy az α-részecske elviszi magával az energia nagy részét, ahogyan egy nehéz puskából kilőtt golyó elviszi a kilövéséhez elégetett lőpor energiájának nagy részét. A teljes tömeg-energia szintén megmarad: a bomlás során keletkező energia az eredeti tömeg egy részének átalakulásából származik. Az Atomfizikában tárgyaltak szerint az általános összefüggés: E = (∆m)c2.

Itt E a magreakció energiája (a reakció lehet magbomlás vagy bármilyen más reakció), Δm pedig a kezdeti és a végtermék közötti tömegkülönbség. Ha a végtermékek össztömege kisebb, Δm pozitív, és a reakció energiát szabadít fel (exoterm). Ha a termékek össztömege nagyobb, a reakció endoterm (Δm negatív), és energiabevitellel kell előidézni. Ahhoz, hogy az α-bomlás spontán legyen, a bomlástermékeknek kisebb tömegűnek kell lenniük, mint a kiindulási terméknek.

Béta-bomlás

A béta-bomlásnak valójában három típusa van. Az első felfedezett a “közönséges” béta-bomlás, és β-bomlásnak vagy elektronemissziónak nevezik. A β- jel a nukleáris béta-bomlás során kibocsátott elektront jelöli. A kobalt-60 olyan nuklid, amely β- bomlik a következő módon: 60Co → 60Ni + β-+ neutrínó.

A neutrínó a béta-bomlás során kibocsátott, nem várt, alapvető jelentőségű részecske. A neutrínót még elméletben sem javasolták, csak több mint 20 évvel azután, hogy a béta-bomlásról ismert volt, hogy elektronkibocsátással jár. A neutrínókat olyan nehéz kimutatni, hogy az első közvetlen bizonyítékot csak 1953-ban kapták róluk. A neutrínók csaknem tömeg nélküliek, nincs töltésük, és nem lépnek kölcsönhatásba a nukleonokkal az erős magerőn keresztül. Mivel megközelítőleg fénysebességgel haladnak, kevés idejük van arra, hogy hatással legyenek bármelyik atommagra, amellyel találkoznak. Ez annak köszönhetően, hogy nincs töltésük (és nem EM-hullámok), nem lépnek kölcsönhatásba az EM-erőn keresztül. A viszonylag gyenge és nagyon rövid hatótávolságú gyenge magerőn keresztül lépnek kölcsönhatásba. Következésképpen a neutrínók szinte minden detektort elkerülnek, és szinte minden árnyékolást áthatolnak. A neutrínók azonban energiát, szögimpulzust (félintegrális spinű fermionok) és lineáris impulzust visznek el a béta-bomlásból. Amikor pontos méréseket végeztek a béta-bomlásról, nyilvánvalóvá vált, hogy az energiát, a szögimpulzust és a lineáris impulzust nem csak a leánymag és az elektron adja meg. Vagy egy korábban gyanútlan részecske vitte el őket, vagy három megőrzési törvényt sértettek meg. Wolfgang Pauli 1930-ban tett hivatalos javaslatot a neutrínók létezésére. Az olasz származású amerikai fizikus, Enrico Fermi (1901-1954) adta a neutrínóknak a nevüket, ami kis semlegeseket jelent, amikor kidolgozta a béta-bomlás kifinomult elméletét (lásd a 3. ábrát). Fermi elméletének része volt a gyenge magerő azonosítása, amely különbözik az erős magerőtől, és valójában felelős a béta-bomlásért.

A neutrínó egy új természetvédelmi törvényt is feltár. Különböző részecskecsaládok léteznek, amelyek közül az egyik az elektroncsalád. Azt javasoljuk, hogy az elektroncsalád tagjainak száma bármely folyamatban vagy bármely zárt rendszerben állandó. A béta-bomlásra vonatkozó példánkban a bomlás előtt nincsenek jelen az elektroncsalád tagjai, de utána van egy elektron és egy neutrínó. Tehát az elektronok száma az elektroncsaládban +1. A β-bomlásban a neutrínó az elektron antineutrínója, amelyet a \bar{\nu}_e\\\ jelképez, ahol ν a görög nu betű, az e index pedig azt jelenti, hogy ez a neutrínó az elektronhoz kapcsolódik. A sáv azt jelzi, hogy ez az antianyag részecskéje. (Minden részecskének van antianyag megfelelője, amelyek közel azonosak, kivéve, hogy ellentétes töltéssel rendelkeznek. Az antianyag a Földön szinte teljesen hiányzik, de megtalálható a magbomlásban és más nukleáris és részecske reakciókban, valamint a világűrben). Az elektron antineutrínója \bar{\nu}_e\\\\, mivel antianyag, elektroncsaládszáma -1. A bomlás előtt és után összesen nulla. Az új, minden körülmények között betartott megőrzési törvény szerint az összes elektroncsaládszám állandó. Egy elektron nem hozható létre anélkül, hogy egy antianyag családtag is létre ne jönne. Ez a törvény analóg a töltés megmaradásával egy olyan helyzetben, amikor az összes töltés eredetileg nulla, és a reakcióban azonos mennyiségű pozitív és negatív töltést kell létrehozni ahhoz, hogy az összes töltés nulla maradjon.

Ha egy nuklid _Z^A\text{X}_N\\\ ismert, hogy β-bomlik, akkor a β-bomlás egyenlete

\text{X}_N\rightarrow\text{Y}_{N-1}+\beta^{-}+\bar{\nu}_e\\\\ (β-bomlás),

ahol Y az X-nél eggyel több protonnal rendelkező nuklid (lásd a 4. ábrát). Ha tehát tudjuk, hogy egy bizonyos nuklid β- bomlik, akkor úgy találhatjuk meg a leánymagot, hogy először megkeressük a Z-t a szülőnél, majd meghatározzuk, hogy melyik elemnek van Z + 1 atomszáma. Az előbb említett 60Co β- bomlásának példájánál azt látjuk, hogy a Co esetében Z = 27, a Ni esetében pedig Z = 28. Ez olyan, mintha a szülőmagban lévő egyik neutron protonra, elektronra és neutrínóra bomlana. Valójában az atommagokon kívüli neutronok pontosan ezt teszik – átlagosan csak néhány percig élnek, és β- bomlanak a következő módon:

\text{n}\rightarrow\text{p}+\béta^{-}+\bar{\nu}_e\\\

Láthatjuk, hogy a töltés a β- bomlás során megmarad, mivel a teljes töltés Z a bomlás előtt és után. Például a 60Co bomlásban a teljes töltés 27 a bomlás előtt, mivel a kobalt Z = 27. A bomlás után a leánymag a Ni, amelynek Z = 28, és van egy elektron, így az össztöltés szintén 28 + (-1) vagy 27. A szögimpulzus megmarad, de nem nyilvánvalóan (ennek ellenőrzéséhez részletesen meg kell vizsgálni a végtermékek spinjeit és szögimpulzusait). A lineáris impulzusmomentum szintén megmarad, ismét a bomlási energia nagy részét az elektron és az antineutrínó kapja, mivel ezek kis, illetve nulla tömegűek. Egy másik új megőrzési törvénynek is engedelmeskedik itt és máshol a természetben. A nukleonok teljes száma A megmarad. A 60Co bomlásában például 60 nukleon van a bomlás előtt és után. Megjegyzendő, hogy az α-bomlásban az összes A szintén megmarad. Vegyük észre azt is, hogy a protonok teljes száma változik, ahogy a neutronok teljes száma is, így a teljes Z és a teljes N nem marad meg a β-bomlásban, mint az α-bomlásban. A β-bomlás során felszabaduló energia kiszámítható a kiindulási és a termék tömegének ismeretében.

A béta-bomlás második típusa ritkább, mint az első. Ez a β+ bomlás. Bizonyos nuklidok egy pozitív elektron kibocsátásával bomlanak. Ez az antielektron vagy pozitron bomlás (lásd az 5. ábrát).

Az antielektron gyakran az e+ jellel szerepel, de a béta-bomlásban β+-nak írják, hogy jelezzék, az antielektron egy magbomlás során keletkezett. Az antielektronok az elektronok antianyag megfelelői, közel azonosak, azonos tömeggel, spinnel stb. rendelkeznek, de pozitív töltéssel és -1 elektroncsaládszámmal rendelkeznek. Amikor egy pozitron találkozik egy elektronnal, kölcsönös annihiláció következik be, amelynek során az antielektron-elektron pár teljes tömege tiszta fotonenergiává alakul át. (A reakció, e+ + e- → γ + γ, megőrzi az elektroncsaládszámot, valamint az összes többi megőrzött mennyiséget). Ha egy nuklid _Z^A\text{X}_N\\\ ismert β+ bomlása, akkor a β+ bomlás egyenlete

_Z^A\text{X}_N\rightarrow\text{Y}_{N+1}+\béta^{+}+v_e\\\ (β+ bomlás),

ahol Y az a nuklid, amelynek eggyel kevesebb protonja van, mint X-nek (a töltés megőrzése érdekében), νe pedig az elektron neutrínójának szimbóluma, amelynek elektroncsaládszáma +1. Mivel a bomlás során az elektroncsalád egy antianyag tagja (a β+) jön létre, a család egy anyagtagjának (itt a νe) is létre kell jönnie. Adott például, hogy a 22Na β+ bomlik, a teljes bomlási egyenletét úgy írhatjuk fel, hogy először megállapítjuk, hogy a 22Na esetében Z = 11, így a leánynuklid Z = 10 lesz, ami a neon atomszáma. Így a 22Na β+ bomlási egyenlete

_{22}^{11}\text{Na}_{11}\rightarrow{_{10}^{22}}\text{Ne}_{12}+\beta^{+}+v_e\\\

A β+ bomlásban olyan, mintha az anyamag egyik protonja egy neutronra, egy pozitronra és egy neutrínóra bomlana. A protonok ezt az atommagon kívül nem teszik, így a bomlás a magerő bonyolultságának köszönhető. Ismét megjegyezzük, hogy a nukleonok összlétszáma ebben és minden más reakcióban állandó. A β+ bomlás során kibocsátott energia meghatározásához ismét meg kell számolnunk a semleges atomokban lévő elektronok számát, mivel az atomtömegeket használjuk. A leánynak eggyel kevesebb elektronja van, mint a szülőnek, és a bomlás során egy elektrontömeg keletkezik. Így a β+ bomlásban,

Δm = m(szülő) – ,

mert a semleges atomok tömegét használjuk.

A béta-bomlás harmadik típusa az elektronbefogás. Itt egy atommag befog egy belső héjú elektront, és olyan magreakción megy keresztül, amely a β+ bomlással azonos hatású. Az elektronbefogást néha EC betűkkel jelölik. Tudjuk, hogy az elektronok nem tartózkodhatnak az atommagban, de ez egy olyan magreakció, amely felemészti az elektront, és csak akkor következik be spontán, ha a termékek tömege kisebb, mint a szülőé plusz az elektroné. Ha egy nuklidról _Z^A\text{X}_N\\\ tudjuk, hogy elektronbefogáson megy keresztül, akkor az elektronbefogás egyenlete

_Z^A\text{X}_N+e^{-}\rightarrow\text{Y}_{N+1}+v_e\\\ (elektronbefogás, vagy EC)

Minden olyan nuklid, amely β+ bomlásra képes, elektronbefogáson is áteshet (és gyakran mindkettő). Az EC esetében ugyanazok a megőrzési törvények érvényesek, mint a β+ bomlás esetében. Jó gyakorlat, ha ezeket magunk is megerősítjük.

A béta-bomlás minden formája azért következik be, mert a kiindulási nuklid instabil, és a nuklidok táblázatában a stabilitási tartományon kívül esik. Azok a nuklidok, amelyeknek viszonylag több neutronjuk van, mint a stabilitási tartományban, β-bomlással kevesebb neutronnal rendelkező leányt hoznak létre, így a stabilitási tartományhoz közelebbi leány keletkezik. Hasonlóképpen, azok a nuklidok, amelyeknek viszonylag több protonjuk van, mint a stabilitási tartományban, β-bomlanak vagy elektronbefogáson mennek keresztül, hogy kevesebb protonból álló, a stabilitási tartományhoz közelebbi leányt hozzanak létre.

Gamma-bomlás

A gamma-bomlás a magbomlás legegyszerűbb formája – ez az energetikai fotonok kibocsátása olyan atommagokból, amelyek valamilyen korábbi folyamat során gerjesztett állapotban maradtak. A gerjesztett magban a protonok és neutronok magasabb pályákon vannak, és a fotonok kibocsátásával alacsonyabb szintekre esnek (a gerjesztett atomok elektronjaihoz hasonlóan). Az atommagok gerjesztett állapotainak élettartama általában csak 10-14 s, ami a nukleonokat alacsonyabb állapotokba húzó erők nagy erejét jelzi. A γ bomlás egyenlete egyszerűen

_Z^A\text{X}_N^{*}\rightarrow\text{X}_N+\gamma_1+\gamma_2\dots\left(\gamma\text{ bomlás}\right)\\

ahol a csillag jelzi, hogy az atommag gerjesztett állapotban van. Egy vagy több γ s is kibocsátásra kerülhet, attól függően, hogy a nukleoid hogyan gerjesztődik ki. A radioaktív bomlásban gyakori a γ emisszió, amelyet γ vagy β bomlás előz meg. Például a 60Co β- bomlásakor a leánymagot leggyakrabban gerjesztett állapotban hagyja, amit 60Ni*-nak írunk. Ezután a nikkel atommag gyorsan γ-bomlik két átható γ kibocsátásával: 60Ni* → 60Ni + γ1 + γ2.

Ezeket kobalt γ-sugárzásnak nevezik, bár nikkelből származnak – ezeket például a rákterápiában használják. Ismét konstruktív a gamma-bomlásra vonatkozó megőrzési törvények ellenőrzése. Végül, mivel a γ-bomlás nem változtatja a nuklidot más fajjá, nem szerepel feltűnően a bomlási sorozatok ábráin, mint például az 1. ábrán.

Vannak más típusú magbomlások is, de ezek ritkábban fordulnak elő, mint az α-, β- és γ-bomlás. A maghasadás egyéb formái közül a spontán hasadás a legfontosabb, mivel az atomenergiában és a fegyverekben alkalmazzák. Ezzel a következő fejezetben foglalkozunk.

A fejezet összefoglalása

• Amikor egy anyamag bomlik, a szabályok és a megőrzési törvények szerint leánymagot hoz létre. A magbomlásnak három fő típusa van, amelyeket alfa (α), béta (β) és gamma (γ) bomlásnak nevezünk. Az α-bomlás egyenlete _Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\\\\.
• A magbomlás során a megsemmisült tömeggel ∆m kapcsolatban E = (∆m)c2-vel E = (∆m)c2 energia szabadul fel.
• A béta-bomlásnak három formája van. A β-bomlás egyenlete _{Z}^{A}\text{X}_{N}\rightarrow{_{Z+1}^{A}}\text{Y}_{N – 1}+{\béta }^{-}+{\bar{\nu }}_{e}\\\\.
• A β+ bomlás egyenlete _{Z}^{A}\text{X}_{N}\rightarrow{_{Z – 1}^{A}}}\text{Y}_{N+1}+{\beta }^{+}+{\nu }_{e}\\\\.
• Az elektronbefogási egyenlet _{Z}^{A}\text{X}_{N}+{e}^{-}\rightarrow{_{Z – 1}^{A}}\text{Y}_{N+1}+{\nu }_{e}\\\\.
• A β- egy elektron, a β+ egy antielektron vagy pozitron, a {\nu }_{e}\\\\ az elektron neutrínója, a {\overline{\nu }}_{e}\\\\\ az elektron antineutrínója. A korábban ismert összes megőrzési törvény mellett két új törvény is felmerül – az elektroncsaládszám megőrzése és a nukleonok teljes számának megőrzése. A γ bomlás egyenlete
  {Z}^{A}{\text{X}}}_{N}^{*}\rightarrow{_{Z}^{A}}\text{X}_{N}+{\gamma}_{1}+{\gamma}_{2}+\cdots\\\
  γ egy magból származó nagyenergiájú foton.

Glosszárium

szülő: az atommag eredeti állapota a bomlás előtt

leány: az az atommag, amely az anyatommag bomlásakor keletkezik, és a szabályok és a megőrzési törvények szerint egy másik atommagot hoz létre

positron: a pozitív béta-bomlásból származó részecske; antielektronként is ismert

bomlás: az a folyamat, amelynek során egy instabil atom atommagja ionizáló részecskék kibocsátásával tömeget és energiát veszít

alfa-bomlás:

béta-bomlás: olyan radioaktív bomlás, amelynek során az atommag alfa-részecskét bocsát ki

béta-bomlás: olyan radioaktív bomlás, amelynek során az atommag béta-részecskét bocsát ki

gamma-bomlás:

bomlási egyenlet: az az egyenlet, amellyel megállapítható, hogy egy radioaktív anyagból egy adott idő elteltével mennyi marad meg

magreakció energiája: a magreakcióban keletkező energia

neutrínó: a magreakcióban keletkező energia

neutrínó: elektromosan semleges, gyenge kölcsönhatású elemi szubatomi részecske

elektron antineutrínó: az elektron neutrínó antirészecskéje

pozitron bomlása: béta-bomlás típusa, amelyben egy proton neutronná alakul át, miközben egy pozitron és egy neutrínó szabadul fel

antielektron: a pozitron másik elnevezése

bomlási sorozat: folyamat, amelynek során egymást követő nuklidok bomlanak, amíg egy stabil nuklid keletkezik

elektron neutrínója: olyan szubatomi elemi részecske, amelynek nincs nettó elektromos töltése

antianyag: antirészecskékből áll

elektronbefogás: az a folyamat, amelynek során egy protonban gazdag nuklid elnyel egy belső atomi elektront és egyidejűleg neutrínót bocsát ki

elektronbefogási egyenlet: Az elektronbefogást reprezentáló egyenlet