Free Press

Rozpad jądrowy dostarczył niesamowite okno do królestwa bardzo małe. Rozpad jądra atomowego po raz pierwszy wskazał na związek między masą i energią oraz ujawnił istnienie dwóch z czterech podstawowych sił w przyrodzie. W tym rozdziale zbadamy główne tryby rozpadu jądrowego; i podobnie jak ci, którzy badali je jako pierwsi, odkryjemy dowody na istnienie nieznanych wcześniej cząstek i praw zachowania.

Niektóre nuklidy są stabilne, pozornie żyją wiecznie. Niestabilne nuklidy ulegają rozpadowi (czyli są radioaktywne), w wyniku czego po wielu rozpadach powstaje stabilny nuklid. Pierwotny nuklid nazywamy macierzystym, a produkty jego rozpadu – córkami. Niektóre nuklidy promieniotwórcze rozpadają się w jednym etapie do stabilnego jądra. Na przykład, 60Co jest niestabilny i rozpada się bezpośrednio na 60Ni, który jest stabilny. Inne, takie jak 238U, rozpadają się na inny niestabilny nuklid, w wyniku czego powstaje seria rozpadów, w której każdy kolejny nuklid rozpada się, aż w końcu powstaje stabilny nuklid.

Seria rozpadów rozpoczynająca się od 238U jest szczególnie interesująca, ponieważ w jej wyniku powstają radioaktywne izotopy 226Ra i 210Po, które po raz pierwszy odkryli Curie (patrz Rysunek 1). Powstaje również gaz radon (222Rn w szeregu), który jest coraz bardziej rozpoznawalnym zagrożeniem występującym w przyrodzie. Ponieważ radon jest gazem szlachetnym, emanuje on z materiałów, takich jak gleba, zawierających nawet śladowe ilości 238U i może być wdychany. Rozpad radonu i jego córek powoduje uszkodzenia wewnętrzne. Szereg rozpadów 238U kończy się na 206Pb, stabilnym izotopie ołowiu.

Zauważ, że córki rozpadu α pokazane na Rysunku 1 zawsze mają dwa protony mniej i dwa neutrony mniej niż rodzic. Wydaje się to uzasadnione, ponieważ wiemy, że rozpad α jest emisją jądra 4He, które ma dwa protony i dwa neutrony. Córki rozpadu β mają o jeden neutron mniej i o jeden proton więcej niż ich rodzic. Rozpad beta jest nieco bardziej subtelny, jak zobaczymy. Na rysunku nie pokazano rozpadów γ, ponieważ nie dają one córek różniących się od rodzica.

Rozpad alfa

W rozpadzie alfa jądro 4He po prostu odrywa się od jądra macierzystego, pozostawiając córkę z dwoma mniejszymi protonami i dwoma mniejszymi neutronami niż rodzic (patrz rysunek 2). Jeden z przykładów rozpadu α jest pokazany na rysunku 1 dla 238U. Innym nuklidem, który ulega rozpadowi α jest 239Pu. Równania rozpadu dla tych dwóch nuklidów są następujące

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

i

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

Jeśli spojrzymy na układ okresowy pierwiastków, to zauważymy, że Th ma Z = 90, o dwa mniej niż U, który ma Z=92. Podobnie w drugim równaniu rozpadu widzimy, że U ma o dwa protony mniej niż Pu, który ma Z = 94. Ogólną regułę dla rozpadu α najlepiej zapisać w formacie _Z^A tekst{X}_N. Jeżeli wiadomo, że dany nuklid ulega rozpadowi α (na ogół informacji tej należy szukać w tabeli izotopów, takiej jak w dodatku B), jego równanie rozpadu α ma postać

_Z^A}text{X}_Nrightarrow{_{Z-2}^{A-4}}}text{Y}_{N-2}+{_2^4}text{He}_2}left(alfa}text{rozpad}}right)}

gdzie Y jest nuklidem, który ma dwa protony mniej niż X, np. Th ma dwa protony mniej niż U. Jeśli więc powiedziano ci, że 239Pu α rozpada się i poproszono o napisanie pełnego równania rozpadu, najpierw sprawdziłbyś, który pierwiastek ma dwa protony mniej (liczbę atomową o dwa mniejszą) i znalazłbyś, że jest to uran. Następnie, ponieważ cztery nukleony oderwały się od pierwotnej liczby 239, jego masa atomowa wynosiłaby 235.

Pouczające jest zbadanie praw zachowania związanych z rozpadem α. Z równania _Z^A}text{X}_N}rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}text{Y}_{N-2}+{_2^4}text{He}_2} wynika, że całkowity ładunek jest zachowany. Moment pędu liniowy i kątowy również są zachowane. Chociaż zachowanie momentu pędu nie ma większego znaczenia w tego typu rozpadzie, to zachowanie momentu liniowego ma interesujące konsekwencje. Jeżeli jądro w momencie rozpadu jest w spoczynku, to jego moment pędu wynosi zero. W takim przypadku fragmenty muszą lecieć w przeciwnych kierunkach z jednakowymi momentami pędu, aby całkowity moment pędu pozostał równy zeru. Powoduje to, że cząstka α przenosi większość energii, tak jak pocisk z ciężkiego karabinu przenosi większość energii prochu spalonego do jego wystrzelenia. Całkowita masa-energia jest również zachowana: energia wytworzona w rozpadzie pochodzi z przekształcenia ułamka pierwotnej masy. Jak omówiono w Fizyce Atomowej, ogólna zależność to E = (∆m)c2.

Tutaj, E jest energią reakcji jądrowej (reakcją może być rozpad jądrowy lub jakakolwiek inna reakcja), a Δm jest różnicą masy pomiędzy produktami początkowymi i końcowymi. Gdy produkty końcowe mają mniejszą masę całkowitą, Δm jest dodatnie, a reakcja uwalnia energię (jest egzotermiczna). Gdy produkty mają większą masę całkowitą, reakcja jest endotermiczna (Δm jest ujemne) i musi być wywołana przez dostarczenie energii. Aby rozpad α był spontaniczny, produkty rozpadu muszą mieć mniejszą masę niż pierwowzór.

Rozpad beta

Właściwie istnieją trzy rodzaje rozpadów beta. Pierwszy odkryty to „zwykły” rozpad beta i nazywany jest rozpadem β- lub emisją elektronu. Symbol β- reprezentuje elektron emitowany w rozpadzie beta jądra atomowego. Kobalt-60 jest nuklidem, który rozpada się w następujący sposób: 60Co → 60Ni + β-+ neutrino.

Neutrino jest cząstką emitowaną w rozpadzie beta, która była nie do przewidzenia i ma fundamentalne znaczenie. Neutrino nie zostało nawet zaproponowane w teorii aż do ponad 20 lat po tym, jak wiadomo było, że rozpad beta wiąże się z emisją elektronów. Neutrina są tak trudne do wykrycia, że pierwsze bezpośrednie dowody ich obecności uzyskano dopiero w 1953 roku. Neutrina są prawie bezmasowe, nie mają ładunku i nie oddziałują z nukleonami za pośrednictwem silnej siły jądrowej. Podróżując w przybliżeniu z prędkością światła, mają niewiele czasu, aby wpłynąć na każde napotkane jądro. Ze względu na to, że nie mają ładunku (i nie są falami EM), nie oddziałują poprzez siłę EM. Oddziałują natomiast poprzez stosunkowo słabą i bardzo krótkodystansową słabą siłę jądrową. W związku z tym neutrina wymykają się prawie każdemu detektorowi i przenikają przez prawie wszystkie osłony. Jednak neutrina niosą energię, moment pędu (są fermionami o spinie półintegralnym) i moment pędu liniowego z rozpadu beta. Kiedy dokonano dokładnych pomiarów rozpadu beta, stało się jasne, że energia, moment pędu i moment pędu liniowego nie są reprezentowane jedynie przez jądro pochodne i elektron. Albo przenosiła je jakaś wcześniej niepodejrzewana cząstka, albo naruszone zostały trzy prawa zachowania. Wolfgang Pauli wysunął formalną propozycję istnienia neutrin w 1930 roku. Urodzony we Włoszech amerykański fizyk Enrico Fermi (1901-1954) nadał neutrinom ich nazwę, co oznacza małe neutralne, kiedy opracował wyrafinowaną teorię rozpadu beta (patrz rysunek 3). Częścią teorii Fermiego było zidentyfikowanie słabej siły jądrowej jako różnej od silnej siły jądrowej i w rzeczywistości odpowiedzialnej za rozpad beta.

Neutrino ujawnia również nowe prawo zachowania. Istnieją różne rodziny cząstek, jedną z nich jest rodzina elektronowa. Proponujemy, aby liczba członków rodziny elektronowej była stała w każdym procesie lub układzie zamkniętym. W naszym przykładzie z rozpadem beta, przed rozpadem nie ma żadnych członków rodziny elektronowej, ale po rozpadzie jest elektron i neutrino. Zatem elektrony otrzymują liczbę rodziny elektronowej równą +1. Neutrino w rozpadzie β- jest antyneutrinem elektronu, oznaczane symbolem ν, gdzie ν jest grecką literą nu, a indeks e oznacza, że to neutrino jest związane z elektronem. Słupek wskazuje, że jest to cząstka antymaterii. (Wszystkie cząstki mają swoje odpowiedniki w antymaterii, które są prawie identyczne z wyjątkiem tego, że mają przeciwny ładunek. Antymateria jest prawie całkowicie nieobecna na Ziemi, ale można ją znaleźć w rozpadzie jądrowym i innych reakcjach jądrowych i cząsteczkowych, a także w przestrzeni kosmicznej). Antineutrino elektronu, będąc antymaterią, ma elektronową liczbę rodzinną równą -1. Suma jest równa zero, zarówno przed jak i po rozpadzie. Nowe prawo zachowania, przestrzegane w każdych okolicznościach, mówi, że całkowita liczba rodziny elektronowej jest stała. Elektron nie może być stworzony bez stworzenia członka rodziny antymaterii. To prawo jest analogiczne do zachowania ładunku w sytuacji, gdy całkowity ładunek jest pierwotnie równy zeru, a równe ilości ładunku dodatniego i ujemnego muszą być tworzone w reakcji, aby utrzymać całkowitą wartość zerową.

Jeżeli wiadomo, że nuklid _Z^A jest w stanie rozpadu β-, to jego równanie rozpadu β- ma postać

tekst{X}_N-1}+beta^{-}+bar{nu}_e} (rozpad β-),

gdzie Y to nuklid mający o jeden proton więcej niż X (patrz rysunek 4). Jeśli więc wiemy, że pewien nuklid rozpada się β-, możemy znaleźć jądro pochodne, sprawdzając najpierw Z dla jądra macierzystego, a następnie określając, który pierwiastek ma liczbę atomową Z + 1. W podanym wcześniej przykładzie rozpadu β- 60Co widzimy, że Z = 27 dla Co i Z = 28 dla Ni. To tak jakby jeden z neutronów w macierzystym jądrze rozpadł się na proton, elektron i neutrino. W rzeczywistości neutrony poza jądrami właśnie to robią – żyją średnio tylko kilka minut i rozpadają się β- w następujący sposób:

tekst{n}+beta^{-}+bar{nu}_e}

Widzimy, że ładunek jest zachowany w rozpadzie β, ponieważ całkowity ładunek jest Z przed i po rozpadzie. Na przykład, w rozpadzie 60Co, całkowity ładunek wynosi 27 przed rozpadem, ponieważ kobalt ma Z = 27. Po rozpadzie, jądrem pochodnym jest Ni, które ma Z = 28 i jest w nim elektron, więc całkowity ładunek wynosi również 28 + (-1) lub 27. Moment pędu jest zachowany, ale nie w sposób oczywisty (aby to sprawdzić, trzeba dokładnie zbadać spiny i momenty pędu produktów końcowych). Moment pędu liniowego jest również zachowany, ponownie przekazując większość energii rozpadu elektronowi i antyneutrinu, ponieważ mają one odpowiednio małą i zerową masę. Inne nowe prawo zachowania jest przestrzegane zarówno tutaj, jak i w innych miejscach w przyrodzie. Całkowita liczba nukleonów A jest zachowana. Na przykład w rozpadzie 60Co, przed i po rozpadzie jest 60 nukleonów. Zauważmy, że całkowita liczba A jest zachowana również w rozpadzie α. Zauważmy też, że całkowita liczba protonów zmienia się, podobnie jak całkowita liczba neutronów, więc całkowite Z i całkowite N nie są zachowane w rozpadzie β-, tak jak w rozpadzie α. Energia uwolniona w rozpadzie β- może być obliczona biorąc pod uwagę masy gazu macierzystego i produktów.

Drugi typ rozpadu beta jest mniej powszechny niż pierwszy. Jest to rozpad β+. Niektóre nuklidy rozpadają się poprzez emisję elektronu dodatniego. Jest to rozpad antyelektronowy lub pozytonowy (patrz Rysunek 5).

Antyelektron jest często przedstawiany za pomocą symbolu e+, ale w rozpadzie beta jest zapisywany jako β+, aby wskazać, że antyelektron został wyemitowany w rozpadzie jądrowym. Antielektrony są odpowiednikiem elektronów w antymaterii, są prawie identyczne, mają taką samą masę, spin itd., ale mają ładunek dodatni i liczbę rodzinną elektronu -1. Gdy pozyton napotka elektron, dochodzi do wzajemnej anihilacji, w której cała masa pary antyelektron-elektron zostaje zamieniona na czystą energię fotonu. (Reakcja, e+ + e- → γ + γ, zachowuje liczbę rodzinną elektronu jak i wszystkie inne zachowane wielkości). Jeżeli wiadomo, że nuklid _Z^Atext{X}_N} ulega rozpadowi β+, to jego równanie rozpadu β+ ma postać

_Z^Atext{X}_N+1}+beta^{+}+v_e (rozpad β+),

gdzie Y to nuklid mający o jeden proton mniej niż X (dla zachowania ładunku), a νe to symbol neutrina elektronowego, które ma elektronową liczbę rodzinną +1. Ponieważ w rozpadzie powstaje antymaterialny członek rodziny elektronowej (β+), to musi powstać również materialny członek tej rodziny (tutaj νe). Biorąc na przykład, że 22Na rozpada się na β+, można napisać pełne równanie rozpadu stwierdzając najpierw, że Z = 11 dla 22Na, więc nuklid pochodny będzie miał Z = 10, liczbę atomową neonu. Tak więc równanie rozpadu β+ dla 22Na to

_{22}^{11} tekst{Na}_{11} tekst{10}^{22}} tekst{Ne}_{12}+beta^{+}+v_e

W rozpadzie β+ jest tak, jakby jeden z protonów w jądrze macierzystym rozpadał się na neutron, pozyton i neutrino. Protony nie robią tego poza jądrem, a więc rozpad jest spowodowany złożonością sił jądrowych. Zauważmy ponownie, że całkowita liczba nukleonów jest stała w tej i każdej innej reakcji. Aby znaleźć energię emitowaną w rozpadzie β+ , należy ponownie policzyć liczbę elektronów w neutralnych atomach, ponieważ używane są masy atomowe. Córka ma o jeden elektron mniej niż rodzic, a w rozpadzie powstaje jedna masa elektronowa. Zatem w rozpadzie β+,

Δm = m(rodzic) – ,

ponieważ używamy mas atomów obojętnych.

Wychwyt elektronu jest trzecim typem rozpadu beta. W tym przypadku jądro wychwytuje elektron z wewnętrznej powłoki i przechodzi reakcję jądrową, która ma taki sam efekt jak rozpad β+. Wychwyt elektronu jest czasami oznaczany literami EC. Wiemy, że elektrony nie mogą przebywać w jądrze, ale jest to reakcja jądrowa, która pochłania elektron i zachodzi samorzutnie tylko wtedy, gdy produkty mają mniejszą masę niż pierwowzór plus elektron. Jeżeli wiadomo, że nuklid _Z^Atext{X}_N} ulega wychwytowi elektronów, to jego równanie wychwytu elektronów ma postać

_Z^Atext{X}_N+e^{-}_rightarrow}text{Y}_{N+1}+v_e\i0} (wychwyt elektronów, lub EC)

Każdy nuklid, który może się rozpadać β+ może również ulegać wychwytowi elektronów (i często ulega obu tym reakcjom). Te same prawa zachowania są przestrzegane dla EC jak i dla rozpadu β+. Jest to dobra praktyka, aby potwierdzić je dla siebie.

Wszystkie formy rozpadu beta występują, ponieważ nuklid macierzysty jest niestabilny i leży poza regionem stabilności na wykresie nuklidów. Te nuklidy, które mają relatywnie więcej neutronów niż te w regionie stabilności, rozpadają się β- tworząc córkę z mniejszą liczbą neutronów, co daje córkę bliższą regionowi stabilności. Podobnie, te nuklidy, które mają względnie więcej protonów niż te w regionie stabilności, rozpadają się β- lub ulegają wychwytowi elektronów, aby wytworzyć córkę z mniejszą liczbą protonów, bliższą regionu stabilności.

Rozpad gamma

Rozpad gamma jest najprostszą formą rozpadu jądrowego – jest to emisja energetycznych fotonów przez jądra pozostawione w stanie wzbudzonym przez jakiś wcześniejszy proces. Protony i neutrony w wzbudzonym jądrze znajdują się na wyższych orbitalach i spadają na niższe poziomy poprzez emisję fotonów (analogicznie do elektronów w wzbudzonych atomach). Jądrowe stany wzbudzone mają czasy życia zwykle tylko około 10-14 s, co świadczy o dużej sile sił ciągnących nukleony do niższych stanów. Równanie rozpadu γ to po prostu

_Z^A tekst{X}_N^{*} tekst{X}_N+gamma_1+gamma_2 kropki lewa(^gamma tekst{rozpad}} prawa)^

gdzie gwiazdka oznacza, że jądro jest w stanie wzbudzonym. Może być emitowana jedna lub więcej γ s, w zależności od sposobu deekscytacji nuklidu. W rozpadach promieniotwórczych emisja γ jest powszechna i jest poprzedzona rozpadem γ lub β. Na przykład, gdy rozpada się 60Co β-, to najczęściej pozostawia jądro potomne w stanie wzbudzonym, pisanym 60Ni*. Następnie jądro niklu szybko ulega rozpadowi γ poprzez emisję dwóch penetrujących γs: 60Ni* → 60Ni + γ1 + γ2.

Nazywane są one kobaltowymi promieniami γ, choć pochodzą od niklu – są wykorzystywane np. w terapii nowotworowej. Ponownie konstruktywne jest sprawdzenie praw zachowania dla rozpadu gamma. Wreszcie, ponieważ rozpad γ nie zmienia nuklidu w inny gatunek, nie jest on wyróżniony na wykresach serii rozpadów, takich jak ten na rysunku 1.

Istnieją inne rodzaje rozpadów jądrowych, ale występują one rzadziej niż rozpady α, β i γ. Spontaniczne rozszczepienie jest najważniejszą z pozostałych form rozpadu jądrowego ze względu na jej zastosowanie w energetyce jądrowej i broni. Jest on omówiony w następnym rozdziale.

Podsumowanie rozdziału

• Gdy jądro macierzyste rozpada się, wytwarza jądro pochodne zgodnie z zasadami i prawami zachowania. Istnieją trzy główne typy rozpadów jądrowych, zwane alfa (α), beta (β) i gamma (γ). Równanie rozpadu α ma postać _Z^A tekst{X}_Nrightarrow{_{Z-2}^{A-4}} tekst{Y}_{N-2}+{_2^4} tekst{He}_2}.
• Rozpad jądra uwalnia ilość energii E związaną ze zniszczoną masą ∆m wzorem E = (∆m)c2.
• Istnieją trzy formy rozpadu beta. Równanie rozpadu β- ma postać _{Z}^{A}} tekst{X}_{N}} prawoskrętny{{Z+1}^{A}} tekst{Y}_{N – 1}+{beta }^{-}+{bar{nu }}_{e}}.
• Równanie rozpadu β+ jest równe _{Z}^{A} tekst{X}_{N}}rightarrow{_{Z – 1}^{A}} tekst{Y}_{N+1}+{beta }^{+}+{bar{e}}.
• Równanie wychwytu elektronów jest równe _{Z}^{A} tekst{X}_{N}+{e}^{-}}rightarrow{{Z – 1}^{A}} tekst{Y}_{N+1}+{beta}+{{e}}.
• β- jest elektronem, β+ jest antyelektronem lub pozytonem, {{nu }_{e}} reprezentuje neutrino elektronowe, a {overline{{e}}} jest antyneutrinem elektronowym. Oprócz wszystkich znanych wcześniej praw zachowania, pojawiają się dwa nowe – zachowanie liczby rodziny elektronów i zachowanie całkowitej liczby nukleonów. Równanie rozpadu γ jest następujące
  {Z}^{A}{{Tekst{X}}_{N}^{*}}prawostronny{_{Z}^{A}}} tekst{X}_{N}+{gamma}_{1}+{gamma}_{2}+{cdots}}
  γ jest wysokoenergetycznym fotonem pochodzącym z jądra.

Słowniczek

parent: pierwotny stan jądra przed rozpadem

córka: jądro otrzymane, gdy jądro macierzyste rozpada się i wytwarza inne jądro zgodnie z zasadami i prawami zachowania

pozyton: cząstka, która powstaje w wyniku dodatniego rozpadu beta; znana również jako antyelektron

rozpad: proces, w którym jądro atomowe niestabilnego atomu traci masę i energię poprzez emisję cząstek jonizujących

rozpad alfa: rodzaj rozpadu promieniotwórczego, w którym jądro atomowe emituje cząstkę alfa

rozpad beta: rodzaj rozpadu promieniotwórczego, w którym jądro atomowe emituje cząstkę beta

rozpad gamma: rodzaj rozpadu promieniotwórczego, w którym jądro atomowe emituje cząstkę gamma

równanie rozpadu: równanie pozwalające dowiedzieć się, ile materiału promieniotwórczego pozostaje po danym okresie czasu

energia reakcji jądrowej: energia powstała w reakcji jądrowej

neutrino: elektrycznie obojętna, słabo oddziałująca elementarna cząstka subatomowa

antyneutrino elektronowe: antycząstka neutrina elektronowego

rozpad pozytonu: rodzaj rozpadu beta, w którym proton przekształca się w neutron, uwalniając pozyton i neutrino

antylektron: inne określenie pozytonu

seria rozpadów: proces, w którym kolejne nuklidy rozpadają się aż do wytworzenia stabilnego nuklidu

neutrino elektronowe: subatomowa cząstka elementarna, która nie posiada ładunku elektrycznego netto

antymateria: złożona z antycząstek

wychwyt elektronu: proces, w którym nuklid bogaty w proton pochłania wewnętrzny elektron atomowy i jednocześnie emituje neutrino

równanie wychwytu elektronu: równanie przedstawiające wychwyt elektronu

.