Free Press

Dezintegrarea nucleară a oferit o fereastră uimitoare în domeniul celor foarte mici. Dezintegrarea nucleară a oferit primul indiciu al legăturii dintre masă și energie și a dezvăluit existența a două dintre cele patru forțe de bază din natură. În această secțiune, vom explora principalele moduri de dezintegrare nucleară; și, la fel ca cei care le-au explorat pentru prima dată, vom descoperi dovezi ale unor particule și legi de conservare necunoscute anterior.

Câteva nuclide sunt stabile, trăind aparent pentru totdeauna. Nuclizii instabili se dezintegrează (adică sunt radioactivi), producând în cele din urmă un nuclid stabil după multe dezintegrări. Noi numim nuclidul original părintele și produsele sale de dezintegrare fiicele. Unii nuclizi radioactivi se dezintegrează într-o singură etapă până la un nucleu stabil. De exemplu, 60Co este instabil și se dezintegrează direct în 60Ni, care este stabil. Alții, cum ar fi 238U, se dezintegrează într-un alt nuclid instabil, rezultând o serie de dezintegrare în care fiecare nuclid următor se dezintegrează până când se produce în final un nuclid stabil.

Seria de dezintegrare care pornește de la 238U prezintă un interes deosebit, deoarece produce izotopii radioactivi 226Ra și 210Po, pe care Curie i-a descoperit pentru prima dată (a se vedea figura 1). Se produce, de asemenea, gaz radon (222Rn în serie), un pericol natural din ce în ce mai recunoscut. Deoarece radonul este un gaz nobil, acesta emană din materiale, cum ar fi solul, care conțin chiar și urme de 238U și poate fi inhalat. Dezintegrarea radonului și a fiicelor sale produce leziuni interne. Seria de dezintegrare a 238U se încheie cu 206Pb, un izotop stabil al plumbului.

Rețineți că fiicele dezintegrării α prezentate în figura 1 au întotdeauna cu doi protoni și doi neutroni mai puțin decât substanța mamă. Acest lucru pare rezonabil, deoarece știm că dezintegrarea α este emisia unui nucleu de 4He, care are doi protoni și doi neutroni. Fiicele dezintegrării β au cu un neutron mai puțin și un proton mai mult decât părintele lor. Dezintegrarea beta este un pic mai subtilă, după cum vom vedea. În figură nu sunt prezentate dezintegrări γ, deoarece acestea nu produc o fiică care să difere de părinte.

Dezintegrarea alfa

În dezintegrarea alfa, un nucleu de 4He se desprinde pur și simplu de nucleul părinte, lăsând o fiică cu doi protoni și doi neutroni mai puțin decât părintele (vezi figura 2). Un exemplu de dezintegrare α este prezentat în figura 1 pentru 238U. Un alt nuclid care suferă dezintegrare α este 239Pu. Ecuațiile de dezintegrare pentru acești doi nuclizi sunt

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

și

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

Dacă examinați tabelul periodic al elementelor, veți constata că Th are Z = 90, cu două mai puțin decât U, care are Z = 92. În mod similar, în a doua ecuație de dezintegrare, vedem că U are cu doi protoni mai puțin decât Pu, care are Z = 94. Regula generală pentru dezintegrarea α se scrie cel mai bine în formatul _Z^A\text{X}_N\\\\\. Dacă se știe că un anumit nuclid are o dezintegrare α (în general, această informație trebuie căutată într-un tabel al izotopilor, cum ar fi cel din apendicele B), ecuația de dezintegrare α a acestuia este

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

unde Y este nuclidul care are cu doi protoni mai puțin decât X, cum ar fi Th care are cu doi protoni mai puțin decât U. Așadar, dacă vi s-ar spune că 239Pu α se dezintegrează și vi s-ar cere să scrieți ecuația completă a dezintegrării, ați căuta mai întâi ce element are cu doi protoni mai puțin (un număr atomic cu doi mai mic) și ați afla că acesta este uraniul. Apoi, din moment ce patru nucleoni s-au desprins din 239 inițial, masa sa atomică ar fi 235.

Este instructiv să examinăm legile de conservare legate de dezintegrarea α. Puteți vedea din ecuația _Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\\ că sarcina totală se conservă. Momentul liniar și cel unghiular sunt, de asemenea, conservate. Deși momentul unghiular conservat nu are o importanță deosebită în acest tip de dezintegrare, conservarea momentului liniar are consecințe interesante. Dacă nucleul se află în repaus atunci când se dezintegrează, impulsul său este zero. În acest caz, fragmentele trebuie să zboare în direcții opuse cu momente de aceeași mărime, astfel încât momentul total să rămână zero. Rezultă că particula α transportă cea mai mare parte a energiei, așa cum un glonț dintr-o pușcă grea transportă cea mai mare parte a energiei prafului de pușcă ars pentru a-l trage. Masa-energie totală este, de asemenea, conservată: energia produsă în timpul dezintegrării provine din transformarea unei fracțiuni din masa inițială. După cum s-a discutat în Fizica atomică, relația generală este E = (∆m)c2.

Aici, E este energia reacției nucleare (reacția poate fi dezintegrarea nucleară sau orice altă reacție), iar Δm este diferența de masă dintre produsele inițiale și cele finale. Atunci când produsele finale au o masă totală mai mică, Δm este pozitivă, iar reacția eliberează energie (este exotermă). Atunci când produsele au o masă totală mai mare, reacția este endotermică (Δm este negativ) și trebuie să fie indusă cu un aport de energie. Pentru ca dezintegrarea α să fie spontană, produșii de dezintegrare trebuie să aibă o masă mai mică decât cea a părintelui.

Dezintegrare beta

Există de fapt trei tipuri de dezintegrare beta. Primul descoperit este dezintegrarea beta „obișnuită” și se numește dezintegrare β- sau emisie de electroni. Simbolul β- reprezintă un electron emis în dezintegrarea beta nucleară. Cobaltul-60 este un nuclid care se dezintegrează β- în felul următor: 60Co → 60Ni + β-+ neutrino.

Nutrinul este o particulă emisă în dezintegrarea beta care a fost neanticipată și care are o importanță fundamentală. Neutrinul nu a fost propus nici măcar în teorie până la mai mult de 20 de ani după ce s-a știut că dezintegrarea beta implică emisii de electroni. Neutrinii sunt atât de greu de detectat încât prima dovadă directă a lor a fost obținută abia în 1953. Neutrinii sunt aproape fără masă, nu au sarcină și nu interacționează cu nucleonii prin intermediul forței nucleare puternice. Călătorind aproximativ cu viteza luminii, ei au puțin timp la dispoziție pentru a afecta orice nucleu pe care îl întâlnesc. Acest lucru se datorează faptului că, datorită faptului că nu au sarcină (și nu sunt unde EM), nu interacționează prin intermediul forței EM. Ele interacționează prin intermediul forței nucleare slabe, relativ slabe și cu rază de acțiune foarte scurtă. În consecință, neutrinii scapă aproape oricărui detector și penetrează aproape orice blindaj. Cu toate acestea, neutrinii transportă energie, moment unghiular (sunt fermioni cu spin semiintegral) și moment linear în urma unei dezintegrări beta. Când au fost efectuate măsurători precise ale dezintegrării beta, a devenit evident că energia, momentul unghiular și momentul liniar nu erau explicate doar de nucleul fiică și de electron. Fie că o particulă nesuspectată anterior le transporta, fie că trei legi de conservare erau încălcate. Wolfgang Pauli a făcut o propunere oficială pentru existența neutrinilor în 1930. Fizicianul american de origine italiană Enrico Fermi (1901-1954), născut în Italia, a dat numele de neutrini, ceea ce înseamnă „micii neutri”, atunci când a dezvoltat o teorie sofisticată a dezintegrării beta (a se vedea figura 3). O parte a teoriei lui Fermi a fost identificarea forței nucleare slabe ca fiind distinctă de forța nucleară puternică și, de fapt, responsabilă pentru dezintegrarea beta.

Nutrinul dezvăluie, de asemenea, o nouă lege de conservare. Există diverse familii de particule, dintre care una este familia electronilor. Propunem că numărul de membri ai familiei de electroni este constant în orice proces sau în orice sistem închis. În exemplul nostru de dezintegrare beta, nu există membri ai familiei de electroni înainte de dezintegrare, dar după, există un electron și un neutrino. Așadar, electronilor li se atribuie un număr de familie de electroni de +1. Neutrinul în dezintegrarea β- este un antineutrino al electronului, având simbolul \bar{\nu}_e\\\\\, unde ν este litera greacă nu, iar indicele e înseamnă că acest neutrino este legat de electron. Bara indică faptul că este vorba de o particulă de antimaterie. (Toate particulele au corespondenți de antimaterie care sunt aproape identici, cu excepția faptului că au sarcină opusă. Antimateria lipsește aproape cu desăvârșire de pe Pământ, dar se găsește în dezintegrarea nucleară și în alte reacții nucleare și de particule, precum și în spațiul cosmic). Antineutrinul electronului \bar{\nu}_e\\\, fiind antimaterie, are un număr de familie de electroni de -1. Totalul este zero, înainte și după dezintegrare. Noua lege de conservare, care este respectată în toate circumstanțele, prevede că numărul total al familiei de electroni este constant. Un electron nu poate fi creat fără a crea și un membru al familiei de antimaterie. Această lege este analogă cu conservarea sarcinii într-o situație în care sarcina totală este inițial zero, iar cantități egale de sarcină pozitivă și negativă trebuie să fie create într-o reacție pentru ca totalul să rămână zero.

Dacă se știe că un nuclid _Z^A\text{X}_N\\\\\ este cunoscut pentru dezintegrarea β-, atunci ecuația de dezintegrare β- a acestuia este

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

unde Y este nuclidul care are cu un proton mai mult decât X (a se vedea figura 4). Așadar, dacă știți că un anumit nuclid β- se dezintegrează, puteți găsi nucleul fiică căutând mai întâi Z pentru părinte și apoi determinând ce element are numărul atomic Z + 1. În exemplul de dezintegrare β- a 60Co dat mai devreme, vedem că Z = 27 pentru Co și Z = 28 este Ni. Este ca și cum unul dintre neutronii din nucleul părinte se dezintegrează într-un proton, un electron și un neutrino. De fapt, neutronii din afara nucleelor fac exact acest lucru – ei trăiesc în medie doar câteva minute și se dezintegrează β- în felul următor:

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

Vezi că sarcina se conservă în dezintegrarea β-, deoarece sarcina totală este Z înainte și după dezintegrare. De exemplu, în dezintegrarea 60Co, sarcina totală este 27 înainte de dezintegrare, deoarece cobaltul are Z = 27. După dezintegrare, nucleul fiică este Ni, care are Z = 28, și există un electron, astfel încât sarcina totală este, de asemenea, 28 + (-1) sau 27. Momentul unghiular este conservat, dar nu în mod evident (pentru a verifica acest lucru, trebuie să examinați în detaliu spinii și momentele unghiulare ale produselor finale). Momentul liniar este, de asemenea, conservat, comunicând, din nou, cea mai mare parte a energiei de dezintegrare electronului și antineutrinului, deoarece acestea au o masă mică și, respectiv, zero. O altă nouă lege de conservare este respectată aici și în alte locuri din natură. Numărul total de nucleoni A este conservat. În cazul dezintegrării 60Co, de exemplu, există 60 de nucleoni înainte și după dezintegrare. Rețineți că totalul A este conservat și în dezintegrarea α. De asemenea, rețineți că numărul total de protoni se modifică, la fel ca și numărul total de neutroni, astfel încât totalul Z și totalul N nu se păstrează în dezintegrarea β, așa cum se întâmplă în dezintegrarea α. Energia eliberată în dezintegrarea β- poate fi calculată având în vedere masele părintelui și a produselor.

Cel de-al doilea tip de dezintegrare beta este mai puțin frecvent decât primul. Este vorba de dezintegrarea β+. Anumite nuclide se dezintegrează prin emiterea unui electron pozitiv. Aceasta este dezintegrarea antielectronică sau positronică (a se vedea figura 5).

Antielectronul este adesea reprezentat prin simbolul e+, dar în dezintegrarea beta este scris ca β+ pentru a indica faptul că antielectronul a fost emis într-o dezintegrare nucleară. Antielectronii sunt echivalentul antimaterie al electronilor, fiind aproape identici, având aceeași masă, spin și așa mai departe, dar având o sarcină pozitivă și un număr de familie de electroni de -1. Atunci când un pozitron întâlnește un electron, are loc o anihilare reciprocă în care toată masa perechii antielectron-electron este convertită în energie fotonică pură. (Reacția, e+ + e- → γ + γ, conservă numărul familiei de electroni, precum și toate celelalte mărimi conservate). Dacă se știe că un nuclid _Z^A\text{X}_N\\\\ este cunoscut pentru dezintegrarea β+, atunci ecuația de dezintegrare β+ a acestuia este

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

unde Y este nuclidul care are cu un proton mai puțin decât X (pentru a conserva sarcina) și νe este simbolul neutrinului electronului, care are un număr de familie de electroni de +1. Deoarece în dezintegrare este creat un membru antimaterie al familiei de electroni (β+), trebuie să fie creat și un membru materie al familiei (aici νe). Având în vedere, de exemplu, că 22Na β+ se dezintegrează, puteți scrie ecuația completă a dezintegrării sale găsind mai întâi că Z = 11 pentru 22Na, astfel încât nuclidul fiică va avea Z = 10, numărul atomic al neonului. Astfel, ecuația de dezintegrare β+ pentru 22Na este

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

În dezintegrarea β+, este ca și cum unul dintre protonii din nucleul părinte se dezintegrează într-un neutron, un pozitron și un neutrino. Protonii nu fac acest lucru în afara nucleului și, prin urmare, dezintegrarea se datorează complexității forței nucleare. Rețineți din nou că numărul total de nucleoni este constant în această reacție și în orice altă reacție. Pentru a afla energia emisă în dezintegrarea β+, trebuie să numărați din nou numărul de electroni din atomii neutri, deoarece se folosesc masele atomice. Fiica are cu un electron mai puțin decât părintele, iar în dezintegrare se creează o masă de electroni. Astfel, în dezintegrarea β+,

Δm = m(părinte) – ,

din moment ce folosim masele atomilor neutri.

Captura de electroni este al treilea tip de dezintegrare beta. Aici, un nucleu captează un electron din învelișul interior și suferă o reacție nucleară care are același efect ca și dezintegrarea β+. Captarea electronilor este uneori desemnată prin literele EC. Știm că electronii nu pot locui în nucleu, dar aceasta este o reacție nucleară care consumă electronul și are loc spontan numai atunci când produsele au o masă mai mică decât cea a părintelui plus electronul. Dacă se știe că o nuclidă _Z^A\text{X}_N\\\\\, atunci ecuația capturii de electroni este

_Z^A\text{X}_N+e^{-}\rightarrow\text{Y}_{N+1}+v_e\\ (captură de electroni, sau EC)

Care nuclidă care poate să se dezintegreze β+ poate, de asemenea, să sufere captură de electroni (și adesea le face pe amândouă). Aceleași legi de conservare sunt respectate pentru EC ca și pentru dezintegrarea β+. Este o bună practică să le confirmați singuri.

Toate formele de dezintegrare beta apar deoarece nuclidul părinte este instabil și se află în afara regiunii de stabilitate din graficul nuclizilor. Acei nuclizi care au relativ mai mulți neutroni decât cei din regiunea de stabilitate se vor dezintegra β- pentru a produce o fiică cu mai puțini neutroni, producând o fiică mai aproape de regiunea de stabilitate. În mod similar, acei nuclizi care au relativ mai mulți protoni decât cei din regiunea de stabilitate se vor β- dezintegra sau vor suferi o captare de electroni pentru a produce o fiică cu mai puțini protoni, mai aproape de regiunea de stabilitate.

Dezintegrarea gamma

Dezintegrarea gamma este cea mai simplă formă de dezintegrare nucleară – este emisia de fotoni energetici de către nuclee lăsate într-o stare excitată de un proces anterior. Protonii și neutronii dintr-un nucleu excitat se află în orbitali superiori și cad în nivele inferioare prin emisie de fotoni (analog cu electronii din atomii excitați). Stările excitate nucleare au durate de viață de obicei de numai aproximativ 10-14 s, ceea ce indică puterea mare a forțelor care trag nucleonii în stări inferioare. Ecuația de dezintegrare γ este pur și simplu

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

unde asteriscul indică faptul că nucleul se află într-o stare excitată. Pot fi emise unul sau mai multe γ s, în funcție de modul în care nucleidul se de-excită. În dezintegrarea radioactivă, emisia γ este frecventă și este precedată de dezintegrarea γ sau β. De exemplu, atunci când 60Co β- se dezintegrează, cel mai adesea lasă nucleul fiică într-o stare excitată, scrisă 60Ni*. Apoi, nucleul de nichel se dezintegrează rapid γ prin emisia a două γ-uri penetrante: 60Ni* → 60Ni + γ1 + γ2.

Aceștia se numesc raze γ de cobalt, deși provin de la nichel – ele sunt folosite pentru terapia cancerului, de exemplu. Este din nou constructiv să se verifice legile de conservare pentru dezintegrarea gamma. În cele din urmă, deoarece dezintegrarea γ nu transformă nuclidul într-o altă specie, aceasta nu este evidențiată în mod proeminent în diagramele seriilor de dezintegrare, cum ar fi cel din figura 1.

Există și alte tipuri de dezintegrare nucleară, dar acestea apar mai rar decât dezintegrarea α, β și γ. Fisiunea spontană este cea mai importantă dintre celelalte forme de dezintegrare nucleară datorită aplicațiilor sale în domeniul energiei nucleare și al armelor nucleare. Ea este tratată în capitolul următor.

Sinteza secțiunii

• Când un nucleu părinte se dezintegrează, el produce un nucleu fiică urmând reguli și legi de conservare. Există trei tipuri majore de dezintegrare nucleară, numite alfa (α), beta (β) și gamma (γ). Ecuația dezintegrării α este _Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\\.
• Dezintegrarea nucleară eliberează o cantitate de energie E legată de masa distrusă ∆m prin E = (∆m)c2.
• Există trei forme de dezintegrare beta. Ecuația dezintegrării β- este _{Z}^{A}\text{X}_{N}\rightarrow{_{Z+1}^{A}}\text{Y}_{N – 1}+{\beta }^{-}+{\bar{\nu }}_{e}\\.
• Ecuația de dezintegrare β+ este _{Z}^{A}\text{X}_{N}\rightarrow{_{Z – 1}^{A}}\text{Y}_{N+1}+{\beta }^{+}+{\nu }_{e}\\\\.
• Ecuația de captare a electronilor este _{Z}^{A}\text{X}_{N}+{e}^{-}\rightarrow{_{Z – 1}^{A}}\text{Y}_{N+1}+{\nu }_{e}\\\.
• β- este un electron, β+ este un antielectron sau un pozitron, {\nu }_{e}\\\\ reprezintă neutrinul unui electron, iar {\overline{\nu }}_{e}\\\\\ este antineutrinul unui electron. Pe lângă toate legile de conservare cunoscute anterior, apar două legi noi: conservarea numărului familiei de electroni și conservarea numărului total de nucleoni. Ecuația de dezintegrare γ este
  {Z}^{A}{\text{X}}_{N}^{*}\rightarrow{_{Z}^{A}}}\text{X}_{N}+{\gamma}_{1}+{\gamma}_{2}+\cdots\}
  γ este un foton de înaltă energie care își are originea într-un nucleu.

Glosar

părinte: starea inițială a nucleului înainte de dezintegrare

fiică: nucleul obținut atunci când nucleul părinte se dezintegrează și produce un alt nucleu urmând regulile și legile de conservare

positron: particula care rezultă în urma dezintegrării beta pozitive; cunoscut și sub numele de antielectron

dezintegrare: procesul prin care un nucleu atomic al unui atom instabil pierde masă și energie prin emiterea de particule ionizante

dezintegrare alfa: tip de dezintegrare radioactivă în care un nucleu atomic emite o particulă alfa

dezintegrare beta: tip de dezintegrare radioactivă în care un nucleu atomic emite o particulă beta

dezintegrare gamma: tip de dezintegrare radioactivă în care un nucleu atomic emite o particulă gamma

ecuație de dezintegrare: ecuația pentru a afla cât de mult a rămas dintr-un material radioactiv după o anumită perioadă de timp

energie de reacție nucleară: energia creată într-o reacție nucleară

neutrino: o particulă subatomică elementară subatomică neutră din punct de vedere electric, cu interacțiune slabă

antineutrino al electronului: antiparticulă a neutrinului electronului

dezintegrare a pozitronului: tip de dezintegrare beta în care un proton se transformă în neutron, eliberând un pozitron și un neutrino

antielectron: un alt termen pentru pozitron

serie de dezintegrare: proces prin care nucleidele următoare se dezintegrează până la producerea unui nuclid stabil

neutrino al electronului: o particulă elementară subatomică care nu are sarcină electrică netă

antimaterie: compus din antiparticule

captura de electroni: procesul prin care un nuclid bogat în protoni absoarbe un electron atomic interior și emite simultan un neutrino

ecuația capturării de electroni: ecuația care reprezintă captarea electronilor

.