Hvorfor oppstår radioaktivt forfall?
Årsaker til radioaktivt forfall av en atomkjerne
VICTOR DE SCHWANBERG / SCIENCE PHOTO LIBRARY / Getty Images
Radioaktivt forfall en spontan prosess der en ustabil atomkjernen brytes i mindre, mer stabile fragmenter. Har du noen gang lurt på hvorfor noen kjerner forfaller mens andre ikke gjør det?
Det er i bunn og grunn et spørsmål om termodynamikk. Hvert atom søker å være så stabilt som mulig. Ved radioaktivt forfall oppstår ustabilitet når det er ubalanse i antall protoner og nøytroner i atomkjernen. I utgangspunktet er det for mye energi inne i kjernen til å holde alle nukleonene sammen. Statusen til elektronene av et atom spiller ingen rolle for forfall, selv om de også har sin egen måte å finne stabilitet på. Hvis kjernen til et atom er ustabil, vil den til slutt gå i stykker for å miste i det minste noen av partiklene som gjør den ustabil. Den opprinnelige kjernen kalles forelderen, mens den resulterende kjernen eller kjernene kalles datteren eller døtrene. Døtrene kan fortsatt være radioaktiv , til slutt brytes i flere deler, eller de kan være stabile.
Tre typer radioaktivt forfall
Det er tre former for radioaktivt forfall: hvilken av disse en atomkjerne gjennomgår avhenger av arten av den indre ustabiliteten. Noen isotoper kan forfalle via mer enn én vei.
Alfa-forfall
Ved alfa-forfall sender kjernen ut en alfapartikkel, som i hovedsak er en heliumkjerne (to protoner og to nøytroner), og reduserer atomnummeret til foreldrene med to og massetallet med fire.
Beta-forfall
Ved beta-forfall blir en strøm av elektroner, kalt beta-partikler, kastet ut fra forelderen, og et nøytron i kjernen omdannes til et proton. Massetallet til den nye kjernen er det samme, men atomnummeret øker med én.
Gamma-forfall
Ved gammaforfall frigjør atomkjernen overskuddsenergi i form av høyenergifotoner (elektromagnetisk stråling). Atomnummeret og massetallet forblir det samme, men den resulterende kjernen antar en mer stabil energitilstand.
Radioaktiv vs. stabil
EN radioaktiv isotop er en som gjennomgår radioaktivt forfall. Begrepet 'stabil' er mer tvetydig, da det gjelder elementer som ikke går i stykker, for praktiske formål, over lang tid. Dette betyr at stabile isotoper inkluderer de som aldri går i stykker, som protium (består av ett proton, så det er ingenting igjen å tape), og radioaktive isotoper, som tellur -128, som har en halveringstid på 7,7 x 1024år. Radioisotoper med kort halveringstid kalles ustabile radioisotoper.
Noen stabile isotoper har flere nøytroner enn protoner
Du kan anta at en kjerne i stabil konfigurasjon vil ha samme antall protoner som nøytroner. For mange lettere elementer er dette sant. For eksempel er karbon ofte funnet med tre konfigurasjoner av protoner og nøytroner, kalt isotoper. Antall protoner endres ikke, da dette bestemmer grunnstoffet, men antallet nøytroner gjør det: Karbon-12 har seks protoner og seks nøytroner og er stabil; karbon-13 har også seks protoner, men den har syv nøytroner; karbon-13 er også stabil. Imidlertid er karbon-14, med seks protoner og åtte nøytroner, ustabil eller radioaktiv. Antall nøytroner for en karbon-14 kjerne er for høyt til at den sterke tiltrekningskraften kan holde den sammen på ubestemt tid.
Men når du flytter til atomer som inneholder flere protoner, blir isotoper stadig mer stabile med et overskudd av nøytroner. Dette er fordi nukleonene (protoner og nøytroner) ikke er festet på plass i kjernen, men beveger seg rundt, og protonene frastøter hverandre fordi de alle har en positiv elektrisk ladning. Nøytronene i denne større kjernen virker for å isolere protonene fra virkningene av hverandre.
N:Z-forholdet og magiske tall
Forholdet mellom nøytroner og protoner, eller N:Z-forholdet, er den primære faktoren som avgjør om en atomkjerne er stabil eller ikke. Lettere elementer (Z<20) prefer to have the same number of protons and neutrons or N:Z = 1. Heavier elements (Z = 20 to 83) prefer an N:Z ratio of 1.5 because more neutrons are needed to insulate against the repulsive force between the protons.
Det er også det som kalles magiske tall, som er antall nukleoner (enten protoner eller nøytroner) som er spesielt stabile. Hvis både antall protoner og nøytroner har disse verdiene, kalles situasjonen doble magiske tall. Du kan tenke på dette som kjernen som tilsvarer oktettregel styrer stabiliteten av elektronskall. De magiske tallene er litt forskjellige for protoner og nøytroner:
- Protoner: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
- Nøytroner: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184
For å komplisere stabiliteten ytterligere, er det flere stabile isotoper med partall-til-partall Z:N (162 isotoper) enn partall-til-odd (53 isotoper), enn odd-til-partall (50) enn oddetallsverdier (4).
Tilfeldighet og radioaktivt forfall
En siste merknad: Hvorvidt en kjerne gjennomgår forfall eller ikke er en helt tilfeldig hendelse. Halveringstiden til en isotop er den beste forutsigelsen for et tilstrekkelig stort utvalg av grunnstoffene. Det kan ikke brukes til å gi noen form for spådom om oppførselen til en kjerne eller noen få kjerner.
Kan du bestå en quiz om radioaktivitet ?