Dezintegrare radioactivă

Majoritatea atomilor de carbon au în nucleu șase protoni și șase neutroni. Acest carbon se numește carbon-12s (șase protoni + șase neutroni = 12). Greutatea sa atomică este 12. Dacă un atom de carbon are încă doi neutroni, acesta este carbon-14. Carbonul-14 se comportă din punct de vedere chimic ca și celelalte tipuri de carbon, deoarece cei șase protoni și șase electroni sunt cei care îi guvernează proprietățile chimice. De fapt, carbonul-14 există în toate ființele vii; toate plantele și animalele conțin carbon-14. Cu toate acestea, carbonul-14 este radioactiv. Acesta se dezintegrează prin dezintegrare beta pentru a deveni azot-14. Carbonul-14, în cantitățile mici care se găsesc în jurul nostru în natură, este inofensiv. În arheologie, acest tip de carbon este folosit pentru a determina vârsta lemnului și a altor ființe care au fost vii. Metoda se numește datare cu radiocarbon.

Ernest Rutherford a descoperit că există diferite moduri în care aceste particule pătrund în materie. El a descoperit două tipuri diferite, pe care le-a numit dezintegrare alfa și dezintegrare beta. Paul Villard a descoperit un al treilea tip în 1900. Rutherford a numit-o dezintegrare gamma, în 1903.

Trecerea de la carbonul-14 radioactiv la azot-14 stabil este o dezintegrare radioactivă. Aceasta are loc atunci când atomul emite o particulă alfa. O particulă alfa este un impuls de energie atunci când un electron sau un pozitron părăsește nucleul.

Ulterior au fost descoperite și alte tipuri de degradare. Tipurile de dezintegrare sunt diferite unele de altele, deoarece diferitele tipuri de dezintegrare produc diferite tipuri de particule. Nucleul radioactiv de plecare se numește nucleu părinte, iar nucleul în care se transformă se numește nucleu fiică. Particulele de mare energie produse de materialele radioactive se numesc radiații.

Aceste diferite tipuri de dezintegrare pot avea loc secvențial într-un "lanț de dezintegrare". Un tip de nucleu se dezintegrează într-un alt tip de nucleu, care se dezintegrează din nou în altul și așa mai departe până când devine un izotop stabil și lanțul se încheie.

Viteza cu care se produce această schimbare este diferită pentru fiecare element. Dezintegrarea radioactivă este guvernată de șansă: Timpul necesar, în medie, pentru ca jumătate din atomii unei substanțe să se schimbe se numește timpul de înjumătățire. Rata este dată de o funcție exponențială. Ca exemplu, iodul (¹³¹ I) are un timp de înjumătățire de aproximativ 8 zile. Cea a plutoniului variază între 4 ore (²⁴³ Pu) și 80 de milioane de ani (²⁴⁴ Pu).

Dezintegrarea radioactivă transformă un atom care are o energie mai mare în interiorul nucleului său într-unul cu o energie mai mică. Schimbarea de energie a nucleului este dată de particulele care sunt create. Energia eliberată prin dezintegrare radioactivă poate fi transportată fie de o radiație electromagnetică de tip gamma (un tip de lumină), fie de o particulă beta sau de o particulă alfa. În toate aceste cazuri, schimbarea de energie a nucleului este transmisă. Și în toate aceste cazuri, numărul total de sarcini pozitive și negative ale protonilor și electronilor atomului este egal cu zero înainte și după schimbare.

În timpul dezintegrării alfa, nucleul atomic eliberează o particulă alfa. Prin dezintegrare alfa, nucleul pierde doi protoni și doi neutroni. Dezintegrarea alfa face ca atomul să se transforme într-un alt element, deoarece atomul pierde doi protoni (și doi electroni). De exemplu, dacă americiul ar trece prin dezintegrare alfa, s-ar transforma în neptuniu, deoarece neptuniul este definit prin faptul că are cu doi protoni mai puțin decât americiul. Dezintegrarea alfa are loc, de obicei, în elementele cele mai grele, cum ar fi uraniul, toriul, plutoniul și radiul.

Particulele alfa nu pot trece nici măcar prin câțiva centimetri de aer. Radiațiile alfa nu pot afecta oamenii atunci când sursa de radiații alfa se află în afara corpului uman, deoarece pielea umană nu permite particulelor alfa să treacă prin ea. Radiațiile alfa pot fi foarte dăunătoare dacă sursa se află în interiorul corpului, cum ar fi atunci când oamenii respiră praf sau gaze care conțin materiale care se descompun prin emiterea de particule alfa (radiații).

Există două tipuri de dezintegrare beta, beta-plus și beta-minus.

În cadrul dezintegrării beta-minus, nucleul cedează un electron încărcat negativ, iar un neutron se transformă într-un proton:

n 0 → p + + e - + + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}} .

unde

n 0 {\displaystyle n^{0}} este neutronul

  p + {\displaystyle \ p^{+}} este protonul

e - {\displaystyle e^{-}} este electronul

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}}_{e}}} este anti-neutrinul

Dezintegrarea beta-minus are loc în reactoarele nucleare.

În cadrul dezintegrării beta-plus, nucleul eliberează un pozitron, care este ca un electron, dar care are sarcină pozitivă, iar un proton se transformă într-un neutron:

  p + → n 0 + e + + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}}} .

unde

  p + {\displaystyle \ p^{+}} este protonul

n 0 {\displaystyle n^{0}} este neutronul

e + {\displaystyle e^{+}} este pozitronul

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} este neutrino

Dezintegrarea beta-plus are loc în interiorul soarelui și în unele tipuri de acceleratoare de particule.

Dezintegrarea gamma are loc atunci când un nucleu produce un pachet de energie de mare energie numit rază gamma. Razele gamma nu au sarcină electrică, dar au moment unghiular. De obicei, razele gamma sunt emise de nuclee imediat după alte tipuri de dezintegrare. Razele gamma pot fi folosite pentru a vedea prin materiale, pentru a distruge bacteriile din alimente, pentru a depista unele tipuri de boli și pentru a trata unele tipuri de cancer. Razele gamma au cea mai mare energie dintre toate undele electromagnetice, iar exploziile de raze gamma din spațiu sunt cele mai energice eliberări de energie cunoscute.