Rodzaje rozpadów jądrowych - Open AGH e

Rodzaje rozpadów jądrowych
Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski
Rozpady jądrowe zachodzą zawsze (prędzej czy później) jeśli jądro o pewnej liczbie nukleonów znajdzie się w stanie
energetycznym, nie będącym najniższym możliwym dla układu o tej liczbie nukleonów. Takie nietrwałe (w stanach niestabilnych)
jądra mogą powstać w wyniku reakcji jądrowych. Niektóre reakcje są wynikiem działań laboratoryjnych, inne dokonały się podczas
powstawania naszej części Wszechświata.
Jądra nietrwałe pochodzenia naturalnego są nazywane promieniotwórczymi, a ich rozpady noszą nazwę rozpadów
promieniotwórczych. Rozpady promieniotwórcze dostarczają wielu informacji zarówno o jądrach atomowych ich budowie,
stanach energetycznych, oddziaływaniach ale również wielu zasadniczych informacji o pochodzeniu Wszechświata.
Badając własności promieniotwórczości stwierdzono, że istnieją trzy rodzaje promieniowania alfa ( α), beta( β) i gamma ( γ). Po
dalszych badaniach stwierdzono, że promienie α to jądra helu, promienie γ to fotony, a promienie β to elektrony lub pozytony
(cząstka elementarna dodatnia o masie równej masie elektronu).
Rozpad alfa
Szczególnie ważnym rozpadem promieniotwórczym jest rozpad alfa ( α) występujący zazwyczaj w jądrach o Z ≥ 82. Rozpad alfa
polega na przemianie niestabilnego jądra w nowe jądro przy emisji jądra 4 He tzn. cząstki α.
Zgodnie z Oddziaływanie nukleon-nukleon-Rys. 2 dla ciężkich jąder energia wiązania pojedynczego nukleonu maleje ze wzrostem
liczby masowej, więc zmniejszenie liczby nukleonów (w wyniku wypromieniowania cząstki α) prowadzi do powstania silniej
związanego jądra. Proces zachodzi samorzutnie bo jest korzystny energetycznie. Energia wyzwolona w czasie rozpadu
(energetyczny równoważnik niedoboru masy) jest unoszona przez cząstkę α w postaci energii kinetycznej. Przykładowa reakcja
dla jądra uranu wygląda następująco
238
92 U
4
→ 234
90 Th + 2 He + 4.2MeV
(1)
http://epodreczniki.open.agh.edu.pl/openagh-simulation.php?fileId=999
Rozpad beta
Istnieją optymalne liczby protonów i neutronów, które tworzą jądra najsilniej związane (stabilne). Jądra, których ilość protonów
Z różni się od wartości odpowiadającej stabilnym jądrom o tej samej liczbie masowej A, mogą zmieniać Z w kierunku jąder
stabilnych poprzez rozpad beta ( β).
Jeżeli rozpatrywane jądro ma większą od optymalnej liczbę neutronów to w jądrze takim zachodzi przemiana neutronu w proton
n → p + e− + v̄
(2)
Neutron n rozpada się na proton p, elektron e − i antyneutrino v̄ (cząstka elementarna o zerowym ładunku i praktycznie zerowej
masie spoczynkowej). Ten proces nosi nazwę rozpadu β − (beta minus). Przykładem takiej przemiany jest rozpad uranu 239 U
239 U
→ 239 Np + e− + v̄
(3)
Powstały izotop też nie jest trwały i podlega dalszemu rozpadowi
239
Np → 239 Pu + e− + v̄
(4)
Zauważmy, że w takim procesie liczba protonów Z wzrasta o jeden, a liczba nukleonów A pozostaje bez zmiany. Z kolei, gdy
jądro ma nadmiar protonów to zachodzi proces przemiany protonu w neutron
p → n + e+ + v
Proton p rozpada się na neutron n, pozyton e − i neutrino v (cząstka elementarna o własnościach bardzo zbliżonych do
antyneutrina). Ten proces nosi nazwę rozpadu β + (beta plus). W tym procesie liczba protonów Z maleje o jeden, a liczba
nukleonów A pozostaje bez zmiany.
Pierwiastki powstające w rozpadach alfa i beta są na ogół także promieniotwórcze i ulegają dalszemu rozpadowi. Większość
naturalnych pierwiastków promieniotwórczych można podzielić na trzy grupy, nazywane szeregami promieniotwórczymi. W
szeregu uranu rozpoczynającym się od 238
92 U liczby masowe zmieniają się według wzoru 4n + 2. W szeregu aktynu
232
rozpoczynającym się od 235
92 U liczby masowe zmieniają się według wzoru 4n + 3, a w szeregu toru rozpoczynającym się od 90 Th
liczby masowe są opisane wzorem 4n. Wszystkie trzy szeregi kończą się na trwałych izotopach ołowiu.
Każdy naturalny materiał promieniotwórczy zawiera wszystkie pierwiastki wchodzące w skład danej rodziny i dlatego
promieniowanie wysyłane, np. przez minerały jest bardzo złożone.
ZADANIE
Zadanie 1: Cykl przemian jądrowych
Treść zadania:
Rozpatrzmy cykl przemian, w wyniku których jądro 238 U przechodzi w 234 U. Odpowiedz jakie przemiany miały miejsce i jakie
cząstki (promieniowanie) zostały wyemitowane.
ROZWIĄZANIE:
Jądro 238 U przechodzi w 234 U w wyniku przemiany α i dwóch przemian β − .
239 U
92
→ 234
U + 42 α + 0−1 β + 0−1 β
92
(5)
http://epodreczniki.open.agh.edu.pl/openagh-simulation.php?fileId=1023
Promieniowanie gamma
Rozpadom alfa i beta towarzyszy zazwyczaj emisja wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego zwanego
promieniowaniem gamma ( γ). Ta samoczynna emisja fotonów następuje gdy jądra posiadające nadmiar energii czyli znajdujące
się w stanie wzbudzonym przechodzą do niższych stanów energetycznych. Widmo promieniowania γ ma charakter liniowy tak jak
charakterystyczne promieniowanie X i bardzo wysoką energię, tysiące razy większą od energii fotonów wysyłanych przez atomy.
Jądra w stanie wzbudzonym można również otrzymać za pomocą neutronów o małej energii. Przykładowo, jeżeli skierujemy
wiązkę takich powolnych neutronów na próbkę uranu 238 U, to część neutronów zostanie wychwyconych i powstaną jądra uranu
239
U* w stanie wzbudzonym (oznaczone *). Takie jądra przechodzą do stanu podstawowego emitując kwanty γ. Proces ten
przebiega następująco
n + 238 U → 239 U∗
(6)
U∗ → 239 U + γ
(7)
oraz
239
Podkreślmy, że emisji promieniowania gamma nie towarzyszy zmiana liczby masowej ani liczby atomowej.
Publikacja udostępniona jest na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa - Na tych samych warunkach 3.0 Polska. Pewne
prawa zastrzeżone na rzecz autorów i Akademii Górniczo-Hutniczej. Zezwala się na dowolne wykorzystanie treści publikacji pod
warunkiem wskazania autorów i Akademii Górniczo-Hutniczej jako autorów oraz podania informacji o licencji tak długo, jak tylko
na utwory zależne będzie udzielana taka sama licencja. Pełny tekst licencji dostępny na stronie
http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/pl/.
Czas generacji dokumentu: 2015-07-09 12:00:07
Oryginalny dokument dostępny pod adresem: http://epodreczniki.open.agh.edu.pl/openagh-permalink.php?
link=9f45daf9ff6212738fc96a304b7a61e6
Autor: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski