Radioaktiivinen hajoaminen

Radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu joillekin kemiallisille alkuaineille. Useimmat kemialliset alkuaineet ovat stabiileja. Kemialliset alkuaineet koostuvat atomeista. Stabiileissa alkuaineissa atomi pysyy samana. Jopa kemiallisessa reaktiossa itse atomit eivät muutu koskaan.

1800-luvulla Henri Becquerel havaitsi, että joillakin kemiallisilla alkuaineilla on atomeja, jotka muuttuvat. Vuonna 1898 Marie ja Pierre Curie kutsuivat tätä ilmiötä radioaktiiviseksi hajoamiseksi. Becquerel ja Curiet saivat tästä löydöstä Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1903.

Kolmiomerkkiä käytetään radioaktiivisten aineiden merkitsemiseen.

Esimerkki

Useimpien hiiliatomien ytimessä on kuusi protonia ja kuusi neutronia. Tätä hiiltä kutsutaan hiili-12:ksi (kuusi protonia + kuusi neutronia = 12). Sen atomipaino on 12. Jos hiiliatomilla on kaksi neutronia enemmän, se on hiili-14. Hiili-14 käyttäytyy kemiallisesti kuten muutkin hiilet, koska sen kemialliset ominaisuudet määräytyvät kuuden protonin ja kuuden elektronin perusteella. Itse asiassa hiili-14 esiintyy kaikissa elävissä olennoissa; kaikki kasvit ja eläimet sisältävät hiili-14:tä. Hiili-14 on kuitenkin radioaktiivinen. Se hajoaa beetahajoamalla typpi-14:ksi. Hiili-14 on luonnossa esiintyvissä pienissä määrissä vaaratonta. Arkeologiassa tällaista hiiltä käytetään puun ja muiden entisten elävien olentojen iän määrittämiseen. Menetelmää kutsutaan radiohiiliajoitukseksi.

Erilaiset hajoamiset

Ernest Rutherford havaitsi, että nämä hiukkaset läpäisevät aineen eri tavoin. Hän löysi kaksi erilaista tapaa, joita hän kutsui alfahajoamiseksi ja beetahajoamiseksi. Paul Villard löysi kolmannen lajin vuonna 1900. Rutherford kutsui sitä gammahajoamiseksi vuonna 1903.

Muutos radioaktiivisesta hiili-14:stä stabiiliksi typpi-14:ksi on radioaktiivinen hajoaminen. Se tapahtuu, kun atomi lähettää alfahiukkasen. Alfahiukkanen on energiapulssi, kun elektroni tai positroni lähtee ytimestä.

Myöhemmin löydettiin myös muita hajoamismuotoja. Hajoamistyypit eroavat toisistaan, koska eri hajoamistyypit tuottavat erilaisia hiukkasia. Aloittavaa radioaktiivista ydintä kutsutaan emoytimeksi ja ydintä, johon se muuttuu, tytärytimeksi. Radioaktiivisten aineiden tuottamia suurienergisiä hiukkasia kutsutaan säteilyksi.

Nämä erilaiset hajoamiset voivat tapahtua peräkkäin "hajoamisketjussa". Yksi ydintyyppi hajoaa toiseksi ytimeksi, joka taas hajoaa toiseksi ytimeksi ja niin edelleen, kunnes siitä tulee stabiili isotooppi ja ketju päättyy.

Hajoamisnopeus

Muutoksen nopeus on erilainen kussakin elementissä. Radioaktiivista hajoamista ohjaa sattuma: Puoliintumisaika on aika, joka keskimäärin kuluu siihen, että puolet aineen atomeista muuttuu. Nopeus saadaan eksponenttifunktion avulla. Esimerkiksi jodin (¹³¹ I) puoliintumisaika on noin 8 päivää. Plutoniumin puoliintumisaika vaihtelee 4 tunnista (²⁴³ Pu) 80 miljoonaan vuoteen (²⁴⁴ Pu).

Ydintransformaatiot ja energia

Radioaktiivinen hajoaminen muuttaa atomin, jonka ytimessä on korkeampi energia, matalamman energian atomiksi. Ytimen energian muutos annetaan syntyville hiukkasille. Radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuva energia voi kulkeutua joko gammasäteilynä sähkömagneettisena säteilynä (eräänlaisena valona), beetahiukkasena tai alfahiukkasena. Kaikissa näissä tapauksissa ytimen energianmuutos kulkeutuu pois. Kaikissa näissä tapauksissa atomin protonien ja elektronien positiivisten ja negatiivisten varausten yhteismäärä on nolla ennen ja jälkeen muutoksen.

Alfahajoaminen

Alfahajoamisen aikana atomiydin vapauttaa alfahiukkasen. Alfahajoamisen seurauksena ydin menettää kaksi protonia ja kaksi neutronia. Alfahajoamisen seurauksena atomi muuttuu toiseksi alkuaineeksi, koska atomi menettää kaksi protonia (ja kaksi elektronia). Jos esimerkiksi amerikium kokisi alfahajoamisen, se muuttuisi neptuniumiksi, koska neptuniumin määritelmän mukaan sillä on kaksi protonia vähemmän kuin amerikiumilla. Alfahajoaminen tapahtuu yleensä raskaimmissa alkuaineissa, kuten uraanissa, toriumissa, plutoniumissa ja radiumissa.

Alfahiukkaset eivät voi läpäistä edes muutaman senttimetrin pituista ilmaa. Alfasäteily ei voi vahingoittaa ihmistä, kun alfasäteilylähde on ihmiskehon ulkopuolella, koska ihmisen iho ei päästä alfahiukkasia läpi. Alfasäteily voi olla hyvin haitallista, jos lähde on kehon sisällä, esimerkiksi kun ihmiset hengittävät pölyä tai kaasua, joka sisältää aineita, jotka hajoavat lähettämällä alfahiukkasia (säteilyä).

Beetahajoaminen

Beetahajoamista on kahdenlaista, beeta-plus ja beeta-miinus.

Beeta-minus-hajoamisessa ydin luovuttaa negatiivisesti varautuneen elektronin ja neutroni muuttuu protoniksi:

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

jossa

n 0 {\displaystyle n^{0}} $n^{0}$ on neutroni.

p + {\displaystyle \ p^{+}} $\ p^{+}$ on protoni.

e - {\displaystyle e^{-}} $e^{-}$ on elektronin

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} ${\bar {\nu }}_{e}$ on anti-neutriino...

Beeta-minus-hajoaminen tapahtuu ydinreaktoreissa.

Beetaplus-hajoamisessa ydin vapauttaa positronin, joka on elektronin kaltainen mutta positiivisesti varautunut, ja protoni muuttuu neutroniksi:

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

jossa

p + {\displaystyle \ p^{+}} $\ p^{+}$ on protoni.

n 0 {\displaystyle n^{0}} $n^{0}$ on neutroni.

e + {\displaystyle e^{+}} $e^{+}$ on positroni.

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} ${\nu }_{e}$ on neutriino...

Beta-plus-hajoamista tapahtuu auringon sisällä ja joissakin hiukkaskiihdyttimissä.

Gammahajoaminen

Gammahajoaminen tapahtuu, kun ydin tuottaa suurenergisen energiapaketin, jota kutsutaan gammasäteeksi. Gammasäteillä ei ole sähkövarausta, mutta niillä on kulmavoima. Gammasäteilyä lähtee ytimistä yleensä heti muiden hajoamistyyppien jälkeen. Gammasäteitä voidaan käyttää materiaalin läpinäkemiseen, bakteerien tappamiseen elintarvikkeissa, joidenkin sairauksien löytämiseen ja joidenkin syöpien hoitoon. Gammasäteillä on kaikista sähkömagneettisista aalloista suurin energia, ja avaruudesta tulevat gammasäteilypurkaukset ovat voimakkaimpia tunnettuja energiapurkauksia.