Verschiebungsregel für radioaktiven Zerfall

Radioaktiver Zerfall- ein Prozess, bei dem Elementarteilchen aus dem Kern eines Isotops verloren gehen, wodurch das Isotop zu einem stabileren Element wird. Diese subatomaren Substanzen verlassen das Atom mit enormer Geschwindigkeit. Beim Zerfall des Isotops emittiert es radioaktive Gammastrahlung sowie Alpha- und Betateilchen. Die Erklärung für diesen Prozess ist, dass die meisten Kerne instabil sind. Isotope sind Varianten desselben chemischen Elements mit der gleichen Anzahl an Protonen, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen.

Arten des radioaktiven Alpha- und Betazerfalls. Lesen Sie weiter unten mehr darüber. Beim Alpha-Zerfall wird Helium freigesetzt, das auch Alpha-Teilchen genannt wird; beim Beta-Zerfall verliert der Atomkern ein Elektron und bewegt sich entlang des Periodensystem Eine Position, und Gammastrahlung ist der Zerfall von Kernen unter gleichzeitiger Emission von Photonen oder Gammastrahlen. Im letzteren Fall läuft der Prozess unter Energieverlust ab, jedoch ohne Veränderung des chemischen Elements.

Die radioaktive Zerfallsreaktion verläuft so, dass über einen bestimmten Zeitraum hinweg eine Anzahl von Nukleonen aus dem Kern der Elemente austritt, proportional zur Anzahl der Nukleonen, die noch im Kern verbleiben. Das heißt, je mehr davon noch im Atom verbleiben, desto mehr werden aus ihm herauskommen. Die Zerfallsgeschwindigkeit eines Atoms wird durch die sogenannte Radioaktivitätskonstante bestimmt, die auch als radioaktive Zerfallskonstante bezeichnet wird. Dies ist jedoch nicht das, was in der Physik üblicherweise gemessen wird. Stattdessen wird ein Wert wie die Halbwertszeit verwendet – die Zeit, in der der Kern die Hälfte seiner Nukleonen verliert. Sie hängt von der Art der Substanz ab und kann von winzigen Sekundenbruchteilen bis hin zu Milliarden von Jahren andauern. Mit anderen Worten: Einige Atomkerne können für immer existieren, während andere nur für sehr kurze Zeit existieren können, bevor sie zerfallen.

Das Isotop, das während des Zerfalls das ursprüngliche Isotop war, wird als Elternisotop bezeichnet, und das resultierende Ergebnis wird als Tochterisotop bezeichnet.

Radioaktive Elemente entstehen in den allermeisten Fällen durch eine Kette atomarer Spaltungsreaktionen. Zum Beispiel: Der „Mutterkern“ (Primärkern) zerfällt in mehrere „Tochterkerne“, die sich wiederum teilen. Und diese Kette wird erst dann unterbrochen, wenn sich stabile Isotope bilden. Beispielsweise beträgt die Halbwertszeit von Uran mehr als viereinhalb Milliarden Jahre. In dieser Zeit bildet dieses Element zunächst Thorium, das wiederum zu Palladium wird, und am Ende dieser ganzen langen Kette steht Blei. Oder besser gesagt, sein stabiles Isotop.

Der radioaktive Zerfall weist eine Reihe eigener Merkmale auf. Man kann nicht über sein „schweigen“ Nebenwirkungen" Wenn wir beispielsweise eine Probe eines radioaktiven Isotops entnehmen, erhalten wir infolge seines Zerfalls eine Reihe mit unterschiedlichen Kernmassen. Als Beispiele können viele Spaltketten genannt werden. Radioaktivität ist im Großen und Ganzen ein natürliches Phänomen. Schließlich fand der nukleare Zerfall von Stoffen statt, lange bevor der Mensch diese Mechanismen entdeckte. Die Aktivität dieses Zerfalls führte jedoch zu einem Anstieg des radioaktiven Hintergrunds auf dem gesamten Planeten. Insbesondere aufgrund der künstlichen Beschleunigung solcher natürlicher Prozesse.

Der radioaktive Zerfall bringt für die Menschheit sowohl neue Chancen als auch Gefahren mit sich. Es lohnt sich, sich zumindest an den Prozess zu erinnern, der insbesondere zur Bildung von Radon-222 führt. Dieses Gas ist große Mengen auf dem Planeten gefunden. An sich stellt es keine Gefahr dar, aber nur so lange, bis die Kerne seiner Atome beginnen, in andere Elemente zu zerfallen. Seine Spaltprodukte sind insbesondere in unbelüfteten Bereichen gesundheitsschädlich.

Der radioaktive Zerfall als Prozess kann von Vorteil sein. Aber nur, wenn Sie die Produkte richtig verwenden. Beispielsweise hilft radioaktives Phosphor, in den Körper injiziert, Informationen über den Zustand der Knochen des Patienten zu erhalten. Die von ihm emittierten Strahlen werden von lichtempfindlichen Geräten aufgezeichnet, was es ermöglicht, genaue Bilder mit erfassten Bruchstellen zu erhalten. Der Grad seiner Radioaktivität ist sehr gering und kann dem Menschen keinen Schaden zufügen.

Radioaktiv. Stoffe, die radioaktive Kerne enthalten, werden auch als radioaktiv bezeichnet.

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✪ Arten von Verfall

✪ RADIOAKTIVITÄTSphysik

✪ Lektion 467. Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls

✪ Radioaktivität. Kernreaktionen

✪ Kernkräfte Bindungsenergie der Teilchen im Kern Spaltung von Urankernen Kettenreaktion

Untertitel

Alles, was wir bisher in der Chemie besprochen haben, basiert auf der Stabilität von Elektronen und darauf, wo sie sich befinden. wahrscheinlich , befinden sich in stabilen Schalen. Wenn wir das Atom jedoch weiter untersuchen, stellt sich heraus, dass sich im Atom nicht nur Elektronen befinden und wirken. Wechselwirkungen finden im Kern selbst statt; er ist durch Instabilität gekennzeichnet, die er zu schwächen versucht. Dies wird das Thema unseres Video-Tutorials sein. Tatsächlich ist das Studium dieser Mechanismen nicht im Chemielehrplan für Studienanfänger enthalten, aber dieses Wissen wird definitiv nicht überflüssig sein. Während wir die starke Kernkraft, die Quantenphysik und dergleichen studieren, werden wir uns genauer ansehen, warum die Protonen, Neutronen und Quarks, aus denen die Atomkerne bestehen, auf diese Weise interagieren. Stellen wir uns nun vor, wie ein Kern im Allgemeinen zerfallen kann ... Beginnen wir mit einem Protonenstrahl. Ich werde ein paar zeichnen. Das sind Protonen, und hier wird es Neutronen geben. Ich werde sie in einer passenden Farbe bemalen. Graue Farbe ist das, was Sie brauchen. Hier sind sie also, meine Neutronen. Wie viele Protonen habe ich? Ich habe 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Es wird also 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Neutronen geben. Nehmen wir an, dies ist der Kern eines Atoms. Dies ist übrigens das allererste Video über den Atomkern. Im Allgemeinen ist das Zeichnen eines Atoms tatsächlich sehr schwierig, da es keine klar definierten Grenzen hat. Ein Elektron kann jederzeit und überall sein. Aber wenn wir in 90 % der Fälle über den Ort des Elektrons sprechen, dann ist es der Radius oder Durchmesser des Atoms. Wir wissen seit langem, dass der Kern ein verschwindend kleiner Teil des Volumens der Kugel ist, in der sich das Elektron zu 90 % der Zeit befindet. Und daraus folgt, dass fast alles, was wir sehen, leerer Raum ist. Das alles ist leerer Raum. Ich erwähne dies, weil es sich um einen verschwindend kleinen Fleck handelt, obwohl er nur einen sehr kleinen Bruchteil des Atomvolumens ausmacht, seine Masse fast die gesamte Masse des Atoms ausmacht – das ist sehr wichtig. Das sind keine Atome, das sind keine Elektronen. Wir dringen in den Kern ein. Es stellt sich heraus, dass der Kernel manchmal instabil ist und eine stabilere Konfiguration anstrebt. Auf die Gründe für die Instabilität des Kerns gehen wir nicht näher ein. Aber lassen Sie mich nur sagen, dass es manchmal sogenannte Alphateilchen aussendet. Dieses Phänomen wird Alpha-Zerfall genannt. Schreiben wir es auf. Alpha-Zerfall. Der Kern sendet ein Alphateilchen aus, klingt fantastisch. Es ist einfach eine Ansammlung von Neutronen und Protonen. Ein Alphateilchen besteht aus zwei Neutronen und zwei Protonen. Vielleicht haben sie das Gefühl, dass sie nicht hierher passen, diese zum Beispiel. Und es kommt zu Emission. Sie verlassen den Kern. Betrachten wir einmal, was mit einem Atom passiert, wenn so etwas passiert. Nehmen wir ein zufälliges Element und nennen es E. Es hat P-Protonen. Ich zeichne die Buchstaben in der gleichen Farbe wie die Protonen. Hier sind also die Protonen. Natürlich hat Element E eine Atommassenzahl, die der Summe von Protonen und Neutronen entspricht. Neutronen sind grau. Es kommt zum Alpha-Zerfall. Was passiert mit diesem Element? Was passiert mit diesem Element? Die Anzahl der Protonen wird um zwei reduziert. Daher beträgt die Anzahl der Protonen p minus 2. Und auch die Anzahl der Neutronen nimmt um zwei ab. Hier haben wir also p minus 2, plus unsere Neutronen minus 2, also insgesamt minus 4. Die Masse wird um vier reduziert und das alte Element verwandelt sich in ein neues. Denken Sie daran, dass Elemente durch die Anzahl der Protonen bestimmt werden. Beim Alpha-Zerfall verliert man zwei Neutronen und zwei Protonen, aber es sind die Protonen, die dieses Element in ein anderes umwandeln. Wenn wir dieses Element 1 nennen, was ich auch tun werde, haben wir jetzt ein neues Element, Element 2. Schauen Sie genau hin. Es gibt eine Emission von etwas, das zwei Protonen und zwei Neutronen hat. Daher entspricht seine Masse der Masse von zwei Protonen und zwei Neutronen. Was ist das? Es entsteht etwas mit der Masse vier. Was enthält zwei Protonen und zwei Neutronen? Im Moment habe ich kein Periodensystem der Elemente. Ich habe vergessen, es auszuschneiden und einzufügen, bevor ich dieses Video gedreht habe. Aber Sie werden im Periodensystem schnell ein Element finden, das zwei Protonen hat, und dieses Element ist Helium. Seine Atommasse beträgt tatsächlich vier. Tatsächlich wird beim Alpha-Zerfall der Heliumkern emittiert. Dies ist ein Heliumkern. Da es sich um einen Heliumkern handelt, verfügt er über keine Elektronen, die die Ladung der Protonen neutralisieren könnten, er ist ein Ion. Es hat keine Elektronen. Es hat nur zwei Protonen, also hat es eine Ladung von plus 2. Lassen Sie uns die Ladung signieren. Ein Alphateilchen ist einfach ein Heliumion, ein Heliumion mit einer Ladung von plus 2, das vom Kern spontan emittiert wird, um einen stabileren Zustand zu erreichen. Dies ist eine Art von Verfall. Jetzt andere... Lassen Sie uns einen weiteren Kern zeichnen. Ich werde Neutronen zeichnen. Ich werde Protonen zeichnen. Manchmal stellt sich heraus, dass sich das Neutron unangenehm anfühlt. Er schaut sich an, was die Protonen jeden Tag machen und sagt: Weißt du was? Wenn ich mir selbst zuhöre, habe ich irgendwie das Gefühl, dass ich eigentlich ein Proton sein sollte. Wenn ich ein Proton wäre, wäre der gesamte Kern etwas stabiler. Und was macht es, um ein Proton zu werden? Denken Sie daran, dass ein Neutron eine neutrale Ladung hat? Das ist es, was es tut, es sendet ein Elektron aus. Das scheint verrückt. Elektronen in Neutronen und so. Und ich stimme dir zu. Das ist Wahnsinn. Und eines Tages werden wir alles untersuchen, was sich im Kern befindet. Nehmen wir zunächst einmal an, dass ein Neutron ein Elektron emittieren kann. Und genau das tut er. Hier ist also das Elektron. Wir gehen davon aus, dass seine Masse Null ist... Tatsächlich ist das nicht so, aber wir sprechen jetzt von Einheiten der Atommasse. Wenn die Masse eines Protons eins beträgt, ist die Masse eines Elektrons 1836-mal kleiner. Daher gehen wir davon aus, dass seine Masse Null ist. Auch wenn das nicht stimmt. Und seine Ladung beträgt minus 1. Kehren wir also zum Prozess zurück. Ein Neutron emittiert ein Elektron. Natürlich bleibt das Neutron nicht neutral, sondern verwandelt sich in ein Proton. Dies wird Beta-Zerfall genannt. Schreiben wir das auf. Beta-Zerfall. Und ein Betateilchen ist eigentlich nur ein emittiertes Elektron. Kehren wir zu unserem Element zurück. Es verfügt über eine bestimmte Anzahl von Protonen und Neutronen. Zusammen ergeben sie die Massenzahl. Was passiert, wenn es einem Betazerfall unterliegt? Ändert sich die Anzahl der Protonen? Natürlich haben wir ein Proton mehr als wir hatten, weil sich ein Neutron in ein Proton verwandelt hat. Die Anzahl der Protonen hat sich um 1 erhöht. Hat sich die Massenzahl verändert? Mal sehen. Die Zahl der Neutronen nahm um eins ab und die Zahl der Protonen nahm um eins zu. Daher hat sich die Massenzahl nicht geändert. Es ist immer noch P plus N, was bedeutet, dass die Masse im Gegensatz zum Alpha-Zerfall gleich bleibt, aber das Element selbst verändert sich. Die Anzahl der Protonen ändert sich. Durch den Betazerfall erhalten wir wieder ein neues Element. Jetzt ist die Situation anders. Nehmen wir an, eines dieser Protonen schaut auf die Neutronen und sagt: Wissen Sie was? Ich sehe, wie sie leben. Ich liebe es. Ich denke, ich würde mich wohler fühlen und unsere Gruppe von Teilchen im Kern wäre glücklicher, wenn ich auch ein Neutron wäre. Wir wären alle in einem stabileren Zustand. Und was macht er? Dieses gestörte Proton hat die Möglichkeit, ein Positron statt eines Protons auszusenden. Es sendet ein Positron aus. Und was ist das? Dabei handelt es sich um ein Teilchen, das genau die gleiche Masse wie ein Elektron hat. Das heißt, seine Masse ist 1836-mal kleiner als die Masse eines Protons. Aber hier schreiben wir einfach Null, weil es in atomaren Masseneinheiten gegen Null geht. Aber das Positron hat positive Ladung. Was ein wenig verwirrend ist, ist, dass dort immer noch e steht. Wenn ich das e sehe, denke ich, dass es ein Elektron ist. Aber nein, dieses Teilchen wird mit e bezeichnet, weil es vom gleichen Teilchentyp ist, aber statt einer negativen Ladung eine positive Ladung hat. Das ist ein Positron. Lass uns unterschreiben. Mit der Art von Teilchen und Materie, die wir betrachten, beginnt etwas Ungewöhnliches zu passieren. Aber das ist eine Tatsache. Und wenn ein Proton dieses Teilchen aussendet, dann geht praktisch seine positive Ladung mit und dieses Proton verwandelt sich in ein Neutron. Dies nennt man Positronenemission. Positronenemission kann man sich leicht vorstellen. Der Name ist Programm. Wieder Element E, mit einer bestimmten Anzahl an Protonen und Neutronen. Was soll dieses neue Element sein? Er verliert ein Proton. P minus 1. Es verwandelt sich in ein Neutron. Das heißt, die Anzahl von P nimmt um eins ab. Die Zahl N erhöht sich um eins. Daher ändert sich die Masse des gesamten Atoms nicht. Es wird P plus N sein. Aber wir sollten noch ein anderes Element haben, oder? Beim Betazerfall nimmt die Zahl der Protonen zu. Wir sind im Periodensystem nach rechts gerückt oder gestiegen, Sie wissen, was ich meine. Bei Positronenemission nimmt die Zahl der Protonen ab. Sie müssen dies in beiden Reaktionen aufschreiben. Das ist also eine Positronenemission, und es ist noch ein Positron übrig. Und bei unserem Betazerfall bleibt ein Elektron übrig. Die Reaktionen sind genau gleich geschrieben. Sie wissen, dass es ein Elektron ist, weil es eine Ladung von minus 1 hat. Sie wissen, dass es ein Positron ist, weil es eine Ladung von plus 1 hat. Damit bleibt noch eine letzte Zerfallsart, die Sie kennen sollten. Es ändert jedoch nichts an der Anzahl der Protonen oder Neutronen im Kern. Es setzt einfach eine riesige Menge Energie frei, manchmal auch ein hochenergetisches Proton. Dieses Phänomen wird Gammazerfall genannt. Gammazerfall bedeutet, dass diese Teilchen ihre Konfiguration ändern. Sie kommen ein wenig näher. Und je näher sie kommen, desto mehr Energie wird in der Form freigesetzt elektromagnetische Strahlung mit sehr kurzer Wellenlänge. Im Wesentlichen kann man es als Gammateilchen oder Gammastrahl bezeichnen. Das ist ultrahohe Energie. Gammastrahlen sind sehr gefährlich. Sie können dich töten. Es war alles Theorie. Lassen Sie uns nun ein paar Probleme lösen und herausfinden, mit welcher Art von Verfall wir es zu tun haben. Hier habe ich Beryllium-7, wobei sieben die Atommasse ist. Und ich verwandle es in Lithium-7. Also, was ist hier los? Die Masse des Berylliumkerns bleibt unverändert, die Zahl der Protonen sinkt jedoch von vier auf drei. Die Zahl der Berylliumprotonen ist zurückgegangen. Die Gesamtmasse hat sich nicht verändert. Dies ist sicherlich kein Alpha-Zerfall. Wie Sie wissen, ist der Alpha-Zerfall die Freisetzung von Helium aus dem Kern. Was fällt also auf? Eine positive Ladung, ein Positron, wird freigesetzt. Dies wird hier anhand der Gleichung veranschaulicht. Das ist ein Positron. Daher handelt es sich bei dieser Art des Zerfalls von Beryllium-7 zu Lithium-7 um Positronenemission. Alles klar. Schauen wir uns nun das folgende Beispiel an. Uran-238 zerfällt zu Thorium-234. Und wir sehen, dass die Atommasse um 4 abnimmt, und wir sehen, dass die Ordnungszahl abnimmt, die Anzahl der Protonen um 2 abnimmt. Wahrscheinlich wurde etwas freigesetzt, das dies getan hat Atommasse vier, und die Ordnungszahl ist zwei, also Helium. Das ist also Alpha-Zerfall. Hier ist ein Alphateilchen. Dies ist ein Beispiel für den Alpha-Zerfall. Aber so einfach ist es nicht. Denn wenn von 92 Protonen noch 90 Protonen übrig sind, sind hier immer noch 92 Elektronen übrig. Wird die Gebühr jetzt minus 2 betragen? Und außerdem besitzt das freigesetzte Helium keine Elektronen. Es ist nur ein Heliumkern. Wird die Gebühr also plus 2 betragen? Wenn Sie diese Frage stellen, haben Sie vollkommen Recht. Tatsächlich hat das Thorium jedoch im Moment des Zerfalls keinen Grund mehr, diese beiden Elektronen festzuhalten, sodass diese beiden Elektronen verschwinden und das Thorium wieder neutral wird. Und Helium reagiert auf die gleiche Weise sehr schnell. Es braucht wirklich zwei Elektronen, um stabil zu sein, also schnappt es sich sehr schnell zwei Elektronen und wird stabil. Sie können dies auf beliebige Weise schreiben. Schauen wir uns ein anderes Beispiel an. Ich habe hier Jod. Bußgeld. Mal sehen was passiert. Die Masse ändert sich nicht. Protonen müssen sich in Neutronen verwandeln oder Neutronen müssen sich in Protonen verwandeln. Wir sehen, dass ich hier 53 Protonen habe und hier 54. Offenbar hat sich ein Neutron in ein Proton verwandelt. Das Neutron verwandelte sich offenbar in ein Proton. Und das Neutron verwandelt sich in ein Proton und emittiert ein Elektron. Und wir sehen es bei dieser Reaktion. Das Elektron wurde freigesetzt. Das ist also Beta-Zerfall. Dies ist ein Betateilchen. Unterzeichnet. Es gilt die gleiche Logik. Moment, statt 53 gibt es 54 Protonen. Habe ich, nachdem ich ein weiteres Proton hinzugefügt habe, immer noch eine positive Ladung? Ja, es wird. Aber sehr bald – vielleicht nicht nur diese Elektronen, es sind so viele Elektronen unterwegs – werde ich mir irgendwo Elektronen schnappen, um stabil zu werden, und ich werde wieder stabil werden. Aber Sie werden völlig Recht haben, wenn Sie die Frage stellen: Wird das Teilchen für einen kleinen Bruchteil der Zeit zu einem Ion? Schauen wir uns ein anderes Beispiel an. Radon-222, Ordnungszahl 86, das sich in Polonium -218, Ordnungszahl 84, umwandelt. Ein interessanter kleiner Exkurs. Polonium ist nach Polen benannt, weil Marie Curie, die es entdeckte, zu dieser Zeit, etwa im späten 19. Jahrhundert, von dort stammte – Polen existierte noch nicht als eigenständiges Land. Sein Territorium wurde zwischen Preußen, Russland und Österreich aufgeteilt. Und die Polen wollten wirklich, dass die Menschen wissen, dass sie ein Volk sind. Sie machten die Entdeckung, dass beim Zerfall von Radon dieses Element entsteht. Und sie benannten es zu Ehren ihrer Heimat Polen. Es ist das Privileg, neue Elemente zu entdecken. Aber kommen wir zurück zur Aufgabe. Also was ist passiert? Die Atommasse verringerte sich um vier. Die Ordnungszahl hat sich um zwei verringert. Ich wiederhole es noch einmal, offenbar wurde ein Heliumteilchen freigesetzt. Der Heliumkern hat eine Atommasse von vier und eine Ordnungszahl von zwei. Alles klar. Das ist also Alpha-Zerfall. Sie können schreiben, dass dies ein Heliumkern ist. Es hat keine Elektronen. Wir können sogar sofort sagen, dass es so sein wird negative Ladung, aber dann verliert es es. Untertitel von der Amara.org-Community

Theorie

Der Kern, der einem radioaktiven Zerfall unterliegt, und der Kern, der aus diesem Zerfall entsteht, werden Mutter- bzw. Tochterkern genannt. Die Änderung der Massenzahl und Ladung des Tochterkerns relativ zum Mutterkern wird durch die Verschiebungsregel von Soddy beschrieben.

Der mit der Emission von Alphateilchen einhergehende Zerfall wurde Alphazerfall genannt; Zerfall, der mit der Emission von Betateilchen einhergeht, wurde Betazerfall genannt (heute ist bekannt, dass es Arten von Betazerfall ohne Emission von Betateilchen gibt, der Betazerfall geht jedoch immer mit der Emission von Neutrinos oder Antineutrinos einher). Der Begriff „Gammazerfall“ wird selten verwendet; Die Emission von Gammastrahlen durch einen Kern wird üblicherweise als isomerer Übergang bezeichnet. Gammastrahlung geht häufig mit anderen Zerfallsarten einher, wenn infolge der ersten Zerfallsstufe ein Tochterkern in einem angeregten Zustand erscheint, der dann unter Emission von Gammastrahlen in den Grundzustand übergeht.

Kerne mit gleicher Massenzahl A(Isobaren) können sich durch Betazerfall ineinander umwandeln. Jede Isobarenkette enthält 1 bis 3 betastabile Nuklide (sie können keinen Betazerfall durchlaufen, sind aber nicht unbedingt stabil gegenüber anderen Arten des radioaktiven Zerfalls). Die übrigen Kerne der Isobarenkette sind beta-instabil; Durch aufeinanderfolgende Beta-Minus- oder Beta-Plus-Zerfälle verwandeln sie sich in das nächste betastabile Nuklid. Kerne, die sich in einer isobaren Kette zwischen zwei betastabilen Nukliden befinden, können sowohl einen β −- als auch einen β + -Zerfall (oder Elektroneneinfang) erfahren. Beispielsweise ist das natürlich vorkommende Radionuklid Kalium-40 in der Lage, in benachbarte betastabile Kerne Argon-40 und Calcium-40 zu zerfallen:

19 40 K + e − → 18 40 Ar + ν e , (\displaystyle ()_(19)^(40)(\textrm (K))+e^(-)\rightarrow ()_(18)^( 40)(\textrm (Ar))+\nu _(e),) 19 40 K → 18 40 Ar + e + + ν e , (\displaystyle ()_(19)^(40)(\textrm (K))\rightarrow ()_(18)^(40)(\textrm ( Ar))+e^(+)+\nu _(e),) 19 40 K → 20 40 Ca + e − + ν ¯ e . (\displaystyle ()_(19)^(40)(\textrm (K))\rightarrow ()_(20)^(40)(\textrm (Ca))+e^(-)+(\bar ( \nu ))_(e).)

Geschichte der Entdeckung

Radioaktivität wurde 1896 vom französischen Physiker A. Becquerel entdeckt. Er untersuchte den Zusammenhang zwischen Lumineszenz und den kürzlich entdeckten Röntgenstrahlen.

Becquerel hatte eine Idee: Wird nicht jede Lumineszenz von Röntgenstrahlen begleitet? Um seine Vermutung zu überprüfen, nahm er mehrere Verbindungen, darunter eines der Uransalze, die mit gelbgrünem Licht phosphoreszieren. Ich zünde es an Sonnenlicht, wickelte er das Salz in schwarzes Papier ein und legte es in einem dunklen Schrank auf eine ebenfalls in schwarzes Papier gewickelte Fotoplatte. Nach einiger Zeit sah Becquerel beim Entwickeln der Platte tatsächlich das Bild eines Salzstücks. Aber Lumineszenzstrahlung konnte schwarzes Papier nicht durchdringen, und nur Röntgenstrahlen konnten die Platte unter diesen Bedingungen beleuchten. Becquerel wiederholte das Experiment mehrmals und mit gleichem Erfolg.

Anschließend testete Becquerel andere Uranverbindungen und Mineralien (einschließlich solcher, die keine Phosphoreszenz aufwiesen) sowie metallisches Uran. Die Aufnahme war ausnahmslos überbelichtet. Indem Becquerel ein Metallkreuz zwischen Salz und Teller platzierte, erhielt er schwache Umrisse des Kreuzes auf dem Teller. Dann wurde klar, dass neue Strahlen entdeckt worden waren, die undurchsichtige Objekte durchdrangen, aber keine Röntgenstrahlen waren.

Becquerel stellte fest, dass die Strahlungsintensität nur von der Uranmenge im Präparat bestimmt wird und völlig unabhängig davon ist, in welchen Verbindungen es enthalten ist. Somit war diese Eigenschaft nicht den Verbindungen inhärent, sondern dem chemischen Element Uran.

Becquerel teilt seine Entdeckung mit den Wissenschaftlern, mit denen er zusammengearbeitet hat. Im Jahr 1898 entdeckten Marie Curie und Pierre Curie die Radioaktivität von Thorium, und später entdeckten sie radioaktive Elemente Polonium und Radium.

Sie fanden heraus, dass alle Uranverbindungen und vor allem Uran selbst die Eigenschaft natürlicher Radioaktivität besitzen. Becquerel wandte sich wieder den Leuchtstoffen zu, die ihn interessierten. Zwar machte er eine weitere wichtige Entdeckung im Zusammenhang mit Radioaktivität. Ein Tag für öffentliche Vorlesung Becquerel brauchte eine radioaktive Substanz, er nahm sie von den Curies und steckte das Reagenzglas in seine Westentasche. Nach einem Vortrag gab er das radioaktive Medikament den Besitzern zurück und entdeckte am nächsten Tag unter seiner Westentasche eine Hautrötung in Form eines Reagenzglases an seinem Körper. Becquerel erzählte Pierre Curie davon und er experimentierte an sich selbst: Er trug zehn Stunden lang ein Reagenzglas mit Radium an seinem Unterarm. Einige Tage später entwickelte sich auch eine Rötung, die sich dann zu einem schweren Geschwür entwickelte, unter dem er zwei Monate lang litt. Dies war das erste Mal, dass die biologischen Auswirkungen der Radioaktivität entdeckt wurden.

Aber auch danach erledigten die Curies mutig ihre Aufgabe. Es genügt zu sagen, dass Marie Curie an der Strahlenkrankheit starb (sie wurde jedoch 66 Jahre alt).

1955 wurden sie untersucht Notizbücher Marie Curie. Sie strahlen immer noch, danke radioaktive Kontamination beim Ausfüllen eingegeben. Eines der Blätter trägt den radioaktiven Fingerabdruck von Pierre Curie.

Gesetz des radioaktiven Zerfalls

Gesetz des radioaktiven Zerfalls- ein Gesetz, das von Frederick Soddy und Ernest Rutherford experimentell entdeckt und 1903 formuliert wurde. Moderner Gesetzestext:

d N d t = − λ N , (\displaystyle (\frac (dN)(dt))=-\lambda N,)

was bedeutet, dass die Anzahl der Zerfälle pro Zeitintervall ist T in einer beliebigen Substanz ist proportional zur Zahl N radioaktive Atome einer bestimmten Art, die in der Probe vorhanden sind.

In diesem mathematischen Ausdruck ist λ die Zerfallskonstante, die die Wahrscheinlichkeit des radioaktiven Zerfalls pro Zeiteinheit charakterisiert und die Dimension −1 hat. Das Minuszeichen zeigt eine Abnahme der Anzahl radioaktiver Kerne im Laufe der Zeit an. Das Gesetz drückt die Unabhängigkeit des Zerfalls radioaktiver Kerne voneinander und von der Zeit aus: Die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls eines bestimmten Kerns in jeder nachfolgenden Zeiteinheit hängt nicht von der Zeit ab, die seit Beginn des Experiments vergangen ist die Anzahl der in der Probe verbleibenden Kerne.

Dieses Gesetz gilt als das Grundgesetz der Radioaktivität. Daraus wurden mehrere wichtige Konsequenzen gezogen, einschließlich der Formulierung der Zerfallseigenschaften: durchschnittliche Lebensdauer eines Atoms und Halbwertszeit.

Die Zerfallskonstante eines radioaktiven Kerns ist in den meisten Fällen praktisch unabhängig von den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Druck, chemische Zusammensetzung Substanzen usw.). Beispielsweise zerfällt festes Tritium T2 bei einer Temperatur von einigen Kelvin mit der gleichen Geschwindigkeit wie gasförmiges Tritium bei Raumtemperatur oder einer Temperatur von Tausenden Kelvin; Tritium im T2-Molekül zersetzt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie in tritiiertem Valin. Schwache Änderungen der Zerfallskonstante unter Laborbedingungen wurden nur beim Elektroneneinfang festgestellt – die im Labor verfügbaren Temperaturen und Drücke sowie Änderungen in der chemischen Zusammensetzung können die Dichte der den Kern umgebenden Elektronenwolke geringfügig verändern, was dazu führt eine Änderung der Zerfallsrate um den Bruchteil eines Prozents. Allerdings ist es unter ziemlich rauen Bedingungen (hohe Ionisierung des Atoms, hohe Elektronendichte, hohes chemisches Potenzial von Neutrinos, starke Magnetfelder) im Labor schwer zu erreichen, wird aber beispielsweise in den Kernen von Sternen anderer Arten realisiert Zerfälle können auch ihre Wahrscheinlichkeit verändern.

Die Konstanz der radioaktiven Zerfallskonstante ermöglicht es, das Alter verschiedener natürlicher und künstlicher Objekte anhand des Zerfalls ihrer radioaktiven Kerne und der Ansammlung von Zerfallsprodukten zu messen. Es wurden eine Reihe von Radioisotopendatierungsmethoden entwickelt, die es ermöglichen, das Alter von Objekten im Bereich von Einheiten bis Milliarden von Jahren zu messen; Unter ihnen sind die Radiokohlenstoffmethode, die Uran-Blei-Methode, die Uran-Helium-Methode, die Kalium-Argon-Methode usw. die bekanntesten.

Arten von Partikeln, die beim radioaktiven Zerfall emittiert werden

Strahlen erster Art werden auf die gleiche Weise abgelenkt wie ein Strom positiv geladener Teilchen; sie wurden α-Strahlen genannt;
Strahlen der zweiten Art werden in einem Magnetfeld üblicherweise auf die gleiche Weise abgelenkt wie ein Strom negativ geladener Teilchen, sie wurden β-Strahlen genannt (es gibt jedoch Positronen-Betastrahlen, die in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt werden);
Strahlen der dritten Art, die nicht abgelenkt werden Magnetfeld, genannt γ-Strahlung.

Obwohl in der Forschung auch andere Arten von Partikeln entdeckt wurden, die beim radioaktiven Zerfall freigesetzt werden, wurden die aufgeführten Namen bis heute beibehalten, da die entsprechenden Zerfallsarten am häufigsten vorkommen.

Wenn ein zerfallender Kern mit einer Elektronenhülle wechselwirkt, können Teilchen (Röntgenphotonen, Auger-Elektronen, Konversionselektronen) aus der Elektronenhülle emittiert werden. Die ersten beiden Arten von Strahlung entstehen, wenn in der Elektronenhülle eine Lücke entsteht (insbesondere beim Einfangen von Elektronen und während eines isomeren Übergangs mit Emission eines Umwandlungselektrons) und die anschließende Kaskadenfüllung dieser Lücke. Bei einem Isomerenübergang mit innerer Umwandlung wird ein Konversionselektron emittiert, wenn die beim Übergang zwischen Kernniveaus freigesetzte Energie nicht von einem Gammaquant abtransportiert, sondern auf eines der Schalenelektronen übertragen wird.

Der Alpha-Zerfall findet in der Regel in schweren Kernen mit einer Massenzahl statt A≥ 140 (obwohl es einige Ausnahmen gibt). Im Inneren schwerer Kerne bilden sich aufgrund der Sättigungseigenschaft der Kernkräfte isolierte α-Teilchen, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Das resultierende α-Teilchen unterliegt größeren Coulomb-Abstoßungskräften von den Protonen des Kerns als von einzelnen Protonen. Gleichzeitig erfährt das Alphateilchen eine geringere nukleare Anziehungskraft auf die Nukleonen des Kerns als andere Nukleonen. Das an der Kerngrenze entstehende Alphateilchen wird von der Potentialbarriere nach innen reflektiert, kann diese aber mit einiger Wahrscheinlichkeit überwinden (siehe Tunneleffekt) und herausfliegen. Wenn die Energie des Alpha-Teilchens abnimmt, nimmt die Durchlässigkeit der Potentialbarriere sehr schnell (exponentiell) ab, sodass sich die Lebensdauer von Kernen mit weniger verfügbarer Alpha-Zerfallsenergie verringert gleiche Bedingungen mehr.

Soddys Verschiebungsregel für den α-Zerfall:

Z A X → Z − 2 A − 4 Y + 2 4 He . (\displaystyle ()_(Z)^(A)(\textrm (X))\rightarrow ()_(Z-2)^(A-4)(\textrm (Y))+()_(2) ^(4)(\textrm (He)).)

Beispiel (Alpha-Zerfall von Uran-238 zu Thorium-234):

92 238 U → 90 234 Th + 2 4 He. (\displaystyle ()_(92)^(238)(\textrm (U))\rightarrow ()_(90)^(234)(\textrm (Th))+()_(2)^(4) (\textrm (Er)).)

Durch den α-Zerfall verschiebt sich das Atom um 2 Zellen an den Anfang des Periodensystems (also der Kernladung). Z um 2 abnimmt), nimmt die Massenzahl des Tochterkerns um 4 ab.

Beta-Zerfall

in einem von u-Quarks in einem der Protonen des Kerns D-Quark; Es ist zu beachten, dass ein freies Proton nicht in ein Neutron zerfallen kann, da dies durch das Energieerhaltungsgesetz verboten ist ein Neutron ist schwerer als ein Proton; Im Kern ist ein solcher Vorgang jedoch möglich, wenn der Massenunterschied zwischen Mutter- und Tochteratom positiv ist. Positronenzerfall Stets begleitet von einem konkurrierenden Prozess – der elektronischen Erfassung; Dabei fängt der Kern ein Elektron aus der Atomhülle ein und emittiert ein Neutrino, wobei gleichzeitig auch die Ladung des Kerns um eins abnimmt. Das Gegenteil ist jedoch nicht der Fall: Für viele Nuklide, die einen Elektroneneinfang (ε-Einfang) erfahren, ist der Positronenzerfall durch das Energieerhaltungsgesetz verboten. Je nachdem, in welcher der Elektronenhüllen des Atoms (K, L, M, ...) das Elektron beim ε-Einfang eingefangen wird, wird der Vorgang als K-Einfang, L-Einfang, M-Einfang, ... bezeichnet. ; Bei Vorhandensein geeigneter Schalen und ausreichender Zerfallsenergie konkurrieren sie alle normalerweise miteinander, am wahrscheinlichsten ist jedoch ein K-Einfang, da die Elektronenkonzentration in der K-Schale in der Nähe des Kerns höher ist als in weiter entfernten Schalen. Nach dem Einfangen eines Elektrons wird die entstandene Lücke in der Elektronenschale durch den Übergang eines Elektrons von einer höheren Schale gefüllt. Dieser Prozess kann kaskadenartig erfolgen (nach dem Übergang verschwindet die Lücke nicht, sondern wird in eine höhere Schale verschoben). und die Energie wird durch Röntgenphotonen abtransportiert und/oder): 4 7 Be + e − → 3 7 Li + ν e . (\displaystyle ()_(4)^(7)(\textrm (Be))+e^(-)\rightarrow ()_(3)^(7)(\textrm (Li))+\nu _( e).)

Nach dem Positronenzerfall und dem ε-Einfang verschiebt sich das Element um 1 Zelle an den Anfang des Periodensystems (die Ladung des Kerns nimmt um eins ab), während sich die Massenzahl des Kerns nicht ändert.

Doppelter Betazerfall

Die seltenste aller bekannten Arten des radioaktiven Zerfalls ist der doppelte Betazerfall; er wurde heute nur für elf Nuklide entdeckt und die Halbwertszeit beträgt für jedes dieser Nuklide mehr als 10 19 Jahre. Je nach Nuklid kann es zu einem doppelten Betazerfall kommen:

mit einer Erhöhung der Kernladung um 2 (in diesem Fall werden zwei Elektronen und zwei Antineutrinos emittiert, 2β − Zerfall)
mit einer Abnahme der Kernladung um 2, während zwei Neutrinos emittiert werden und
- zwei Positronen (Zwei-Positronen-Zerfall, 2β+-Zerfall)
- Die Emission eines Positrons geht mit dem Einfangen eines Elektrons aus der Hülle einher (Elektron-Positron-Umwandlung oder εβ + -Zerfall).
- Es werden zwei Elektronen eingefangen (doppelter Elektroneneinfang, 2ε-Einfang).

Neutrinoloser doppelter Betazerfall wurde vorhergesagt, aber noch nicht entdeckt.

, 2H, 3H und 3He). Erregte Zustände können bevölkert werden, wenn Kernreaktionen oder radioaktiver Zerfall anderer Kerne. Die meisten angeregten Zustände haben eine sehr kurze Lebensdauer (weniger als eine Nanosekunde). Es gibt jedoch auch ziemlich langlebige Zustände (deren Lebensdauer in Mikrosekunden, Tagen oder Jahren gemessen wird), die als isomer bezeichnet werden, obwohl die Grenze zwischen ihnen und kurzlebigen Zuständen sehr willkürlich ist. Isomere Zustände von Kernen zerfallen in der Regel in den Grundzustand (manchmal über mehrere Zwischenzustände). Dabei werden eine oder mehrere Gammastrahlen emittiert; Die Anregung des Kerns kann auch durch die Emission von Konversionselektronen aus der Atomhülle aufgehoben werden. Isomere Zustände können auch durch gewöhnliche Beta- und Alpha-Zerfälle zerfallen.

Betrachten wir den zweiten Fall am Beispiel des Zerfalls des Chlor-17-Isotops, dessen Diagramm in Abbildung 7 dargestellt ist.

Aus dem Diagramm geht hervor, dass der tatsächliche b-Zerfall von Chlor-17 auf drei Arten erfolgen kann (blaue Linien).

Im ersten Fall entsteht im Grundzustand das Atom des Tochternuklids Argon-18. Damit ist der Akt des Einzelzerfalls abgeschlossen.

Im zweiten Fall entsteht das Tochternuklidatom in einem angeregten Zustand (Anregungsenergie beträgt 2,170 MeV). Ein Atom bleibt für eine begrenzte Zeit in einem angeregten Zustand, danach geht es in den Grundzustand über und emittiert ein g-Quantum. Die Energie dieses Quants ist genau gleich der Anregungsenergie.

Im dritten Fall entsteht auch das Tochternuklidatom im angeregten Zustand (Anregungsenergie beträgt 3,77 MeV). Anders als im zweiten Fall kann das Atom des Tochternuklids hier jedoch auf zwei Arten in den Grundzustand übergehen.

Erstens kann das Atom sofort in den Grundzustand übergehen, indem es ein Gammaquant mit einer Energie von 3,77 MeV emittiert. Die Wahrscheinlichkeit eines solchen Übergangs ist gering und nur 0,06 % der Atome „gehen“ diesen Weg.

Zweitens (die überwiegende Mehrheit der Atome - 99,94 %) geht diesen Weg, ein Atom kann zunächst ein g-Quantum mit einer Energie von 1,60 MeV emittieren und in einen Zustand mit einer niedrigeren Anregungsenergie übergehen und dann nach einiger Zeit gehen in den Grundzustand über und emittieren ein g-Quantum mit einer Energie von 2,17 MeV. Eine solche sequentielle Emission von g-Quanten wird als g-Kaskade bezeichnet.

Es ist offensichtlich, dass das Energiespektrum von g-Quanten in in diesem Fall Wille regiert. Das Spektrum wird drei Linien mit Energien von 1,60 MeV, 2,17 MeV und 3,77 MeV haben.

Wenn die Atome des Tochternuklids nur im Grundzustand gebildet werden, dann ist es in diesem Fall das Mutternuklid sauber ein a- oder b-Strahler, aber es wird keine g-Strahlung geben.

Ein Beispiel ist der Zerfall von Polonium-210 (reiner a-Strahler), dessen Diagramm in Abb. 8 dargestellt ist.

Bei der Emission von Gammaquanten kann die Photonenenergie zwischen 5 KeV und 7 MeV liegen, wobei die untere Grenze im Bereich charakteristischer Röntgenstrahlung liegt.

Aufgrund der Tatsache, dass G-Quanten beides nicht haben elektrische Ladung, noch die Ruhemasse, führt die Emission von g-Quanten nicht zu einer Änderung der Anzahl der Nukleonen A und der Ladung des Kerns Z.

Quantum mit Energie D E gleich der Differenz zwischen den Energien des Tochternuklidkerns im anfänglichen (angeregten) E 2 und E 1-Endenergie (hauptsächlich oder mit einer niedrigeren Anregungsenergie angeregt):

D E = E 2 - E 1 = E g

Es ist nicht immer möglich, das Atom zu verlassen.

Es interagiert oft mit einem der Hüllenelektronen des Atoms. Ist die Energie D E größer als die Bindungsenergie des Elektrons E St, dann hat das Elektron eine Chance, das Atom zu verlassen. Solche Elektronen nennt man Umwandlungselektronen. Offensichtlich ist die Energie solcher Elektronen dieselbe wie die Energie von g-Quanten diskret:

E e = E g - E st - E abt

wobei E die Rückstoßenergie des Tochternuklids ist (siehe Abb. 9).


Reis. 9 Erläuterung des Begriffs „Rückstoß“

In den meisten Fällen handelt es sich bei den Konversionselektronen um die Elektronen der K-Schale, die dem Kern am nächsten liegt. Ist die vom Kern abgegebene Energie kleiner als Est für die Elektronen der K-Schale, werden die Umwandlungselektronen von den Außenschalen (L, M) abgespalten, wo die Bindungsenergie geringer ist.

Nach der Entfernung eines Umwandlungselektrons entsteht eine Lücke, die mit Elektronen aus den Außenschalen gefüllt wird. Dabei entsteht die entsprechende Röntgenstrahlung, genannt charakteristisch K a, K b, La, ...

Die charakteristische Röntgenstrahlung kann wiederum umgewandelt werden. Die dabei emittierten Elektronen werden nach dem Wissenschaftler, der sie entdeckt hat, Auger-Elektronen genannt.

Abbildung 10 zeigt ein Diagramm, das alles erklärt, was gesagt wurde.

radioaktiver Zerfall der UdSSR, radioaktiver Zerfall Jugoslawiens
Radioaktiver Zerfall(von lateinisch radius „Strahl“ und āctīvus „wirksam“) – spontane Änderung der Zusammensetzung (Ladung Z, Massenzahl A) oder Interne Struktur instabile Atomkerne durch die Emission von Elementarteilchen, Gammastrahlen und/oder Kernfragmenten. Der Prozess des radioaktiven Zerfalls wird auch genannt Radioaktivität und die entsprechenden Kerne (Nuklide, Isotope und chemische Elemente) sind radioaktiv. Stoffe, die radioaktive Kerne enthalten, werden auch als radioaktiv bezeichnet.

1 Theorie
2 Entdeckungsgeschichte
3 Gesetz des radioaktiven Zerfalls
4 Arten von Partikeln, die beim radioaktiven Zerfall emittiert werden
5 Alpha-Zerfall
6 Beta-Zerfall
- 6.1 Beta-Minus-Zerfall
- 6.2 Positronenzerfall und Elektroneneinfang
- 6.3 Doppelter Betazerfall
- 6.4 Allgemeine Eigenschaften Beta-Zerfall
7 Gamma-Zerfall (Isomerenübergang)
8 Besondere Arten von Radioaktivität
9 Siehe auch
10 Notizen
11 Literatur

Theorie

Es wurde festgestellt, dass alle chemischen Elemente mit einer Seriennummer über 82 radioaktiv sind (d. h. beginnend mit Wismut) und einige leichtere Elemente (Promethium und Technetium) keine stabilen Isotope haben und einige Elemente wie Indium, Kalium, Rubidium oder Calcium, nur natürliche Isotope sind stabil, andere sind radioaktiv).

Natürliche Radioaktivität ist der spontane Zerfall von Atomkernen, die in der Natur vorkommen.

Unter künstlicher Radioaktivität versteht man den spontanen Zerfall von Atomkernen, die durch entsprechende Kernreaktionen künstlich erzeugt werden.

Der mit der Emission von Alphateilchen einhergehende Zerfall wurde Alphazerfall genannt; Der Zerfall, der mit der Emission von Betateilchen einhergeht, wurde Betazerfall genannt (heute ist bekannt, dass es Arten des Betazerfalls ohne Emission von Betateilchen gibt, der Betazerfall geht jedoch immer mit der Emission von Neutrinos oder Antineutrinos einher). Der Begriff „Gammazerfall“ wird selten verwendet; Die Emission von Gammastrahlen durch einen Kern wird üblicherweise als isomerer Übergang bezeichnet. Gammastrahlung geht häufig mit anderen Zerfallsarten einher, wenn infolge der ersten Zerfallsstufe ein Tochterkern in einem angeregten Zustand erscheint, der dann unter Emission von Gammastrahlen in den Grundzustand übergeht.

Die Energiespektren von α-Teilchen und γ-Quanten, die von radioaktiven Kernen emittiert werden, sind intermittierend („diskret“), und das Spektrum von β-Teilchen ist kontinuierlich.

Gegenwärtig wurden neben Alpha-, Beta- und Gammazerfällen auch Zerfälle mit der Emission eines Neutrons, eines Protons (sowie zweier Protonen), Clusterradioaktivität und spontane Spaltung entdeckt. Elektroneneinfang, Positronenzerfall (oder β+-Zerfall) und doppelter Beta-Zerfall (und seine Arten) werden im Allgemeinen als verschiedene Arten des Beta-Zerfalls angesehen.

Einige Isotope können gleichzeitig zwei oder mehr Zerfallsmodi durchlaufen. Beispielsweise zerfällt Wismut-212 mit einer Wahrscheinlichkeit von 64 % zu Thallium-208 (über Alpha-Zerfall) und mit einer Wahrscheinlichkeit von 36 % zu Polonium-212 (über Beta-Zerfall).

Der durch den radioaktiven Zerfall entstandene Tochterkern erweist sich manchmal auch als radioaktiv und zerfällt nach einiger Zeit ebenfalls. Der Prozess des radioaktiven Zerfalls wird so lange fortgesetzt, bis ein stabiler, also nicht radioaktiver Kern entsteht. Die Abfolge solcher Zerfälle nennt man Zerfallskette, die Abfolge der dabei entstehenden Nuklide nennt man radioaktive Reihe. Insbesondere für radioaktive Serien, die mit Uran-238, Uran-235 und Thorium-232 beginnen, sind die endgültigen (stabilen) Nuklide Blei-206, Blei-207 bzw. Blei-208.

Kerne mit der gleichen Massenzahl A (Isobaren) können sich durch Betazerfall ineinander umwandeln. Jede Isobarenkette enthält 1 bis 3 betastabile Nuklide (sie können keinen Betazerfall durchlaufen, sind aber nicht unbedingt stabil gegenüber anderen Arten des radioaktiven Zerfalls). Die übrigen Kerne der Isobarenkette sind beta-instabil; Durch aufeinanderfolgende Beta-Minus- oder Beta-Plus-Zerfälle verwandeln sie sich in das nächste betastabile Nuklid. Kerne, die sich in einer isobaren Kette zwischen zwei betastabilen Nukliden befinden, können sowohl einen β−- als auch einen β+-Zerfall (oder Elektroneneinfang) erfahren. Beispielsweise ist das natürlich vorkommende Radionuklid Kalium-40 in der Lage, in benachbarte betastabile Kerne Argon-40 und Calcium-40 zu zerfallen:

Geschichte der Entdeckung

Radioaktivität wurde 1896 vom französischen Physiker A. Becquerel entdeckt. Er untersuchte den Zusammenhang zwischen Lumineszenz und den kürzlich entdeckten Röntgenstrahlen.

Becquerel hatte eine Idee: Wird nicht jede Lumineszenz von Röntgenstrahlen begleitet? Um seine Vermutung zu überprüfen, nahm er mehrere Verbindungen, darunter eines der Uransalze, die mit gelbgrünem Licht phosphoreszieren. Nachdem er es mit Sonnenlicht beleuchtet hatte, wickelte er das Salz in schwarzes Papier ein und legte es in einem dunklen Schrank auf eine ebenfalls in schwarzes Papier eingewickelte Fotoplatte. Nach einiger Zeit sah Becquerel beim Entwickeln der Platte tatsächlich das Bild eines Salzstücks. Aber Lumineszenzstrahlung konnte schwarzes Papier nicht durchdringen, und nur Röntgenstrahlen konnten die Platte unter diesen Bedingungen beleuchten. Becquerel wiederholte das Experiment mehrmals und mit gleichem Erfolg.

Am 24. Februar 1896 verfasste er auf einer Tagung der Französischen Akademie der Wissenschaften einen Bericht „Über die durch Phosphoreszenz erzeugte Strahlung“. Doch schon nach wenigen Tagen mussten Anpassungen an der Interpretation der gewonnenen Ergebnisse vorgenommen werden. Am 26. und 27. Februar wurde in Becquerels Labor ein weiteres Experiment mit geringfügigen Änderungen vorbereitet, das jedoch wegen bewölktem Wetter verschoben wurde. Ohne auf gutes Wetter zu warten, entwickelte Becquerel am 1. März eine Platte, auf der Uransalz lag, das nicht vom Sonnenlicht bestrahlt worden war. Natürlich phosphoreszierte es nicht, aber es gab einen Abdruck auf der Platte. Bereits am 2. März berichtete Becquerel auf einer Tagung der Pariser Akademie der Wissenschaften über diese Entdeckung unter dem Titel „Über die unsichtbare Strahlung phosphoreszierender Körper“.

Becquerel teilt seine Entdeckung mit den Wissenschaftlern, mit denen er zusammengearbeitet hat. 1898 entdeckten Marie Curie und Pierre Curie die Radioaktivität von Thorium und später die radioaktiven Elemente Polonium und Radium.

Sie fanden heraus, dass alle Uranverbindungen und vor allem Uran selbst die Eigenschaft natürlicher Radioaktivität besitzen. Becquerel wandte sich wieder den Leuchtstoffen zu, die ihn interessierten. Zwar machte er eine weitere wichtige Entdeckung im Zusammenhang mit Radioaktivität. Einmal brauchte Becquerel für einen öffentlichen Vortrag eine radioaktive Substanz, er nahm sie von den Curies und steckte das Reagenzglas in seine Westentasche. Nach einem Vortrag gab er das radioaktive Medikament den Besitzern zurück und entdeckte am nächsten Tag unter seiner Westentasche eine Hautrötung in Form eines Reagenzglases an seinem Körper. Becquerel erzählte Pierre Curie davon und er experimentierte an sich selbst: Er trug zehn Stunden lang ein Reagenzglas mit Radium an seinem Unterarm. Einige Tage später entwickelte sich auch eine Rötung, die sich dann zu einem schweren Geschwür entwickelte, unter dem er zwei Monate lang litt. Dies war das erste Mal, dass die biologischen Auswirkungen der Radioaktivität entdeckt wurden.

Aber auch danach erledigten die Curies mutig ihre Aufgabe. Es genügt zu sagen, dass Marie Curie an der Strahlenkrankheit starb (sie wurde jedoch 66 Jahre alt).

1955 wurden Marie Curies Notizbücher untersucht. Aufgrund der radioaktiven Kontamination, die beim Befüllen eingebracht wurde, emittieren sie immer noch Strahlung. Eines der Blätter trägt den radioaktiven Fingerabdruck von Pierre Curie.

Gesetz des radioaktiven Zerfalls

Simulation des Zerfalls vieler identischer Atome. Beginnend mit 4 Atomen (links) und 400 (rechts). Oben wird die Anzahl der Halbwertszeiten angezeigt. Hauptartikel: Gesetz des radioaktiven Zerfalls

Gesetz des radioaktiven Zerfalls- ein Gesetz, das von Frederick Soddy und Ernest Rutherford experimentell entdeckt und 1903 formuliert wurde. Moderner Gesetzestext:

Das bedeutet, dass die Anzahl der Zerfälle einer beliebigen Substanz in einem Zeitintervall t proportional zur Anzahl N der in der Probe vorhandenen radioaktiven Atome einer bestimmten Art ist.

In diesem mathematischen Ausdruck ist λ die Zerfallskonstante, die die Wahrscheinlichkeit des radioaktiven Zerfalls pro Zeiteinheit charakterisiert und die Dimension s−1 hat. Das Minuszeichen zeigt eine Abnahme der Anzahl radioaktiver Kerne im Laufe der Zeit an. Das Gesetz drückt die Unabhängigkeit des Zerfalls radioaktiver Kerne voneinander und von der Zeit aus: Die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls eines bestimmten Kerns in jeder nachfolgenden Zeiteinheit hängt nicht von der Zeit ab, die seit Beginn des Experiments vergangen ist die Anzahl der in der Probe verbleibenden Kerne.

Dieses Gesetz gilt als das Grundgesetz der Radioaktivität; daraus wurden mehrere wichtige Konsequenzen gezogen, darunter die Formulierung der Zerfallseigenschaften – der durchschnittlichen Lebensdauer eines Atoms und der Halbwertszeit.

Die Zerfallskonstante eines radioaktiven Kerns ist in den meisten Fällen praktisch unabhängig von Umgebungsbedingungen (Temperatur, Druck, chemische Zusammensetzung des Stoffes usw.). Beispielsweise zerfällt festes Tritium T2 bei einigen Kelvin mit der gleichen Geschwindigkeit wie Tritiumgas bei Raumtemperatur oder Tausenden von Kelvin; Tritium im T2-Molekül zersetzt sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie in tritiiertem Valin. Schwache Änderungen der Zerfallskonstante unter Laborbedingungen wurden nur beim Elektroneneinfang festgestellt – die im Labor verfügbaren Temperaturen und Drücke sowie Änderungen in der chemischen Zusammensetzung können die Dichte der den Kern umgebenden Elektronenwolke geringfügig verändern, was dazu führt eine Änderung der Zerfallsrate um den Bruchteil eines Prozents. Allerdings ist es unter ziemlich rauen Bedingungen (hohe Ionisierung des Atoms, hohe Elektronendichte, hohes chemisches Potenzial von Neutrinos, starke Magnetfelder) im Labor schwer zu erreichen, wird aber beispielsweise in den Kernen von Sternen anderer Arten realisiert Zerfälle können auch ihre Wahrscheinlichkeit verändern.

Die Konstanz der radioaktiven Zerfallskonstante ermöglicht es, das Alter verschiedener natürlicher und künstlicher Objekte anhand des Zerfalls ihrer radioaktiven Kerne und der Ansammlung von Zerfallsprodukten zu messen. Es wurden eine Reihe von Radioisotopendatierungsmethoden entwickelt, die es ermöglichen, das Alter von Objekten im Bereich von einigen bis Milliarden Jahren zu messen; Unter ihnen sind die Radiokarbonmethode, die Uran-Blei-Methode, die Uran-Helium-Methode, die Kalium-Argon-Methode usw. die bekanntesten.

Arten von Partikeln, die beim radioaktiven Zerfall emittiert werden

E. Rutherford stellte experimentell (1899) fest, dass Uransalze Strahlen emittieren drei Typen, die in einem Magnetfeld unterschiedlich abweichen:

Strahlen erster Art werden auf die gleiche Weise abgelenkt wie ein Strom positiv geladener Teilchen; sie wurden α-Strahlen genannt;
Strahlen der zweiten Art werden in einem Magnetfeld üblicherweise auf die gleiche Weise abgelenkt wie ein Strom negativ geladener Teilchen, sie wurden β-Strahlen genannt (es gibt jedoch Positronen-Betastrahlen, die in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt werden);
Strahlen der dritten Art, die nicht durch ein Magnetfeld abgelenkt werden, wurden γ-Strahlung genannt.

Bei der spontanen Spaltung zerfällt ein Kern in zwei (seltener drei) relativ leichte Kerne – die sogenannten Spaltfragmente – und mehrere Neutronen. Während des Clusterzerfalls (ein Zwischenprozess zwischen Spaltung und Alphazerfall) wird ein relativ leichter Kern (14C, 16O usw.) von einem schweren Mutterkern emittiert.

Beim Protonen- (Zwei-Protonen-) und Neutronenzerfall emittiert der Kern Protonen bzw. Neutronen.

Bei allen Arten des Betazerfalls (mit Ausnahme des vorhergesagten, aber noch nicht entdeckten neutrinolosen Zerfalls) wird ein Neutrino oder Antineutrino aus dem Kern emittiert.

Alpha-Zerfall

Hauptartikel: Alpha-Zerfall

Alpha-Zerfall ist der spontane Zerfall eines Atomkerns in einen Tochterkern und ein Alpha-Teilchen (den Kern eines 4He-Atoms).

Alpha-Zerfall tritt typischerweise in schweren Kernen mit einer Massenzahl A ≥ 140 auf (obwohl es einige Ausnahmen gibt). Im Inneren schwerer Kerne bilden sich aufgrund der Sättigungseigenschaft der Kernkräfte isolierte α-Teilchen, bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Das resultierende α-Teilchen unterliegt größeren Coulomb-Abstoßungskräften von den Protonen des Kerns als von einzelnen Protonen. Gleichzeitig erfährt das Alphateilchen eine geringere nukleare Anziehungskraft auf die Nukleonen des Kerns als andere Nukleonen. Das an der Kerngrenze entstehende Alphateilchen wird von der Potentialbarriere nach innen reflektiert, kann diese aber mit einiger Wahrscheinlichkeit überwinden (siehe Tunneleffekt) und herausfliegen. Wenn die Energie des Alpha-Teilchens abnimmt, nimmt die Durchlässigkeit der Potentialbarriere sehr schnell (exponentiell) ab, sodass die Lebensdauer von Kernen mit weniger verfügbarer Alpha-Zerfallsenergie unter sonst gleichen Bedingungen länger ist.

Soddys Verschiebungsregel für den α-Zerfall:

Beispiel (Alpha-Zerfall von Uran-238 zu Thorium-234):

Durch den α-Zerfall verschiebt sich das Atom um 2 Zellen an den Anfang des Periodensystems (d. h. die Ladung des Kerns Z nimmt um 2 ab), die Massenzahl des Tochterkerns nimmt um 4 ab.

Beta-Zerfall

Hauptartikel: Beta-Zerfall

Beta minus Zerfall

Becquerel bewies, dass β-Strahlen ein Elektronenstrom sind. Der Beta-Zerfall ist eine Manifestation der schwachen Wechselwirkung.

Der Beta-Zerfall (genauer gesagt Beta-Minus-Zerfall, β−-Zerfall) ist ein radioaktiver Zerfall, der mit der Emission eines Elektrons und eines Elektron-Antineutrinos aus dem Kern einhergeht.

Feynman-Diagramm des Beta-Minus-Zerfalls: Ein d-Quark in einem der Neutronen im Kern wird zu einem u-Quark und emittiert ein virtuelles W-Boson, das in ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino zerfällt.

Der Beta-Zerfall ist ein Intranukleonprozess. Der Beta-Minus-Zerfall entsteht durch die Umwandlung eines der D-Quarks in eines der Neutronen des Kerns in ein U-Quark; In diesem Fall wandelt sich ein Neutron unter Emission eines Elektrons und eines Antineutrinos in ein Proton um:

Freie Neutronen unterliegen ebenfalls einem β−-Zerfall und verwandeln sich in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino (siehe Neutronen-Beta-Zerfall).

Soddy-Verschiebungsregel für den β−-Zerfall:

Beispiel (Beta-Zerfall von Tritium zu Helium-3):

Nach dem β−-Zerfall verschiebt sich das Element um 1 Zelle an das Ende des Periodensystems (die Ladung des Kerns nimmt um eins zu), während sich die Massenzahl des Kerns nicht ändert.

Positronenzerfall und Elektroneneinfang

Feynman-Diagramm des Positronenzerfalls: Ein U-Quark in einem der Protonen des Kerns verwandelt sich in ein D-Quark und emittiert ein virtuelles W-Boson, das in ein Positron und ein Elektron-Neutrino zerfällt. Feynman-Diagramm des Elektroneneinfangs: Ein U-Quark in einem der Protonen des Kerns verwandelt sich in ein D-Quark und emittiert ein virtuelles W-Boson, das mit einem Hüllenelektron wechselwirkt und es in ein Elektronneutrino verwandelt. Hauptartikel: Positronenzerfall Hauptartikel: Elektronische Erfassung

Es gibt auch andere Arten des Betazerfalls. Beim Positronenzerfall (Beta-Plus-Zerfall) emittiert der Kern ein Positron und ein Elektron-Neutrino. Während des β+-Zerfalls nimmt die Ladung des Kerns um eins ab (der Kern bewegt sich um eine Zelle an den Anfang des Periodensystems), d. h. eines der Protonen des Kerns verwandelt sich in ein Neutron und emittiert ein Positron und ein Neutrino ( Auf der Quark-Ebene kann dieser Prozess als Umwandlung eines der U-Quarks in einem der Protonen des Kerns in ein D-Quark beschrieben werden. Dabei ist zu beachten, dass ein freies Proton nicht in ein Neutron zerfallen kann durch den Energieerhaltungssatz verboten, da das Neutron schwerer als das Proton ist; ein solcher Vorgang ist jedoch im Kern möglich, wenn der Massenunterschied zwischen Mutter- und Tochteratom positiv ist. Der Positronenzerfall geht immer mit einem konkurrierenden Prozess einher – dem Einfangen von Elektronen; Dabei fängt der Kern ein Elektron aus der Atomhülle ein und emittiert ein Neutrino, wobei gleichzeitig auch die Ladung des Kerns um eins abnimmt. Das Gegenteil ist jedoch nicht der Fall: Für viele Nuklide, die einen Elektroneneinfang (ε-Einfang) erfahren, ist der Positronenzerfall durch das Energieerhaltungsgesetz verboten. Je nachdem, in welcher der Elektronenhüllen des Atoms (K, L, M, ...) das Elektron beim ε-Einfang eingefangen wird, wird der Vorgang als K-Einfang, L-Einfang, M-Einfang, ... bezeichnet. ; Bei Vorhandensein geeigneter Schalen und ausreichender Zerfallsenergie konkurrieren sie alle normalerweise miteinander, am wahrscheinlichsten ist jedoch ein K-Einfang, da die Elektronenkonzentration in der K-Schale in der Nähe des Kerns höher ist als in weiter entfernten Schalen. Nach dem Einfangen eines Elektrons wird die entstandene Lücke in der Elektronenschale durch den Übergang eines Elektrons aus einer höheren Schale gefüllt. Dieser Prozess kann kaskadenartig erfolgen (nach dem Übergang verschwindet die Lücke nicht, sondern wird in eine höhere Schale verschoben). ) und Energie wird mittels Röntgenphotonen und/oder Auger-Elektronen aus dem diskreten Energiespektrum abtransportiert.

Soddys Verschiebungsregel für β+-Zerfall und Elektroneneinfang:

Beispiel (ε-Einfang von Beryllium-7 in Lithium-7):

Doppelter Betazerfall

Hauptartikel: Doppelter Betazerfall

Die seltenste aller bekannten Arten radioaktiven Zerfalls ist der doppelte Betazerfall. Er wurde bisher nur bei elf Nukliden entdeckt und die Halbwertszeit beträgt bei jedem dieser Nuklide mehr als 1019 Jahre. Je nach Nuklid kann es zu einem doppelten Betazerfall kommen:

mit einer Erhöhung der Kernladung um 2 (in diesem Fall werden zwei Elektronen und zwei Antineutrinos emittiert, 2β− Zerfall)
mit einer Abnahme der Kernladung um 2, während zwei Neutrinos emittiert werden und
- zwei Positronen (Zwei-Positronen-Zerfall, 2β+-Zerfall)
- Die Emission eines Positrons geht mit dem Einfangen eines Elektrons aus der Hülle einher (Elektron-Positron-Umwandlung oder εβ+-Zerfall).
- Es werden zwei Elektronen eingefangen (doppelter Elektroneneinfang, 2ε-Einfang).

Neutrinoloser doppelter Betazerfall wurde vorhergesagt, aber noch nicht entdeckt.

Allgemeine Eigenschaften des Betazerfalls

Bei allen Arten des Betazerfalls bleibt die Massenzahl des Kerns erhalten, da sich bei jedem Betazerfall die Gesamtzahl der Nukleonen im Kern nicht ändert und nur ein oder zwei Neutronen in Protonen umgewandelt werden (oder umgekehrt).

Gamma-Zerfall (Isomerenübergang)

Hauptartikel: Isomerie von Atomkernen

Fast alle Kerne verfügen zusätzlich zum Grundquantenzustand über einen diskreten Satz angeregter Zustände mit höherer Energie (Ausnahme sind die 1H-, 2H-, 3H- und 3He-Kerne). Angeregte Zustände können bei Kernreaktionen oder dem radioaktiven Zerfall anderer Kerne besiedelt werden. Die meisten angeregten Zustände haben eine sehr kurze Lebensdauer (weniger als eine Nanosekunde). Es gibt jedoch auch ziemlich langlebige Zustände (deren Lebensdauer in Mikrosekunden, Tagen oder Jahren gemessen wird), die als isomer bezeichnet werden, obwohl die Grenze zwischen ihnen und kurzlebigen Zuständen sehr willkürlich ist. Isomere Zustände von Kernen zerfallen in der Regel in den Grundzustand (manchmal über mehrere Zwischenzustände). Dabei werden eine oder mehrere Gammastrahlen emittiert; Die Anregung des Kerns kann auch durch die Emission von Konversionselektronen aus der Atomhülle aufgehoben werden. Isomere Zustände können auch durch gewöhnliche Beta- und Alpha-Zerfälle zerfallen.

Besondere Arten von Radioaktivität

Spontane Spaltung
Cluster-Radioaktivität
Protonenzerfall
Zwei-Protonen-Radioaktivität
Neutronenradioaktivität

siehe auch

Maßeinheiten für Radioaktivität
Bananenäquivalent

Anmerkungen

Physische Enzyklopädie / Kap. Hrsg. A. M. Prochorow. - M.: Sowjetische Enzyklopädie, 1994. - T. 4. Poynting - Robertson - Streamers. - S. 210. - 704 S. - 40.000 Exemplare. - ISBN 5-85270-087-8.
Manolov K., Tyutyunnik V. Biographie des Atoms. Atom – von Cambridge nach Hiroshima. - Neu gestaltete Fahrspur aus dem Bulgarischen. - M.: Mir, 1984. - S. 20-21. - 246 S.
A. N. Klimov. Kernphysik und Kernreaktoren. - Moskau: Energoatomizdat, 1985. - S. 352.
Bartolomei G.G., Baibakov V.D., Alkhutov M.S., Bat G.A. Grundlagen der Theorie und Berechnungsmethoden von Kernreaktoren. - Moskau: Energoatomizdat, 1982.
I. R. Cameron, University of New Brunswick. Kernspaltungsreaktoren. - Kanada, New Brunswick: Plenum Press, 1982.
I. Cameron. Kernreaktoren. - Moskau: Energoatomizdat, 1987. - S. 320.

Literatur

Sivukhin D.V. Allgemeiner Kurs in Physik. - 3. Auflage, stereotyp. - M.: Fizmatlit, 2002. - T. V. Atomic und Kernphysik. - 784 S. - ISBN 5-9221-0230-3.

p·o·r Teilchen in der Physik (Liste der Teilchen · Liste der Quasiteilchen · Liste der Baryonen · Liste der Mesonen)

Grundschule Partikel
Bosonen	Eichbosonen (γ g W± Z0) Higgs-Bosonen (H0)
Hypothetisch
Andere	G · A0 · Dilaton · J · X · Y · W’ · Z’ · Steriles Neutrino · Geister · Chamäleon · Leptoquark · Preon · Planck-Teilchen · Maximon

Zusammengesetzt
Partikel Verbindungen
Grundschule und/oder
zusammengesetzte Partikel Hypothetisch Andere
Klassifikationen
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radioaktiver Zerfall der Osmanen, radioaktiver Zerfall der Römer, radioaktiver Zerfall der UdSSR, radioaktiver Zerfall Jugoslawiens