מדוע מתרחשת דעיכה רדיואקטיבית?

התפרקות רדיואקטיבית היא התהליך הספונטני שדרכו לא יציב גרעין אטומי נשבר לרסיסים קטנים ויציבים יותר. האם תהית אי פעם מדוע גרעינים מסוימים מתפרקים בעוד שאחרים אינם?

בעיקרון זה עניין של תרמודינמיקה. כל אטום מבקש להיות יציב ככל האפשר. במקרה של ריקבון רדיואקטיבי, חוסר יציבות מתרחש כאשר יש חוסר איזון במספר פרוטונים ו נויטרונים בגרעין האטומי. בעיקרון, יש יותר מדי אנרגיה בתוך הגרעין בכדי להחזיק את כל הגרעינים יחד. המצב של האלקטרונים של אטום לא משנה לצורך ריקבון, למרות שגם להם יש דרך משלהם למצוא יציבות. אם גרעין האטום אינו יציב, בסופו של דבר הוא יתפרק לאבד לפחות חלק מהחלקיקים שהופכים אותו לא יציב. הגרעין המקורי נקרא ההורה ואילו הגרעין או הגרעינים הנוצרים נקראים הבת או הבנות. הבנות אולי עדיין להיות רדיואקטיבי, בסופו של דבר פורצים לחלקים רבים יותר, או שהם עשויים להיות יציבים.

ישנן שלוש צורות של ריקבון רדיואקטיבי: איזה מבין גרעין אטומי זה עובר תלוי באופי חוסר היציבות הפנימית. איזוטופים מסוימים יכולים להתפרק באמצעות יותר ממסלול אחד.

בדעיכה של אלפא הגרעין מוציא חלקיק אלפא שהוא בעצם גרעין הליום (שניים פרוטונים ושני נויטרונים), הקטנת המספר האטומי של ההורה בשניים ומספר המסה על ידי ארבע.

בהתפרקות בטא, זרם אלקטרונים, המכונים חלקיקי בטא, נפלטים מההורה, ונויטרון בגרעין מומר לפרוטון. מספר המסה של הגרעין החדש זהה, אך המספר האטומי עולה באחד.

בדעיכה בגמא, הגרעין האטומי משחרר אנרגיה עודפת בצורה של פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה (קרינה אלקטרומגנטית). המספר האטומי ומספר המסה נשארים זהים, אך הגרעין המתקבל מניח מצב אנרגיה יציב יותר.

א איזוטופ רדיואקטיבי הוא כזה שעובר ריקבון רדיואקטיבי. המונח "יציב" הוא דו-משמעי יותר, שכן הוא חל על אלמנטים שאינם מתפרקים, למטרות מעשיות, לאורך זמן רב. המשמעות היא שאיזוטופים יציבים כוללים כאלה שלא נשברים לעולם, כמו פרוטיום (מורכב מפרוטון אחד, כך שלא נותר עוד מה להפסיד), ואיזוטופים רדיואקטיביים, כמו טלוריום -128, שיש בו זמן מחצית חיים של 7.7X10²⁴ שנים. רדיואיזוטופים בעלי זמן מחצית חיים קצר נקראים רדיואיזוטופים לא יציבים.

אתה יכול להניח שלגרעין בתצורה יציבה יהיה אותו מספר פרוטונים כמו נויטרונים. עבור הרבה אלמנטים קלים יותר, זה נכון. לדוגמה, נפוץ נפוץ עם שלוש תצורות של פרוטונים ונויטרונים, הנקראים איזוטופים. מספר הפרוטונים אינו משתנה, מכיוון שזה קובע את היסוד, אולם מספר הנויטרונים כן: בפחמן -12 יש שישה פרוטונים ושישה נויטרונים והוא יציב; ל- carbon-13 יש גם שישה פרוטונים, אך יש לו שבעה נויטרונים; פחמן -13 יציב גם הוא. עם זאת, פחמן -14, עם שישה פרוטונים ושמונה נויטרונים, אינו יציב או רדיואקטיבי. מספר הנויטרונים בגרעין פחמן -14 גבוה מכדי שהכוח האטרקטיבי חזק יחזיק אותו יחד ללא הגבלת זמן.

אך ככל שעוברים לאטומים שמכילים יותר פרוטונים, האיזוטופים יציבים יותר ויותר עם עודף נויטרונים. הסיבה לכך היא שהגרעינים (פרוטונים ונויטרונים) אינם קבועים במקום בגרעין, אלא נעים סביבם, והפרוטונים דוחים זה את זה מכיוון שכולם נושאים מטען חשמלי חיובי. הנויטרונים של גרעין גדול יותר זה פועלים לבידוד הפרוטונים מההשפעות זה של זה.

היחס בין נויטרונים לפרוטונים, או יחס N: Z, הוא הגורם העיקרי שקובע אם גרעין אטומי יציב או לא. אלמנטים קלים יותר (Z <20) מעדיפים להיות זהים למספר הפרוטונים והנויטרונים או N: Z = 1. אלמנטים כבדים יותר (Z = 20 עד 83) מעדיפים יחס N: Z של 1.5 מכיוון שנדרשים יותר נויטרונים כדי לבודד כנגד הכוח הדוחה בין הפרוטונים.

יש גם מה שמכונה מספרי קסם, שהם מספרים של נוקלאונים (פרוטונים או נויטרונים) שהם יציבים במיוחד. אם למספר הפרוטונים וגם לנויטרונים יש ערכים אלה, המצב נקרא כמספרי קסם כפולים. אתה יכול לחשוב על זה כגרעין המקביל ל חוק האוקטט המסדירים את יציבות מעטפת האלקטרונים. מספרי הקסם שונים במקצת לפרוטונים ולנויטרונים:

• פרוטונים: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• נויטרונים: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

כדי לסבך עוד יותר את היציבות, ישנם איזוטופים יציבים יותר עם Z: שוויון עד-שווה: N (162 איזוטופים) מאשר שוויוניים-לא-מוזרים (53 איזוטופים), מאשר ערכים-זוגיים-אחידים (50) מערכים-מוזרים-לא-מוזרים (4).

הערה אחרונה: אם גרעין אחד עובר ריקבון או לא, הוא אירוע אקראי לחלוטין. אורך החיים של איזוטופ הוא התחזית הטובה ביותר למדגם גדול מספיק של היסודות. לא ניתן להשתמש בו כדי לבצע כל חיזוי לגבי התנהגות גרעין אחד או כמה גרעינים.

אתה יכול לעבור א חידון בנושא רדיואקטיביות?