ما هو اضمحلال ألفا وتآكل بيتا؟ تسوس بيتا ، تسوس ألفا: الصيغ وردود الفعل

يطلق على إشعاع ألفا وبيتا عمومًاالتحلل الإشعاعي. إنها عملية تنطوي على انبعاث جسيمات دون ذرية من النواة بمعدل هائل. نتيجة لذلك ، يمكن أن تتحول الذرة أو نظيرها من عنصر كيميائي إلى آخر. اضمحلال النوى ألفا وبيتا هو سمة من سمات العناصر غير المستقرة. وتشمل هذه جميع الذرات التي يزيد عدد شحنتها عن 83 وعدد كتلة أكبر من 209.

شروط رد الفعل

الاضمحلال مثل المواد المشعة الأخرىالتحولات طبيعية ومصطنعة. يحدث هذا الأخير بسبب دخول أي جسيم غريب إلى النواة. يعتمد مقدار تحلل ألفا وبيتا الذي يمكن أن تتعرض له الذرة فقط على مدى سرعة الوصول إلى حالة مستقرة.

في ظل الظروف الطبيعية ، يحدث تحلل ألفا وبيتا ناقص.

في ظل الظروف الاصطناعية ، يوجد النيوترون والبوزيترون والبروتون وأنواع أخرى نادرة من الانحلال وتحولات النوى.

تم إعطاء هذه الأسماء من قبل إرنست رذرفورد ، الذي كان يعمل في دراسة الإشعاع المشع.

الفرق بين النواة المستقرة وغير المستقرة

تعتمد قدرة الاضمحلال بشكل مباشر علىدول الذرة. ما يسمى بالنواة "المستقرة" أو غير المشعة هي خاصية مميزة للذرات غير المتحللة. من الناحية النظرية ، يمكن تنفيذ مراقبة هذه العناصر إلى أجل غير مسمى من أجل التأكد أخيرًا من استقرارها. هذا مطلوب لفصل هذه النوى عن النوى غير المستقرة ، والتي لها عمر نصف طويل للغاية.

عن طريق الخطأ ، يمكن الخلط بين هذه الذرة "البطيئة" والذرة المستقرة. ومع ذلك ، التيلوريوم ، وبشكل أكثر تحديدًا ، نظيره 128 ، الذي يبلغ عمر نصفه 2.2 10²⁴ سنة. هذه الحالة ليست حالة منعزلة. يخضع Lanthanum-138 لنصف عمر 10¹¹ سنة. هذه الفترة هي ثلاثون ضعف عمر الكون الحالي.

جوهر الاضمحلال الإشعاعي

هذه العملية تعسفية. يكتسب كل نويدة مشعة متحللة معدلًا ثابتًا في كل حالة. لا يمكن تغيير معدل الاضمحلال بعوامل خارجية. لا يهم ما إذا كان التفاعل سيحدث تحت تأثير قوة جاذبية هائلة ، عند الصفر المطلق ، في مجال كهربائي ومغناطيسي ، أثناء أي تفاعل كيميائي ، وما إلى ذلك. لا يمكن أن تتأثر العملية إلا بالعمل المباشر على الجزء الداخلي من نواة الذرة ، وهو أمر مستحيل عمليًا. يكون رد الفعل عفويًا ويعتمد فقط على الذرة التي يحدث فيها وحالتها الداخلية.

عندما يذكر التحلل الإشعاعي ،تمت مصادفة مصطلح "النويدات المشعة". أولئك الذين ليسوا على دراية بها يجب أن يعرفوا أن هذه الكلمة تشير إلى مجموعة من الذرات التي لها خصائص مشعة ، وعدد كتلتها ، وعددها الذري وحالة الطاقة.

تستخدم النويدات المشعة المختلفة في التقنية ،المجالات العلمية وغيرها من مجالات الحياة البشرية. على سبيل المثال ، في الطب ، تُستخدم هذه العناصر في تشخيص الأمراض ومعالجة الأدوية والأدوات وغيرها من العناصر. حتى أن هناك عددًا من الاستعدادات الإشعاعية العلاجية والإنذارية.

تحديد النظير لا يقل أهمية. تشير هذه الكلمة إلى نوع خاص من الذرة. لديهم نفس العدد الذري للعنصر العادي ، لكن عدد الكتلة مختلف. هذا الاختلاف ناتج عن عدد النيوترونات التي لا تؤثر على الشحنة ، مثل البروتونات والإلكترونات ، ولكنها تغير الكتلة. على سبيل المثال ، يحتوي الهيدروجين البسيط على ما يصل إلى 3. هذا هو العنصر الوحيد الذي تم تسمية نظائره: الديوتيريوم والتريتيوم (الوحيد المشع) والبروتيوم. خلاف ذلك ، يتم إعطاء الأسماء وفقًا للكتل الذرية والعنصر الأساسي.

تسوس ألفا

هذا نوع من التفاعل الإشعاعي. وهي مميزة للعناصر الطبيعية من الفترتين السادسة والسابعة من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية. خاصة بالنسبة للعناصر الاصطناعية أو ما بعد اليورانيوم.

العناصر المعرضة لانحلال ألفا

ومن بين المعادن التي من أجلها هذاالاضمحلال ، وتشمل الثوريوم واليورانيوم وعناصر أخرى من الفترتين السادسة والسابعة من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية ، العد من البزموت. تخضع أيضًا للعملية النظائر من بين العناصر الثقيلة.

ماذا يحدث أثناء رد الفعل؟

مع اضمحلال ألفا ، تبدأ الجسيمات في الانبعاث من النواة ، التي تتكون من بروتونات وزوج من النيوترونات. الجسيم المنبعث نفسه هو نواة ذرة الهيليوم ، كتلته 4 وحدات وشحنة +2.

نتيجة لذلك ، يظهر عنصر جديد ، والذيتوجد خليتان على يسار الأصل في الجدول الدوري. يتم تحديد هذا الترتيب من خلال حقيقة أن الذرة الأصلية فقدت بروتونين ومع ذلك ، فقدت الشحنة الأولية. نتيجة لذلك ، تتناقص كتلة النظير الناتج بمقدار 4 وحدات كتلة مقارنة بالحالة الأولية.

أمثلة

خلال هذا الاضمحلال ، يتكون الثوريوم من اليورانيوم. من الثوريوم يأتي الراديوم ومنه الرادون الذي ينتج البولونيوم في النهاية ، وأخيراً الرصاص في هذه الحالة ، تظهر نظائر هذه العناصر في العملية وليس نفسها. لذلك ، نحصل على اليورانيوم 238 ، والثوريوم 234 ، والراديوم 230 ، والرادون 236 وما إلى ذلك ، حتى ظهور عنصر مستقر. الصيغة لمثل هذا التفاعل هي كما يلي:

Th-234 -> Ra-230 -> Rn-226 -> Po-222 -> Pb-218

تتراوح سرعة جسيم ألفا المنطلق في لحظة الانبعاث من 12 إلى 20 ألف كم / ثانية. كونه في فراغ ، فإن مثل هذا الجسيم سيحلق حول الكرة الأرضية في ثانيتين ، متحركًا على طول خط الاستواء.

اضمحلال بيتا

الفرق بين هذا الجسيم والإلكترون في المكانمظهر خارجي. يحدث تسوس بيتا في نواة الذرة ، وليس في غلاف الإلكترون المحيط بها. غالبًا ما توجد من جميع التحولات المشعة الموجودة. يمكن ملاحظته في جميع العناصر الكيميائية الموجودة حاليًا تقريبًا. ويترتب على ذلك أن كل عنصر له نظير واحد على الأقل قابل للتحلل. في معظم الحالات ، نتيجة تسوس بيتا يحدث تحلل بيتا ناقص.

تقدم رد الفعل

يتم إخراج هذه العملية مننواة الإلكترون ، والتي نشأت بسبب التحول التلقائي للنيوترون إلى إلكترون وبروتون. في هذه الحالة ، تبقى البروتونات ، بسبب الكتلة الأكبر ، في النواة ، والإلكترون ، المسمى بجسيم بيتا ناقص ، يترك الذرة. ونظرًا لوجود عدد أكبر من البروتونات بواحد ، فإن نواة العنصر نفسه تتغير لأعلى وتقع على يمين الأصل في الجدول الدوري.

أمثلة

اضمحلال بيتا مع البوتاسيوم 40 يحولها إلى نظيرالكالسيوم الموجود على اليمين. يصبح الكالسيوم المشع 47 سكانديوم -47 ، والذي يمكن تحويله إلى تيتانيوم -47 مستقر. كيف يبدو هذا الاضمحلال بيتا؟ معادلة:

Ca-47 -> Sc-47 -> Ti-47

تبلغ سرعة هروب جسيم بيتا 0.9 ضعف سرعة الضوء ، أي ما يعادل 270 ألف كم / ثانية.

لا يوجد الكثير من النويدات النشطة بيتا في الطبيعة.هناك عدد غير قليل من الأشياء المهمة. مثال على ذلك البوتاسيوم -40 ، وهو 119/10000 فقط في الخليط الطبيعي. أيضًا ، النويدات المشعة الطبيعية بيتا ناقص النشاط من بين أهمها هي نواتج اضمحلال ألفا وبيتا لليورانيوم والثوريوم.

يحتوي تسوس بيتا على مثال نموذجي:الثوريوم 234 ، الذي يتحول في اضمحلال ألفا إلى بروتكتينيوم -234 ، ثم يتحول بنفس الطريقة إلى يورانيوم ، لكن نظيره الآخر 234. يتحول هذا اليورانيوم 234 مرة أخرى إلى الثوريوم بسبب اضمحلال ألفا ، ولكنه بالفعل نوع مختلف ... ثم يتحول هذا الثوريوم 230 إلى الراديوم 226 ، والذي يتحول إلى رادون. وبنفس التسلسل ، حتى الثاليوم ، فقط مع انتقالات بيتا مختلفة. ينتهي اضمحلال بيتا المشع هذا بتكوين رصاص مستقر 206. هذا التحول له الصيغة التالية:

Th-234 -> Pa-234 -> U-234 -> Th-230 -> Ra-226 -> Rn-222 -> At-218 -> Po-214 -> Bi-210 -> Pb-206

النويدات المشعة النشطة بيتا الطبيعية والهامة هي K-40 وعناصر من الثاليوم إلى اليورانيوم.

تسوس بيتا بلس

هناك أيضًا تحول بيتا زائد.ويسمى أيضا اضمحلال بيتا البوزيترون. ينبعث من النواة جسيم يسمى البوزيترون. والنتيجة هي تحويل العنصر الأصلي إلى العنصر الموجود على اليسار ، والذي يحتوي على رقم أقل.

مثال

عند حدوث اضمحلال بيتا الإلكتروني ، يصبح المغنيسيوم 23 نظيرًا ثابتًا للصوديوم. اليوروبيوم -150 المشع يصبح السماريوم 150.

يمكن أن ينتج عن تفاعل تحلل بيتا الناتج انبعاثات بيتا + وبيتا. سرعة هروب الجسيمات في كلتا الحالتين هي 0.9 ضعف سرعة الضوء.

الاضمحلال الإشعاعي الأخرى

بصرف النظر عن تفاعلات مثل تسوس ألفا واضمحلال بيتا ، والتي تُعرف صيغتها على نطاق واسع ، هناك عمليات أخرى أكثر ندرة ومميزة للنويدات المشعة الاصطناعية.

اضمحلال النيوترون... ينبعث الجسيم المحايد 1وحدات الكتلة. خلال ذلك ، يتم تحويل أحد النظائر إلى نظير آخر برقم كتلة أقل. مثال على ذلك هو تحويل الليثيوم -9 إلى الليثيوم -8 والهيليوم -5 إلى الهيليوم -4.

عند تعريضه للإشعاع بكميات جاما للنظير المستقر اليود -127 ، يصبح النظير 126 ويصبح مشعًا.

اضمحلال البروتون... إنه نادر للغاية. أثناء ذلك ، ينبعث بروتون ، له شحنة +1 ووحدة كتلة واحدة. يصبح الوزن الذري أقل قيمة.

أي تحول إشعاعي ، على وجه الخصوص ،الاضمحلال الإشعاعي ، مصحوبًا بإطلاق طاقة على شكل إشعاع جاما. يطلق عليه جاما كوانتا. في بعض الحالات ، لوحظ انخفاض طاقة الأشعة السينية.

اضمحلال جاما. إنه تيار من كوانتا جاما.إنه إشعاع كهرومغناطيسي أشد من الأشعة السينية التي تستخدم في الطب. ونتيجة لذلك ، تظهر كوانت جاما ، أو الطاقة المتدفقة من نواة الذرة. الأشعة السينية هي أيضًا كهرومغناطيسية ، لكنها تنشأ من قذائف الإلكترون للذرة.

تشغيل الجسيمات ألفا

تتحرك جسيمات ألفا التي كتلتها 4 وحدات ذرية وشحنة +2 في خط مستقيم. لهذا السبب ، يمكننا التحدث عن نطاق جسيمات ألفا.

الأميال تعتمد على الطاقة الأولية ويتراوح من 3 إلى 7 (أحيانًا 13) سم في الهواء. في بيئة كثيفة ، تبلغ مساحتها جزء من مائة من المليمتر. مثل هذا الإشعاع لا يمكن أن يخترق ورقة وجلد الإنسان.

بسبب كتلته الخاصة ورقم الشحنةيمتلك جسيم ألفا أكبر قدرة تأين ويدمر كل شيء في طريقه. في هذا الصدد ، تكون النويدات المشعة ألفا أكثر خطورة على البشر والحيوانات عند تعرضها للجسم.

اختراق جسيمات بيتا

بسبب العدد الكتلي الصغير الذي كان عام 1836أصغر من البروتون ، مع شحنة وحجم سالبين ، فإن إشعاع بيتا له تأثير ضعيف على المادة التي يطير من خلالها ، ولكن علاوة على ذلك ، فإن الرحلة أطول. أيضًا ، مسار الجسيم ليس مباشرًا. في هذا الصدد ، يتحدثون عن قدرة اختراق تعتمد على الطاقة المستلمة.

قدرات اختراق جسيمات بيتا التي نشأتأثناء التحلل الإشعاعي ، تصل إلى 2.3 متر في الهواء ، وفي السوائل يتم العد بالسنتيمتر ، وفي المواد الصلبة - في أجزاء من السنتيمتر. تنقل أنسجة جسم الإنسان الإشعاع بعمق 1.2 سم. طبقة بسيطة من الماء تصل إلى 10 سم يمكن أن تكون بمثابة حماية ضد إشعاع بيتا ، ويتم امتصاص تدفق الجسيمات التي لها طاقة تحلل عالية بما يكفي تبلغ 10 ميغا إلكترون فولت بالكامل تقريبًا بواسطة هذه الطبقات: الهواء - 4 م ؛ ألومنيوم - 2.2 سم ؛ حديد - 7.55 مم ؛ رصاص - 5.2 مم.

نظرًا لصغر حجمها ، تتمتع جسيمات بيتا بقدرة منخفضة على التأين مقارنة بجزيئات ألفا. ومع ذلك ، إذا تم تناولها ، فإنها تكون أكثر خطورة بكثير من التعرض الخارجي.

أعلى معدلات الاختراق للجميعأنواع الإشعاع تحتوي حاليًا على نيوترون وجاما. يصل مدى هذه الإشعاعات في الهواء أحيانًا إلى عشرات ومئات الأمتار ، ولكن مع مؤشرات تأين أقل.

معظم نظائر كوانتا جاما ليست كذلكتتجاوز مؤشرات 1.3 MeV. من حين لآخر ، يتم الوصول إلى قيم 6.7 MeV. في هذا الصدد ، للحماية من هذه الإشعاعات ، يتم استخدام طبقات من الفولاذ والخرسانة والرصاص لعامل التوهين.

على سبيل المثال ، لإضعاف عشرة أضعافأشعة جاما من الكوبالت ، الحماية من الرصاص مطلوبة بسمك حوالي 5 سم ، للتوهين 100 ضعف ، 9.5 سم ستكون الحماية من الخرسانة 33 و 55 سم ، والماء - 70 و 115 سم.

يعتمد الأداء المؤين للنيوترونات على أداء طاقتها.

في أي حالة ، ستكون أفضل طريقة للوقاية من الإشعاع هي أقصى مسافة من المصدر وأقل وقت ممكن في منطقة الإشعاع العالية.

انشطار النوى الذرية

الانشطار النوى الذري يعني تقسيم النواة تلقائيًا أو تحت تأثير النيوترونات إلى قسمين متساويين في الحجم تقريبًا.

يصبح هذان الجزءان نظائر مشعة لعناصر من الجزء الرئيسي من جدول العناصر الكيميائية. يبدأون من النحاس إلى اللانثانيدات.

أثناء الاختيار ، ينفجر زوجان إضافيان.النيوترونات وهناك فائض من الطاقة في شكل كوانت جاما ، وهي أكبر بكثير مما كانت عليه أثناء الاضمحلال الإشعاعي. لذلك ، مع فعل واحد من الاضمحلال الإشعاعي ، يظهر كم واحد من جاما ، وأثناء فعل الانشطار ، تظهر 8.10 جاما كوانتا. أيضًا ، تحتوي الأجزاء المتناثرة على طاقة حركية كبيرة تتحول إلى مؤشرات حرارية.

النيوترونات المحررة قادرة على استفزاز انفصال زوج من النوى المتشابهة إذا كانتا في مكان قريب وضربتهما النيوترونات.

في هذا الصدد ، ينشأ احتمال حدوث تفاعل متسلسل متشعب ومتسارع لفصل النوى الذرية وخلق كمية كبيرة من الطاقة.

عندما يكون مثل هذا التفاعل المتسلسل تحتالتحكم ، ثم يمكن استخدامه لأغراض معينة. على سبيل المثال ، للتدفئة أو الكهرباء. يتم تنفيذ هذه العمليات في محطات الطاقة النووية والمفاعلات.

إذا فقدت السيطرة على التفاعل ، فسيحدث انفجار ذري. يستخدم مماثل في الأسلحة النووية.

في ظل الظروف الطبيعية ، يوجد عنصر واحد فقط - اليورانيوم ، الذي يحتوي على نظير انشطاري واحد فقط برقم 235. وهو من فئة الأسلحة.

في مفاعل ذري يورانيوم عادي منيشكل اليورانيوم 238 تحت تأثير النيوترونات نظيرًا جديدًا برقم 239 ، ومنه - البلوتونيوم الاصطناعي ولا يحدث بشكل طبيعي. في هذه الحالة ، يتم استخدام البلوتونيوم 239 الناتج لأغراض الأسلحة. تقع عملية الانشطار النووي هذه في صميم جميع الأسلحة النووية والطاقة.

الظواهر مثل تسوس ألفا واضمحلال بيتا ،الصيغة التي تدرس في المدرسة منتشرة على نطاق واسع في عصرنا. بفضل هذه التفاعلات ، توجد محطات للطاقة النووية والعديد من الصناعات الأخرى القائمة على الفيزياء النووية. ومع ذلك ، لا تنس النشاط الإشعاعي للعديد من هذه العناصر. عند العمل معهم ، يلزم توفير حماية خاصة ومراعاة جميع الاحتياطات. وإلا فإنه يمكن أن يؤدي إلى كارثة لا يمكن إصلاحها.