De ce are loc decăderea radioactivă?

Degradarea radioactivă este un proces spontan prin care un nucleu atomic instabil se rupe în fragmente mai mici și mai stabile. V-ați întrebat vreodată de ce unele nuclee se descompun, în timp ce altele nu?

Practic este o chestiune de termodinamică. Fiecare atom încearcă să fie cât mai stabil. În cazul degradării radioactive, instabilitatea apare atunci când există un dezechilibru al numărului de protoni și neutroni din nucleul atomic. Practic, există prea multă energie în nucleu pentru a ține toți nucleonii la un loc. Starea electronilor unui atom nu contează pentru descompunere, deși și ei au propriul lor mod de a găsi stabilitatea. Dacă nucleul unui atom este instabil, în cele din urmă se va destrăma pentru a pierde cel puțin unele particule care îl fac instabil. Nucleul original se numește părinte, în timp ce nucleul sau nucleele rezultate sunt numite fiică sau fiice. Fiicele ar putea fi încă radioactive, în cele din urmă se vor împărți în mai multe părți sau s-ar putea să fie stabile.

Trei tipuri de degradare radioactivă

Există trei forme de degradare radioactivă: care dintre acestea suferă un nucleu atomic depinde de natura instabilității interne. Unii izotopi pot descompune prin mai multe căi.

Alpha Decay

În degradarea alfa, nucleul ejectează o particulă alfa, care este în esență un nucleu de heliu (doi protoni și doi neutroni), scăzând numărul atomic al părintei cu doi și numărul de masă cu patru..

Beta Decay

În descompunerea beta, un flux de electroni, numiți particule beta, este ejectat din părinte, iar un neutron din nucleu este transformat într-un proton. Numărul de masă al noului nucleu este același, dar numărul atomic crește cu unu.

Gamma Decay

În descompunere gamma, nucleul atomic eliberează excesul de energie sub formă de fotoni cu energie mare (radiații electromagnetice). Numărul atomic și numărul de masă rămân aceleași, dar nucleul rezultat presupune o stare de energie mai stabilă.

Radioactiv vs. stabil

Un izotop radioactiv este unul care suferă o degradare radioactivă. Termenul „stabil” este mai ambiguu, deoarece se aplică elementelor care nu se desprind, în scopuri practice, pe o durată lungă de timp. Aceasta înseamnă că izotopii stabili includ cei care nu se rup niciodată, cum ar fi protiul (constă dintr-un proton, deci nu mai rămâne nimic de pierdut), și izotopii radioactivi, precum telurul -128, care are un timp de înjumătățire de 7,7 x 10²⁴ ani. Radioizotopii cu un timp scurt de înjumătățire sunt numiți radioizotopi instabili.

Unele izotopuri stabile au mai mulți neutroni decât protonii

S-ar putea presupune că un nucleu în configurație stabilă ar avea același număr de protoni ca neutronii. Pentru multe elemente mai ușoare, acest lucru este adevărat. De exemplu, carbonul este frecvent întâlnit cu trei configurații de protoni și neutroni, numiți izotopi. Numărul protonilor nu se schimbă, deoarece acest lucru determină elementul, dar numărul neutronilor face: Carbon-12 are șase protoni și șase neutroni și este stabil; carbon-13 are și șase protoni, dar are șapte neutroni; carbon-13 este de asemenea stabil. Cu toate acestea, carbon-14, cu șase protoni și opt neutroni, este instabil sau radioactiv. Numărul de neutroni pentru un nucleu de carbon-14 este prea mare pentru ca forța atractivă puternică să-l țină împreună la nesfârșit.

Dar, pe măsură ce vă deplasați la atomi care conțin mai mulți protoni, izotopii sunt din ce în ce mai stabili cu un exces de neutroni. Acest lucru se datorează faptului că nucleonii (protonii și neutronii) nu sunt fixați în nucleu, ci se mișcă, iar protonii se resping reciproc, deoarece toate au o sarcină electrică pozitivă. Neutronii acestui nucleu mai mare acționează pentru a izola protonii de efectele reciproc.

Raportul N: Z și numere magice

Raportul dintre neutroni și protoni sau raportul N: Z este factorul primar care determină dacă un nucleu atomic este stabil sau nu. Elemente mai ușoare (Z < 20) prefer to have the same number of protons and neutrons or N:Z = 1. Heavier elements (Z = 20 to 83) prefer an N:Z ratio of 1.5 because more neutrons are needed to insulate against the repulsive force between the protons.

Există, de asemenea, ceea ce se numește numere magice, care sunt un număr de nucleoni (fie protoni, fie neutroni), care sunt în special stabile. Dacă atât numărul de protoni cât și neutronii au aceste valori, situația se numește numere magice duble. Puteți crede că este nucleul echivalent cu regula octetului care guvernează stabilitatea învelișului de electroni. Numerele magice sunt ușor diferite pentru protoni și neutroni:

• Protoni: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutroni: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Pentru a complica și mai mult stabilitatea, există mai mulți izotopi stabili cu Z: N (162 izotopi) de la egal la impar (53 izotopi), decât de la impar (la egal) (50) decât de la impar (4).

Randomitate și degradare radioactivă

O notă finală: Dacă vreun nucleu suferă o degradare sau nu este un eveniment complet aleatoriu. Timpul de înjumătățire al unui izotop este cea mai bună predicție pentru un eșantion suficient de mare de elemente. Nu poate fi folosit pentru a face niciun fel de predicție asupra comportamentului unui nucleu sau al câtorva nuclei.

Puteți trece o chestiune despre radioactivitate?