Radioaktivt sönderfall: definition, orsaker och historik

De flesta kolatomer har sex protoner och sex neutroner i kärnan. Detta kol kallas kol-12s (sex protoner + sex neutroner = 12). Dess atomvikt är 12. Om en kolatom har två neutroner till är den kol-14. Kol-14 fungerar kemiskt som annat kol, eftersom det är de sex protonerna och sex elektronerna som styr dess kemiska egenskaper. Faktum är att kol-14 finns i alla levande varelser; alla växter och djur innehåller kol-14. Kol-14 är dock radioaktivt. Det sönderfaller genom betasönderfall och blir till kväve-14. Kol-14, i de små mängder som finns omkring oss i naturen, är ofarligt. Inom arkeologin används denna typ av kol för att bestämma åldern på trä och andra tidigare levande ting. Metoden kallas för radiokoldatering.

Ernest Rutherford upptäckte att dessa partiklar kan tränga in i materia på olika sätt. Han fann två olika typer, som han kallade alfa- och betasönderfall. Paul Villard upptäckte ett tredje slag år 1900. Rutherford kallade den för gammaförfall 1903.

Övergången från radioaktivt kol-14 till stabilt kväve-14 är ett radioaktivt sönderfall. Det sker när atomen avger en alfapartikel. En alfapartikel är en energipuls när en elektron eller positron lämnar kärnan.

Andra typer av förfall upptäcktes senare. De olika typerna av sönderfall skiljer sig från varandra eftersom olika typer av sönderfall ger upphov till olika typer av partiklar. Den radioaktiva kärnan som startar kallas moderkärna och kärnan som den förändras till kallas dotterkärna. De högenergipartiklar som produceras av radioaktiva ämnen kallas strålning.

Dessa olika typer av nedbrytning kan ske efter varandra i en "nedbrytningskedja". En typ av kärna sönderfaller till en annan typ, som återigen sönderfaller till en annan och så vidare tills den blir en stabil isotop och kedjan tar slut.

Hastigheten med vilken denna förändring sker är olika för varje element. Radioaktivt sönderfall styrs av slumpen: Den tid det i genomsnitt tar för hälften av atomerna i ett ämne att förändras kallas halveringstid. Hastigheten ges av en exponentiell funktion. Som exempel kan nämnas att jod (¹³¹ I) har en halveringstid på cirka 8 dagar. För plutonium varierar halveringstiden mellan 4 timmar (²⁴³ Pu) och 80 miljoner år (²⁴⁴ Pu).

Radioaktivt sönderfall förändrar en atom från en atom med högre energi i kärnan till en atom med lägre energi. Energiförändringen i kärnan ges till de partiklar som skapas. Den energi som frigörs vid radioaktivt sönderfall kan antingen föras bort av en gammastråle elektromagnetisk strålning (en typ av ljus), en betapartikel eller en alfapartikel. I alla dessa fall förs kärnans energiändring bort. Och i alla dessa fall summerar det totala antalet positiva och negativa laddningar hos atomens protoner och elektroner till noll före och efter förändringen.

Vid alfasönderfall släpper atomkärnan ut en alfapartikel. Alfasönderfallet gör att atomkärnan förlorar två protoner och två neutroner. Alfasönderfallet gör att atomen förändras till ett annat grundämne, eftersom atomen förlorar två protoner (och två elektroner). Om till exempel Americium skulle genomgå alfaförfall skulle det förändras till Neptunium eftersom Neptunium definieras genom att ha två protoner färre än Americium. Alfaförfall sker vanligen i de tyngsta grundämnena, t.ex. uran, torium, plutonium och radium.

Alfapartiklar kan inte ens passera genom några centimeter luft. Alfastrålning kan inte skada människor när alfastrålningskällan befinner sig utanför människokroppen, eftersom människans hud inte släpper igenom alfapartiklarna. Alfastrålning kan vara mycket skadlig om källan finns inuti kroppen, till exempel när människor andas in damm eller gas som innehåller material som sönderfaller genom att avge alfapartiklar (strålning).

Det finns två typer av betadegradering, beta-plus och beta-minus.

Vid beta-minus-sönderfallet avger kärnan en negativt laddad elektron och en neutron omvandlas till en proton:

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

där

n 0 {\displaystyle n^{0}}} är neutronen.

  p + {\displaystyle \ p^{+}} är proton.

e - {\displaystyle e^{-}} är elektronen.

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}} är anti-neutrino.

Beta-minus sönderfall sker i kärnreaktorer.

Vid beta-plus-sönderfall släpper kärnan ut en positron, som är som en elektron men positivt laddad, och en proton förvandlas till en neutron:

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

där

  p + {\displaystyle \ p^{+}} är proton.

n 0 {\displaystyle n^{0}}} är neutronen.

e + {\displaystyle e^{+}} är positronen.

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}}} är neutrino.

Beta-plus-sönderfall sker i solen och i vissa typer av partikelacceleratorer.

Gammasönderfall sker när en atomkärna producerar ett energipaket med hög energi som kallas gammastråle. Gammastrålar har ingen elektrisk laddning, men de har ett vinkelmoment. Gammastrålar avges vanligtvis från kärnor strax efter andra typer av sönderfall. Gammastrålar kan användas för att se genom material, för att döda bakterier i livsmedel, för att hitta vissa typer av sjukdomar och för att behandla vissa typer av cancer. Gammastrålar har den högsta energin av alla elektromagnetiska vågor, och gammastrålningsutbrott från rymden är de mest energirika energiavgivningar som man känner till.