Animacije radioaktivnih raspada: alfa raspad ; beta raspad

Do otkrića radioaktivnosti vjerovalo se u trajnost (vječnost) kemijskih elemenata i njihovih atoma. Radioaktivni raspad bio je prvi primjer transmutacije (pretvorbe) elemenata, s time da se na tu pretvorbu ne može djelovati tj. ne može je se ubrzati niti usporiti.

Radioaktivnost se definira kao energetska nestabilnost jezgre, što je posljedica podizanja jezgre na višu energetsku razinu ili rezultat nepovoljnog odnosa protona i neutrona u jezgri. Svaka atomska jezgra se nastoji vratiti u stabilno stanje, a taj prijelaz je popraćen emisijom nuklearnih čestica ili fotona i naziva se radioaktivnim raspadom.

POVIJESNI PREGLED

1867. godine, N. de Saint Victor (Francuska) je otkrio da list papira, koji je prethodno impregniran otopinom uranilovog nitrata, nakon izlaganja sunčevoj energiji, kasnije ima mogućnost djelovanja na fotografsku ploču i to u mraku.

Istovremeno S.P. Thompson otkriva da ako se fotografska ploča pokrije tankim slojem metala na kojem se nalazi uranova sol i sve izloži sunčevoj svjetlosti, na ploči ostaje trag. Thompson je ovu pojavu nazvao hiperfosforescencija. Međutim, nije došao do spoznaje (do koje je došao Bequerel) da za ovu pojavu nije potrebna sunčeva energija.

1896. g., H. Bequerel, proučavanjem efekta luminiscencije kalij uranilovog sulfata djelovanjem sunčeve svjetlosti na sol, ustanovio je da dolazi do zacrnjenja fotografske ploče koja je bila omotana u crni papir i bez djelovanja sunčevih zraka. On je svojim pokusima uputio na činjenicu da je atom kompleksnije građe nego što se do tada pretpostavljalo.

1898. g. Maria Curie radioaktivnost definira kao sposobnost spontanog zračenja atoma, pri čemu nastaje nova atomska vrsta. Nakon otkrića radioaktivnosti, prva ispitivanja su bila usmjerena prema proučavanju vrsta zrakâ koje emitira neki element, kao i na zakonitosti radioaktivnog raspada. paralelno s ovim istraživanjima radilo se i na izolaciji i identifikaciji novih radioaktivnih elemenata. Iste godine, zajedno sa G.C.Schmidt, otkriva da torijeve (Th) soli daju zračenje vrlo slično uranovim uzorcima.

1899. g. H. Bequerel, S. Meyer, E. von Schweidler i F. Giesel primjećuju da se radijacije radioaktivnih supstanci mogu skrenuti u magnetskom polju na jednak način kao i katodne zrake, te zaključuju postojanje negativne čestice. Istovremeno Rutherford ispituje sposobnost aluminijskih ploča da reduciraju intenzitet radijacijskog zračenja (tj. smanjuju ionizirajuću sposobnost zrakâ). Utvrdio je postojanje dvije vrste zrakâ:

1899. g. Maria Curie kemijskom analizom (postupak izolacije iz rude pitchblende) zaključuje da je aktivnost te rude jačeg intenziteta od samog urana. Njeni postupci kemijskog razlaganja i frakcijske kristalizacije predstavljaju prve korake radiokemije. Uspjela je iz navedenog minerala izolirati do tada dva nepoznata elementa koji su znatno aktivniji od samog urana, a to su radij (Rd)-1902. g. i polonij (Po; nazvala ga je prema rodnoj Poljskoj). Polonij se može pratiti samo preko aktivnosti.

1900. g. E. Dorn te Maria i Pierre Curie ispitivanjem djelovanja magnetskog polja na neke radioaktivne zrake, potvrdili su postojanje dviju vrsti zraka (b zrake skreću u magnetskom polju dok a zrake ne skreću). b čestica slična je elektronu.

Iste godine P. Villard dolazi do otkrića treće vrste zračenja koja nije skretala u magnetskom polju, ali ima veliku probojnu moć i karakteristično djelovanje na fotografsku ploču (g zrake). Nije poznato tko je dao ime g zrakama: Villard, Rutherford ili Bequerel.

1903. g. R. J. Strat, lord Railey i V. Cruxs pretpostavljaju da a zrake bez obzira što na njih ne djeluje magnetsko polje imaju naboj i da se sastoje od pozitivno nabijenih čestica sa relativno velikom masom, jer su primjetili veliku sposobnost ionizacije.

Ovu pretpostavku malo kasnije (iste godine, 1903.) potvrđuje i Rutherford, koji primjenom vrlo jakog magnetskog polja uspijeva skrenuti a zrake i to u suprotnom smjeru od struje elektrona u istom polju. Ispitivanje ponašanja a čestica dovelo je do razvitka teorije atomske strukture (Rutherfordov pokus), a također i do pronalaženja neutrona, jedne od najznačajnijih među osnovnim česticama prirode.

1904. g. Rutherford i Soddy uspijevaju identificirati sve radioelemente uranovog i torijevog niza.

1906. g. Rutherford utvrđuje stvarnu prirodu a zraka. To su jezgre helijevog atoma (prolazom alfa zraka kroz posudu načinjenu od tanke folije metala, kasnije u posudi ustanovljeno postojanje plina helija). Zajedno sa Chadwickom došao do zaključka da svi elementi od bora (B) do kalija (K) osim ugljika (C), kisika (O) i berilija (Be) ako su izloženi djelovanju alfa čestica emitiraju protone.

1909. g. T. Royds i E. Regener potvrđuju ovu pretpostavku.

1914. g. C. G. Barklari i E. Rutherford donose pretpostavku o valnoj prirodi gama zrakâ, što iste godine potvrđuju E. Rutherford i C. Andrade.

IZOTOPI

Stabilnost neke jezgre ovisi o odnosu broja protona (p) i neutrona (n). Ako se taj odnos poremeti jezgra dolazi u pobuđeno stanje, koje nije normalno za jezgru i ona će težiti za za ponovnim uspostavljanjem stabilnog stanja. To se može postići na taj način da emisijom neke čestice pređe u stabilnije stanje neke druge jezgre. Na taj način dolazi pojave radioaktivnosti, a to je zapravo spontani prijelaz jedne atomske vrste u drugu.

Do 1911. g. bilo je poznato oko 40 elemenata sa različitim radioaktivnim svojstvima, dok je u periodnom sustavu elemenata bilo samo 20 slobodnih mjesta na koja ih se moglo uvrstiti. Bilo je nekako sigurno da više radioaktivnih elemenata treba u nekim slučajevima doći na isto mjesto. Tako su Mc. Kay, B.B. Boltwood (SAD) te Markwald (Njemačka) i Soddy (Engleska) došli do nekih rezultata kojima su potvrdili mogućnost da više elemenata zauzima jedno mjesto u periodnom sustavu. Utvrđeno je da se neke grupe elemenata s potpuno različitim radioaktivnim svojstvima ne mogu odvojiti nikakvim raspoloživim kemijskim sredstvima. Iako postoji razlika u načinu njihove dezintegracije (transformacije) izgledalo je da su elementi unutar svake grupe kemijski identični.

Izotop je jedna, dvije ili više vrsti atoma istoga kemijskog elementa sa istim atomskim brojem i istim mjestom u periodnom sustavu i sa gotovo identičnim kemijskim ponašanjem, ali sa različitim atomskim masama i različitim fizičkim svojstvima.
U prirodi postoji 40-tak radioaktivnih izotopa, a preko 1000 umjetno dobivenih radioizotopa.

Na Zemlji postoji oko 330 izotopa za 90 kemijskih elemenata (počevši od vodika Z=1 do olova Z=92). Izuzetak u tom nizu čine tehnecij Z=43 (Tc) i prometij Z=61 (Pm) kojih na Zemlji uopće nema. U ovom broju najveću grupu čine stabilni izotopi oko 270. Neki elementi imaju samo jedan stabilni izotop (monoizotopi): berilij (Be), fluor (F), natrij (Na), aluminij (Al), fosfor (P), skandij (Sc), mangan (Mn), kobalt (Co), arsen (As), itrij (Y), niobij (Nb), rodij (Rh), jod (I), cezij (Cs), zlato (Au), praseodimij (Pr), terbij (Tb), holmij (Ho) i tulij (Tm). Ostali elementi imaju nekoliko stabilnih izotopa (kositar (Sn) ima 10 izotopa) i svaki uzorak tih elemenata na Zemlji, bez obzira odakle potjecao, sadrži sve stabilne izotope datog elementa, uvijek u jednakim postotnim odnosima.

Iznad rednog broja 84 pa sve do rednog broja 92 su elementi koji uopće nemaju stabilnog izotopa (u ovoj grupi je oko 45 izotopa). To su elementi prirodne radioaktivnosti. Ostalih 15 radioizotopa su izotopi nekih lakših elemenata.

Grupa transurana su umjetno dobiveni izotopi. Svi radioaktivni elementi sa velikim atomskim težinama, tj. oni koji zauzimaju redne brojeve od 81 do 92 mogu se svrstati u tri niza:

    1. Uran-radijev niz: započinje sa 238U i preko 14 transformacija (8 alfa i 6 beta) završava sa 206Pb
    2. Torijev niz: započinje sa 223Th i završava sa 208Pb
    3. Uran-aktinijev niz: započinje sa 235U i završava sa 207Pb

Svi radioaktivni elementi, članovi jednog niza, genetski su vezani i nastaju iz prvog člana niza (roditelja) postupnim raspadom. Iz prvog člana nastaje drugi, iz drugog treći itd., dok se na kraju niza nalazi stabilni izotop.

Otkriću da su pretvorbe moguće i kod neaktivnih elemenata uveliko je pridonio Rutherfordov eksperiment 1919. godine. On je izveo prvu umjetnu nuklearnu reakciju bombardiranjem dušika alfa česticama oslobođenih iz polonija (Po), a koje imaju veliku energiju:

Reakcije koje se vrše na neaktivnim jezgrama su moguće ako se one podvrgnu zračenju velike energije, tj. istog reda veličine energiji vezanja unutar jezgre (energija vezanja unutar jezgre je veća oko milijun puta od energije veza jezgre i elektrona u okruženju).

1932. g. Cookcroft i Walton prvi su izveli potpuno umjetnu pretvorbu. Za pretvorbu su upotrijebili protone ubrzane električnim poljem visokog napona u vakuum cijevi. Nakon toga slijedi nagli razvoj i otkrića mnogih nuklearnih reakcija.

ELEMENTARNE ČESTICE

Elementarne čestice su najsitniji dijelovi materije koji imaju definirane fizičke karakteristike i sposobnost za interakciju pri čemu mogu nastati atomske jezgre, kao i čitavi atomi.

Možemo ih podijeliti na stabilne i nestabilne čestice. Stabilne čestice su one koje ostaju nepromijenjene (tj. imaju stabilne karakteristike) dok traju uvjeti kada nema interakcije. Nestabilne čestice su one čestice koje nakon nekog vremena mijenjaju svoje karakteristike, tj. doživljavaju spontanu transformaciju.

U odgovarajućoj interakciji sa danim elementarnim česticama, neke stabilne se mogu transformirati dok se isto tako neke nestabilne ne transformiraju.

  1. Stabilne čestice
    • elektron (e-): najlakša čestica, mase oko 9,1x10-31 kg, s jediničnim nabojem -1,6x10-19 C
    • proton (p): mp=1,672623x10-27 kg (~1836 melektrona), s jediničnim nabojem +1,6x10-19 C
  2. Nestabilne čestice

    3. Neutroni doživljavaju transformaciju:

    , gdje je e- elektron, a n neutrino.

    U navedenoj reakciji, zbog svoje velike mase proton zadržava svoje mjesto. a elektron i neutrino napuštaju mjesto raspada. Slobodnih neutrona nema u prirodi, dok su u jezgri stabilni.

 

Označavanje jezgre:

RADIOAKTIVNI RASPADI

  1. a RASPAD - poseban tip spontanih prelaza gdje naročito teške jezgre Zł84 emisijom a čestica ( jezgre He atoma) prelaze u stanje niže energije. Maseni broj jezgre se smanjuje za 4, a redni broj za 2 i element se pomiče na lijevu stranu u periodnom sustavu elemenata. Emisijom a čestica popravlja se odnos protona i neutrona:

Najveći dio energije raspada odnosi emitirana a čestica, a manji dio jezgra. Energija a čestica (a zračenje) praktički je jednaka energiji raspada. To su precizno definirane linije-linijski spektar.

  1. b RASPAD - najuobičajeni spontani prijelaz. Tri tipa raspada:
    1. b- raspad
    2. b+ (pozitronski) raspad
    3. zahvat elektrona (ZE)

a) b- raspad - većina izotopa se dobije na taj način da se određeni materijali izlože snopu neutrona. On zaostane u jezgri i na taj način pomiče ravnotežu u korist neutrona. Neutron proživljava raspad ekvivalentan raspadu slobodnog neutrona. Izbacivanjem b- čestice (ustvari elektrona) korigira se taj odnos pretvaranjem neutrona u proton i ovaj tip reakcije je najčešći:

Redni broj izotopa raste za jedan udesno u periodnom sustavu. Energiju raspada koja je jednaka razlici početnog i krajnjeg stanja međusobno dijele elektroni i neutrino. Raspodjela nije uvijek ravnomjerna i obzirom da se opažaju samo elektroni (neutrino se teško registrira) to b zrake svaki puta imaju neki drugu energiju ovisno od toga koliku je energiju pri tome odnio neutrino-kontinuirani spektar zračenja.

b) b+ (pozitronski) raspad - U jezgrama koje su podložne ovoj vrsti raspada jedan od protona se raspada na neutron koji ostane u jezgri, pozitron (b+) koji napušta jezgru i daje pozitronsko zračenje i neutrino koji se ne opaža.

Redni broj izotopa se smanji za 1 i element se pomiče za jedno mjesto u lijevo u periodnom sustavu. Prolazeći kroz materiju emitirani pozitroni se susreću sa slobodnim elektronima i nestaju u procesu anihilacije. Takvi izotopi praktično se nalaze među prirodno radioaktivnim izotopima. Svi se oni dobiju izlaganjem stabilnih izotopa strujanjem ubrzanih čestica, najčešće protona u akceleratorima čestica-ciklotronima.

c) zahvat elektrona (ZE) - konkurentan proces b+ raspadu. U ovom zahvatu jedan od atomskih elektrona (K ljuska najbliža jezgri) privučen od protona u jezgri. Proton prelazi u neutron uz emitiranje neutrina (točno definirane energije).

Upražnjeno mjesto u K ljusci popunjava neki od elektrona sa viših stanja, te je foton XK zračenja koji se emitira iz atoma jedino zračenje koje prati ovakav raspad jezgre.

Pojedini izotopi su i a i b radioaktivni, što znači da određeni postotak jezgara proživljava a raspad, a pojedini b raspad.

  1. g RASPAD - praćen emisijom fotona, međutim to i nije pravi raspad jer u njemu jezgra ne trpi promjenu osim energetske.

    Poslije emitiranja a i b čestice ostatak jezgre potomka može također ostati u nekom od svojih pobuđenih stanja. Emisijom g fotona oslobađa se višak energije i prelazi u svoje konačno stabilno stanje.

  2. FISIJA - proces kod kojeg se radionuklid raspada u dva dijela koji imaju atomski broj veći od 2.

    Za elemente s atomskim brojem 20 i niže, jezgre su stabilne ako je odnos protona i neutrona 1. Ako redni broj raste iznad 10, odnos protona i neutrona u stabilnim jezgrama je manji od 1. Emisija se ostvaruje sve do stabilne jezgre.

    INTERAKCIJA ZRAČENJA S MATERIJOM

Svaki eksperiment sa zračenjem predstavlja u suštini prolaz zračenja kroz materiju. Pri tome oni djeluju jedno na drugo i izazivaju promjene. Djelovanje je ovisno o vrsti čestica koje prolaze kroz materijal.

U svakom eksperimentu sa zračenjem prisutna su dva osnovna faktora:

  1. snop zračenja dobiven iz nekog izvora
  2. materijal kroz koji zračenje prolazi i izaziva niz interakcijskih procesa

Prema mehaničkoj analogiji ako se čestice projektila i jezgre zamisle u obliku kuglica: pri prolasku projektila kroz apsorbens dolazi do sudara, a jačina sudara ovisi o vrsti sudara:

  1. čeoni sudar (npr. sudar sa sredinom jezgre)
  2. periferni sudar (okrznuće jezgre) ; Čeoni sudari su rjeđi.

Efekti koji prate sudare uglavnom uključuju prijenos energije: projektil prenosi energiju na jezgru adsorbensa. Najveći prijenos energije je pri čeonom sudaru, a opada s udaljenošću pravca dolaska projektila u odnosu na centar jezgre. Taj prijenos energije ovisi o odnosu mase projektila i adsorbensa, te energiji projektila.

Uslijed prijenosa energije dolazi do:

  1. Skretanja projektila, koje opet ovisi o:
    1. vrsti sudara (najveće skretanje je u čeonom sudaru)
    2. odnosu mase projektila i mete (veća masa projektila manje skretanje)
    3. kinetičkoj energiji projektila (veća kinetička energija manje skretanje)
  2. Pomaka mete (ako su dvije jezgre íkugliceý međusobno povezane i ako projektil udari samo u jednu od njih obje će se pomaknuti.
  3. Disocijacije (samo pri dovoljno jakim udarcima)
  4. Ekscitacija

    Prijenos energije na metu je:

    1. Proporcionalan s Z2projektila i Z2mete
    2. Proporcionalan s:
      1. 1/E2 (prijenos manje energije je vjerojatniji)
      2. 1/mm (lakši je prijenos na manju masu)
      3. 1/v2 (sporiji projektili više skreću i više prenose energiju)

Dio kinetičke energije projektila prenosi se na metu uslijed različitog ukupnog skretanja-snop projektila pri izlasku iz adsorbensa ima oblik lepeze.

Konačni efekti prolaza snopa kroz adsorbens:

Ovi efekti ovise o kinetičkoj energiji snopa.

Sudari: Zakon konverzacije energije zahtijeva da ukupna energija poslije sudara bude jednaka ukupnoj energiji prije sudara.

VRSTE SUDARA

  1. Elastični sudari: kinetička energija projektila zadrži isti oblik, te je suma kinetičkih energija projektila i mete poslije sudara jednaka ukupnoj kinetičkoj energiji prije sudara i čestica mete stavlja se u pokret.

    U principu ne može se govoriti o elastičnom sudaru sa vezanom česticom (elektrona iz omotaču), jer u takvom sudaru se ne smije mijenjati stanje vezanosti elektrona za jezgru, tako da se radi o sudaru sa cijelim atomom. Pošto je u jezgri koncentrirana sva masa atoma elastični sudar sa atomom može se tretirati kao sudar sa jezgrom. Elektroni također mogu djelovati svojim nabojem. ako projektil prolazi blizu jezgre na projektil djeluje sila jezgre. Ako projektil prolazi dalje od jezgre, između njih se mogu naći elektroni koji smanjuju efekt jezgre (govorimo o efektivnom naboju jezgre Zef koji je manji od Z).

    Elastični sudar može izazvati dva efekta:

    1. gubitak energije
    2. skretanje projektila

     

  2. Neleastični sudari: dio kinetičke energije koji se s projektila prenese na metu utroši se na promjenu stanja atoma i dolazi do disocijacije.

    3. Neeleastični sudar s jezgrom: jezgra djeluje na nabijenu česticu i izaziva ubrzanje i skretanje elektrona k jezgri, a alfa čestice od jezgre.

Animacije radioaktivnih raspada: alfa raspad ; beta raspad

Copyright © David Sović 2001.-