Radyoaktif bozunma - Radioactive decay

Alfa bozunması , bir atom çekirdeğinin bir alfa parçacığı yaydığı ve böylece kütle numarası 4 ve atom numarası 2 azalmış bir atoma dönüştüğü (veya "çürüdüğü") bir tür radyoaktif bozunmadır .

Radyoaktivite (aynı zamanda nükleer bozunma , radyoaktivite , radyoaktif parçalanma veya nükleer parçalanma ) sabit olmayan bir işlemdir atom çekirdeği enerji kaybeder radyasyon . Kararsız çekirdekler içeren bir malzeme radyoaktif olarak kabul edilir . En yaygın bozunma türlerinden üçü alfa bozunması ( 𝛼 bozunması ), beta bozunumu ( 𝛽 bozunması ) ve gama bozunumudur ( 𝛾 bozunumu ), bunların tümü bir veya daha fazla parçacık yaymayı içerir . Zayıf kuvvet ise mekanizma diğer iki olağan elektromanyetik ve güçlü kuvvetler tarafından idare edilirken, beta çürüme sorumludur.

Radyoaktif bozunma, tek atomlar düzeyinde stokastik (yani rastgele) bir süreçtir. Kuantum teorisine göre , atomun ne kadar süredir var olduğuna bakılmaksızın belirli bir atomun ne zaman bozunacağını tahmin etmek imkansızdır. Bununla birlikte, önemli sayıda özdeş atom için toplam bozunma hızı, bozunma sabiti veya yarı ömür olarak ifade edilebilir . Radyoaktif atomların yarı ömürleri çok geniş bir aralığa sahiptir; neredeyse anından evrenin yaşından çok daha uzun bir zamana kadar .

Çürüyen çekirdeğe ana radyonüklid (veya ana radyoizotop ) denir ve süreç en az bir yavru nüklid üretir . Gama bozunması veya bir nükleer uyarılmış durumdan dahili dönüşüm dışında , bozunma, farklı sayıda proton veya nötron (veya her ikisi) içeren bir kız çocuğu ile sonuçlanan bir nükleer dönüşümdür . Proton sayısı değiştiğinde, farklı bir kimyasal elementin atomu oluşturulur.

  • Alfa bozunması , çekirdek bir alfa parçacığı (helyum çekirdeği) çıkardığında meydana gelir .
  • Beta bozunması iki şekilde gerçekleşir;
  • Gelen Gama Parçalanması bir radyoaktif çekirdek alfa veya beta parçacığın emisyonu ile ilk azalır. Ortaya çıkan yavru çekirdek genellikle uyarılmış halde bırakılır ve bir gama ışını fotonu yayarak daha düşük bir enerji durumuna bozunabilir.
  • In nötron emisyonu nedeniyle birçok ardışık çürüme diğer türdeki veya sonrasında oluşan aşırı nötron zengini çekirdekleri, nötron yakalaması itibaren bir değişiklik sonuçlanan nötron emisyonu yoluyla bazen kaybetmek enerji, izotop aynı elementin diğerine.
  • Olarak elektron yakalama çekirdeği yakalama elektron olarak adlandırılan bir süreç, bir nötron içine dönüştürmek için bir proton neden yörüngedeki bir elektron yakalayabilir. Ardından bir nötrino ve bir gama ışını yayılır.
  • Olarak kümelenme çürüme ve nükleer fizyon , bir alfa parçacığının daha ağır bir çekirdek yayılır.

Buna karşılık, nükleer bir dönüşümle sonuçlanmayan radyoaktif bozunma süreçleri vardır. Uyarılmış bir çekirdeğin enerjisi, gama bozunması adı verilen bir süreçte bir gama ışını olarak yayılabilir veya iç dönüşüm adı verilen bir süreçte, çekirdek bir yörünge elektronu ile etkileşime girerek atomdan atılmasına neden olduğunda bu enerji kaybolabilir . Başka bir radyoaktif bozunma türü, orijinal çekirdeğin bir dizi olası kütleye sahip iki veya daha fazla "parçası" olarak görünen, değişen ürünlerle sonuçlanır. Kendiliğinden fisyon olarak adlandırılan bu bozunma, kararsız büyük bir çekirdek kendiliğinden iki (veya bazen üç) daha küçük yavru çekirdeğe bölündüğünde meydana gelir ve genellikle bu ürünlerden gama ışınları, nötronlar veya diğer parçacıkların emisyonuna yol açar. Buna karşılık, spinli bir çekirdekten gelen bozunma ürünleri, bu spin yönüne göre izotropik olmayan bir şekilde dağıtılabilir . Ya bir elektromanyetik alan gibi bir dış etki nedeniyle ya da çekirdeğin dönüş yönünü kısıtlayan dinamik bir süreçte üretilmesi nedeniyle, anizotropi saptanabilir. Böyle bir ana süreç, önceki bir bozunma veya bir nükleer reaksiyon olabilir .

Her kategorideki kararlı ve radyoaktif nüklidlerin sayısını gösteren bir özet tablo için, bkz. radyonüklid . Yeryüzünde, Güneş Sistemi'nin oluşum zamanından önce tarihlenen, 34 radyonüklidden (6 elementin 2 farklı radyonüklidi vardır) oluşan radyoaktif 28 doğal olarak oluşan kimyasal element vardır . Bu 34, ilkel nüklidler olarak bilinir . İyi bilinen örnekler uranyum ve toryumdur , ancak potasyum-40 gibi doğal olarak oluşan uzun ömürlü radyoizotoplar da buna dahildir .

Dünya'da bulunan radyum-226 ve radon-222 gibi 50 kadar daha kısa ömürlü başka bir radyonüklid, ilkel nüklidlerle başlayan bozunma zincirlerinin veya devam eden kozmojenik süreçlerin ürünüdür . karbon-14 ile ilgili , nitrojen-14 ile bir atmosferde kozmik ışınlar . Radyonüklitler da olabilir yapay olarak üretilmiş içinde parçacık hızlandırıcılar veya nükleer reaktörler bir saatten fazla yarılanma ömrü olan bu 650 ile sonuçlanan, hatta daha kısa yarı ömürleri olan birkaç bin. ( Yarı ömre göre sıralanmış bunların bir listesi için nüklidlerin listesine bakın .)

keşif tarihi

Pierre ve Marie Curie, 1907'den önce Paris laboratuvarlarında

Radyoaktivite, 1896 yılında bilim adamları Henri Becquerel ve Marie Curie tarafından fosforlu malzemelerle çalışırken keşfedildi . Bu malzemeler ışığa maruz kaldıktan sonra karanlıkta parlıyor ve X-ışınları tarafından katot ışın tüplerinde üretilen parıltının fosforesans ile ilişkili olabileceğinden şüpheleniyordu . Bir fotoğraf plakasını siyah kağıda sardı ve üzerine çeşitli fosforlu tuzlar yerleştirdi . Uranyum tuzları kullanana kadar tüm sonuçlar negatifti . Uranyum tuzları, plaka siyah kağıda sarılmasına rağmen plakanın kararmasına neden oldu. Bu radyasyonlara "Becquerel Işınları" adı verildi.

Kısa süre sonra, kararmanın fosforlu olmayan uranyum tuzları ve metalik uranyum tarafından da üretildiği için, plakanın kararmasının fosforesans ile ilgisi olmadığı anlaşıldı . Bu deneylerden, kağıdın içinden geçebilen ve plakanın ışığa maruz kalmış gibi tepki vermesine neden olan bir tür görünmez radyasyon olduğu açıkça ortaya çıktı.

İlk başta, yeni radyasyon, o zamanlar yakın zamanda keşfedilen X-ışınlarına benziyordu. Becquerel, Ernest Rutherford , Paul Villard , Pierre Curie , Marie Curie ve diğerleri tarafından yapılan daha fazla araştırma, bu radyoaktivite biçiminin önemli ölçüde daha karmaşık olduğunu gösterdi. Rutherford, bu tür tüm öğelerin aynı matematiksel üstel formüle göre bozunduğunu ilk fark eden kişiydi. Rutherford ve öğrencisi Frederick Soddy , birçok bozunma sürecinin bir elementin diğerine dönüşmesiyle sonuçlandığını ilk fark eden kişilerdi. Daha sonra, Fajans ve Soddy'nin radyoaktif yer değiştirme yasası , alfa ve beta bozunmasının ürünlerini tanımlamak için formüle edildi .

İlk araştırmacılar , uranyum dışında birçok başka kimyasal elementin de radyoaktif izotoplara sahip olduğunu keşfettiler . Uranyum cevherlerindeki toplam radyoaktivite için sistematik bir araştırma, Pierre ve Marie Curie'ye iki yeni elementi izole etme konusunda da rehberlik etti: polonyum ve radyum . Radyum radyoaktivite için hariç olmak üzere, radyum kimyasal benzerlik baryum ayırt etmek için bu iki eleman zorlaştırdı.

Marie ve Pierre Curie'nin radyoaktivite çalışması, bilim ve tıpta önemli bir faktördür. Becquerel'in ışınları üzerine yaptıkları araştırma, onları hem radyum hem de polonyumun keşfine götürdükten sonra , bazı ağır elementler tarafından iyonlaştırıcı radyasyon emisyonunu tanımlamak için "radyoaktivite" terimini ortaya attılar . (Daha sonra bu terim tüm elementlere genelleştirildi.) Uranyuma nüfuz eden ışınlar üzerine araştırmaları ve radyumu keşfetmeleri, radyumu kanser tedavisi için kullanma çağını başlattı. Radyum keşfi, nükleer enerjinin ilk barışçıl kullanımı ve modern nükleer tıbbın başlangıcı olarak görülebilir .

Erken sağlık tehlikeleri

1896'da erken dönem Crookes tüp aparatı ile bir X-ışını görüntüsü alma . Crookes tüpü merkezde görülebilir. Ayakta duran adam bir floroskop ekranıyla elini inceliyor ; bu, tüpü kurmanın yaygın bir yoluydu. Radyasyona maruz kalmaya karşı hiçbir önlem alınmamaktadır; tehlikeleri o zaman bilinmiyordu.

Radyoaktivite ve X ışınlarından kaynaklanan iyonlaştırıcı radyasyonun tehlikeleri hemen fark edilmedi.

röntgen

1895'te Wilhelm Röntgen tarafından X-ışınlarının keşfi, bilim adamları, doktorlar ve mucitler tarafından yaygın deneylere yol açtı. 1896 gibi erken bir tarihte pek çok insan teknik dergilerde yanık, saç dökülmesi ve daha kötüsü hikayelerini anlatmaya başladı. O yılın Şubat ayında Vanderbilt Üniversitesi'nden Profesör Daniel ve Dr. Dudley, Dudley'nin kafasının röntgen çekilmesiyle sonuçlanan ve saçlarının dökülmesine neden olan bir deney yaptılar. . Dr. HD Hawks'ın bir X-ray gösteriminde yaşadığı şiddetli el ve göğüs yanıkları ile ilgili raporu, Electrical Review'daki diğer birçok raporun ilkiydi .

Elihu Thomson ve Nikola Tesla da dahil olmak üzere diğer deneyciler de yanıklar bildirdiler. Thomson, bir süre boyunca bir parmağını bir X-ışını tüpüne kasıtlı olarak maruz bıraktı ve ağrı, şişlik ve su toplaması yaşadı. Ultraviyole ışınları ve ozon da dahil olmak üzere diğer etkiler bazen hasardan sorumlu tutuldu ve birçok doktor hala X-ışını maruziyetinin hiçbir etkisinin olmadığını iddia etti.

Buna rağmen, bazı erken sistematik tehlike araştırmaları vardı ve 1902 gibi erken bir tarihte William Herbert Rollins , X-ışınlarının dikkatsiz kullanımının içerdiği tehlikeler hakkındaki uyarılarının ne endüstri tarafından ne de meslektaşları tarafından dikkate alınmadığını neredeyse umutsuzca yazdı. Bu zamana kadar Rollins, X ışınlarının deney hayvanlarını öldürebileceğini, hamile bir kobayın kürtaj yapmasına neden olabileceğini ve bir fetüsü öldürebileceğini kanıtlamıştı. Ayrıca "hayvanların X-Işığının dış etkisine karşı duyarlılıklarının farklılık gösterdiğini" vurguladı ve hastalar X-ışınları ile tedavi edilirken bu farklılıkların dikkate alınması konusunda uyardı.

Radyoaktif maddeler

Radyoaktivite, büyük atom numaralarına sahip elementlerin karakteristiğidir. En az bir kararlı izotopu olan elementler açık mavi renkle gösterilmiştir. Yeşil, en kararlı izotopun milyonlarca yılda ölçülen yarı ömre sahip olduğu elementleri gösterir. Sarı ve turuncu giderek daha az kararlıdır ve yarı ömürleri binlerce veya yüzlerce yılda bir güne düşer. Kırmızı ve mor, en kararlı izotopların bir gün ve çok daha az bir düzende ölçülen yarı ömürleri sergilediği yüksek ve aşırı radyoaktif elementler gösterir.

Bununla birlikte, radyoaktif maddelerden kaynaklanan radyasyonun biyolojik etkilerinin ölçülmesi daha az kolaydı. Bu, birçok doktor ve şirkete radyoaktif maddeleri patentli ilaçlar olarak pazarlama fırsatı verdi . Örnekler, radyum lavman tedavileri ve tonik olarak içilecek radyum içeren sulardı. Marie Curie , radyasyonun insan vücudu üzerindeki etkilerinin iyi anlaşılmadığı konusunda uyararak bu tür bir tedaviye karşı çıktı. Curie daha sonra muhtemelen iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalmanın neden olduğu aplastik anemiden öldü . 1930'larda, bir dizi kemik nekrozu vakası ve radyum tedavisi meraklılarının ölümünden sonra, radyum içeren tıbbi ürünler piyasadan büyük ölçüde kaldırılmıştı ( radyoaktif şarlatanlık ).

Radyasyon koruması

Röntgen'in X ışınlarını keşfinden sadece bir yıl sonra , Amerikalı mühendis Wolfram Fuchs (1896) muhtemelen ilk koruma tavsiyesini verdi, ancak 1925'e kadar ilk Uluslararası Radyoloji Kongresi (ICR) yapıldı ve kurulması düşünülmedi. uluslararası koruma standartları Radyasyonun kanser riskinin etkisi de dahil olmak üzere genler üzerindeki etkileri çok sonra fark edildi. 1927'de Hermann Joseph Muller , genetik etkileri gösteren bir araştırma yayınladı ve 1946'da bulguları için Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'ne layık görüldü .

İkinci ICR, 1928'de Stockholm'de yapıldı ve röntgen biriminin benimsenmesini önerdi ve Uluslararası X-ışını ve Radyum Koruma Komitesi (IXRPC) kuruldu. Rolf Sievert Başkan seçildi, ancak itici güç İngiliz Ulusal Fizik Laboratuvarı'ndan George Kaye idi . Komite 1931, 1934 ve 1937'de toplandı.

İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra , askeri ve sivil nükleer programların bir sonucu olarak ele alınan radyoaktif maddelerin artan menzili ve miktarı, geniş meslek çalışanlarının ve halkın potansiyel olarak zararlı seviyelerde iyonlaştırıcı radyasyona maruz kalmasına neden oldu. Bu, 1950'de Londra'da toplanan savaş sonrası ilk ICR'de, şimdiki Uluslararası Radyolojik Koruma Komisyonu'nun (ICRP) doğduğu sırada ele alındı. O zamandan beri ICRP, radyasyon tehlikesinin tüm yönlerini kapsayan mevcut uluslararası radyasyondan korunma sistemini geliştirmiştir.

2020'de, Hauptmann ve aralarında Biyoistatistik Enstitüleri, Kayıt Araştırması, Kanser Epidemiyoloji Merkezleri, Radyasyon Epidemiyolojisi ve ardından ABD Ulusal Kanser Enstitüsü (NCI), Uluslararası Kanser Araştırmaları Ajansı (IARC) olmak üzere sekiz ulustan diğer 15 uluslararası araştırmacı ) ve Hiroşima Radyasyon Etkileri Araştırma Vakfı, Hiroşima ve Nagazaki'deki atom bombalarının patlamalarından ve ayrıca nükleer santrallerin sayısız kazasında hayatta kalanların popülasyonlarını etkileyen "düşük dozlardan" kaynaklanan hasarı meta-analiz yoluyla kesin olarak inceledi. dünyada meydana geldi. Bu bilim adamları, JNCI Monographs: Epidemiological Studies of Low Dose Ioizing Radation and Cancer Risk'te, yeni epidemiyolojik çalışmaların düşük doz iyonlaştırıcı radyasyondan kaynaklanan aşırı kanser risklerini doğrudan desteklediğini bildirdiler. 2021'de İtalyan araştırmacı Venturi, sezyumun biyolojideki, pankreatitte ve pankreas kaynaklı diyabetteki rolü ile radyo-sezyum ve pankreas kanseri arasındaki ilk korelasyonları bildirdi.

Birimler

Radyoaktivite ve tespit edilen iyonlaştırıcı radyasyon arasındaki ilişkileri gösteren grafik

Uluslararası Birimler Sistemi (SI) radyoaktif etkinliğin birimidir becquerel bilim adamı onuruna adlandırılmış (Bq), Henri Becquerel . Bir Bq, saniyede bir dönüşüm (veya bozunma veya parçalanma) olarak tanımlanır.

Radyoaktivite eski bir birimi olan Curie başlangıçta "miktar veya kütle olarak tanımlanmıştır, Cı, radyum yayılma içinde denge bir gram ile radyum (element)". Bugün, curie olarak tanımlanır3,7 × 10 saniyede 10 parçalanma, yani 1  curie (Ci) =3.7 × 10 10  Bq . Radyolojik koruma amacıyla, Amerika Birleşik Devletleri Nükleer Düzenleme Komisyonu, SI birimlerinin yanında birim curie kullanımına izin verse de , Avrupa Birliği Avrupa ölçüm birimleri yönergeleri , bunun "halk sağlığı ... amaçları" için kullanımının 31 Aralık'a kadar aşamalı olarak kaldırılmasını gerektiriyordu. 1985.

İyonlaştırıcı radyasyonun etkileri genellikle mekanik için gri veya doku hasarı için sievert birimleriyle ölçülür .

Türler

Alfa parçacıkları bir kağıt yaprağıyla, beta parçacıkları alüminyum korumayla tamamen durdurulabilir . Gama ışınları , yalnızca çok kalın bir kurşun tabakası gibi çok daha önemli bir kütle ile azaltılabilir .
137 Cs bozunma şeması yarı ömürleri, yavru nüklidleri ve yayılan radyasyonun türlerini ve oranını gösterir

İlk araştırmacılar, bir elektrik veya manyetik alanın radyoaktif emisyonları üç tür ışına bölebileceğini buldu. Işınlara , maddeye nüfuz etme yeteneklerinin artan sırasına göre alfa , beta ve gama isimleri verildi . Alfa bozunması, berilyum-8 (iki alfa parçacığına bozunan) hariç, yalnızca atom numarası 52 ( tellür ) ve daha büyük elementlerde görülür . Diğer iki tür bozunma ise tüm elementlerde gözlenir. Atom numarası 82 olan kurşun, radyoaktif bozunmaya karşı kararlı (ölçüm sınırına kadar) herhangi bir izotopa sahip olan en ağır elementtir. Atom numarası 83 ( bizmut ) veya daha büyük olan tüm elementlerin tüm izotoplarında radyoaktif bozunma görülür . Ancak bizmut-209 , evrenin yaşından daha büyük bir yarı ömre sahip, sadece çok az radyoaktiftir; son derece uzun yarı ömürleri olan radyoizotoplar, pratik amaçlar için etkili bir şekilde kararlı olarak kabul edilir.

Nötron sayısı N ve atom numarası Z olan bir radyonüklidin bozunma modları için geçiş diyagramı (gösterilenler α , β ± , p + ve n 0 emisyonlarıdır, EC elektron yakalamayı gösterir ).
Nötron ve proton sayılarıyla ilgili radyoaktif bozunma türleri

Bozunma ürünlerinin doğasını analiz ederken, dış manyetik ve elektrik alanları tarafından radyasyonlara uygulanan elektromanyetik kuvvetlerin yönünden, alfa parçacıklarının pozitif bir yük taşıdığı , beta parçacıklarının negatif bir yük taşıdığı ve gama ışınlarının nötr olduğu açıktı. Sapmanın büyüklüğünden, alfa parçacıklarının beta parçacıklarından çok daha büyük olduğu açıktı . Alfa parçacıklarını çok ince bir cam pencereden geçirmek ve onları bir deşarj tüpünde tutmak, araştırmacıların yakalanan parçacıkların emisyon spektrumunu incelemesine izin verdi ve sonuçta alfa parçacıklarının helyum çekirdeği olduğunu kanıtladı . Diğer deneyler, bozunma ve katot ışınlarından kaynaklanan beta radyasyonunun yüksek hızlı elektronlar olduğunu gösterdi . Aynı şekilde gama radyasyonu ve X-ışınları da yüksek enerjili elektromanyetik radyasyon olarak bulunmuştur .

Bozunma türleri arasındaki ilişki de incelenmeye başlandı: Örneğin, gama bozunmasının hemen hemen her zaman diğer bozunma türleri ile ilişkili olduğu ve yaklaşık olarak aynı zamanda veya daha sonra meydana geldiği bulundu. Gama bozunması, kendi yarı ömrü (şimdi izomerik geçiş olarak adlandırılır ) ile ayrı bir fenomen olarak, doğal radyoaktivitede , diğer bozunma türlerinden oluşturulan, uyarılmış yarı kararlı nükleer izomerlerin gama bozunmasının bir sonucu olarak bulundu .

Alfa, beta ve gama radyasyonları en yaygın olarak bulunmasına rağmen, sonunda diğer emisyon türleri keşfedildi. Kozmik ışın ürünlerinde pozitronun keşfinden kısa bir süre sonra, klasik beta bozunmasında işleyen aynı sürecin nötrinolarla (klasik beta bozunması antinötrinoları üretir) birlikte pozitronları da ( pozitron emisyonu ) üretebileceği anlaşıldı . Elektron yakalama adı verilen daha yaygın bir benzer süreçte, bazı proton bakımından zengin nüklidlerin pozitron yaymak yerine kendi atomik elektronlarını yakaladıkları bulundu ve daha sonra bu nüklidler uyarılmış çekirdekten sadece bir nötrino ve bir gama ışını yayarlar (ve sıklıkla aynı zamanda Auger elektronları ve karakteristik X-ışınları , eksik yakalanan elektronun yerini doldurmak için elektronların yeniden sıralanmasının bir sonucu olarak). Bu tür bozunma, elektronların nükleer olarak yakalanmasını veya elektronların veya pozitronların emisyonunu içerir ve bu nedenle, belirli bir toplam nükleon sayısı için en az enerjiye sahip olan nötronların protonlara oranına doğru bir çekirdeği hareket ettirir . Bu sonuç olarak daha kararlı (düşük enerjili) bir çekirdek üretir.

(Teorik bir pozitron yakalama işlemi, elektron yakalamaya benzer şekilde, antimadde atomlarında mümkündür, ancak gözlemlenmemiştir, çünkü antihelyumun ötesindeki karmaşık antimadde atomları deneysel olarak mevcut değildir. Böyle bir bozunma, en az berilyum kadar karmaşık antimadde atomlarını gerektirir. 7 , elektron yakalama yoluyla bozunmaya uğrayan normal maddenin bilinen en hafif izotopudur.)

1932'de nötronun keşfinden kısa bir süre sonra Enrico Fermi , bazı nadir beta bozunma reaksiyonlarının hemen bozunma parçacığı ( nötron emisyonu ) olarak nötronlar verdiğini fark etti . Sonunda bazı elementlerde izole proton emisyonu gözlemlendi. Ayrıca, bazı ağır elementlerin, bileşimleri değişen ürünlere kendiliğinden fisyona uğrayabileceği de bulundu . Küme bozunması adı verilen bir fenomende , alfa parçacıkları (helyum çekirdekleri) dışındaki belirli nötron ve proton kombinasyonlarının atomlardan kendiliğinden yayıldığı bulundu.

Diğer radyoaktif bozunma türlerinin daha önce görülen parçacıkları farklı mekanizmalar yoluyla yaydığı bulundu. Bir örnek, bir ilk elektron emisyonu ve daha sonra genellikle daha fazla karakteristik X-ışınları ve Auger elektron emisyonları ile sonuçlanan dahili dönüşümdür , ancak dahili dönüşüm süreci ne beta ne de gama bozunmasını içermez. Bir nötrino yayılmaz ve yayılan elektron(lar) ve foton(lar)dan hiçbiri çekirdekten kaynaklanmaz, hepsini yaymak için gereken enerji oradan kaynaklansa bile. İç dönüşüm bozunması, izomerik geçiş gama bozunması ve nötron emisyonu gibi, bir elementin diğerine dönüşümü olmadan, uyarılmış bir nüklid tarafından enerjinin salınmasını içerir.

Aynı anda meydana gelen iki beta bozunma tipi olayın bir kombinasyonunu içeren nadir olaylar bilinmektedir (aşağıya bakınız). Enerjinin korunumu veya momentum yasalarını (ve belki de diğer parçacık korunum yasalarını) ihlal etmeyen herhangi bir bozunma sürecinin gerçekleşmesine izin verilir, ancak tümü tespit edilmemiştir. Son bölümde tartışılan ilginç bir örnek , renyum-187'nin bağlı durum beta bozunmasıdır . Bu süreçte, ana nüklidin beta elektron bozunmasına beta elektron emisyonu eşlik etmez, çünkü beta parçacığı yayan atomun K-kabuğuna yakalanmıştır. Tüm negatif beta bozunmalarında olduğu gibi bir antinötrino yayılır.

Radyonüklidler bir dizi farklı reaksiyona girebilir. Bunlar aşağıdaki tabloda özetlenmiştir. Kütle numarası A ve atom numarası Z olan bir çekirdek ( A , Z ) olarak temsil edilir . "Kız çekirdeği" sütunu, yeni çekirdek ile orijinal çekirdek arasındaki farkı gösterir. Böylece, ( A  − 1, Z ) kütle numarasının öncekinden bir eksik olduğu, ancak atom numarasının öncekiyle aynı olduğu anlamına gelir.

Enerji koşulları uygunsa, belirli bir radyonüklid, bazı atomların bir yoldan bozunması ve diğerlerinin başka bir yoldan bozunmasıyla, rekabet halindeki birçok bozunma türüne maruz kalabilir. Bir örnek, 29 protonu ve 35 nötronu olan ve yaklaşık 12.7 saatlik bir yarılanma ömrü ile bozunan bakır-64'tür . Bu izotopun bir eşleşmemiş protonu ve bir eşleşmemiş nötronu vardır, bu nedenle proton veya nötron, zıt izospinli diğer parçacığa bozunabilir . Bu özel nüklidin (bu durumdaki tüm nüklidler olmasa da ) elektron emisyonu (%39) yoluyla olduğu gibi, pozitron emisyonu (%18) veya elektron yakalama (%43 ) yoluyla bozunma olasılığı hemen hemen eşittir . Bu bozunmalardan kaynaklanan ve bir temel enerji durumunda sona ermeyen uyarılmış enerji durumları, aynı zamanda , zamanın neredeyse %0.5'inde daha sonra dahili dönüşüm ve gama bozunması üretir .

Ağır nüklidlerde daha yaygın olanı, alfa ve beta bozunması arasındaki rekabettir. Kız nüklidler daha sonra normalde aynı yerde sonlanmak üzere sırasıyla beta veya alfa yoluyla bozunurlar.

Radyoaktif bozunma , salınan enerji ( parçalanma enerjisi ) bir şekilde kaçtıktan sonra, toplam dinlenme kütlesinin azalmasına neden olur . Her ne kadar sönüm enerji üst nüklid ürünlerin kütle ve bozunma ürünlerinin kütle arasındaki farka bağlı olarak, bazen tanımlanır, bu sadece bazı enerji ürünü sistemi kaldırıldı kalan kütle ölçümleri için de geçerlidir. Bu doğrudur, çünkü bozunma enerjisi, E  =  mc 2 formülüne göre , nerede görünürse görünsün (bkz . özel görelilikte kütle ) her zaman onunla birlikte kütle taşımalıdır . Bozunma enerjisi başlangıçta yayılan fotonların enerjisi artı büyük yayılan parçacıkların (yani, durgun kütleye sahip parçacıkların) kinetik enerjisi olarak salınır. Bu parçacıklar çevreleriyle termal dengeye gelir ve fotonlar emilirse, bozunma enerjisi, kütlesini koruyan termal enerjiye dönüşür.

Bu nedenle bozunma enerjisi, bozunma enerjisi bozunma parçacıkları arasında dağılmış olsa bile, bozunma sırasında değişmeyen değişmez kütle adı verilen bozunma sisteminin kütlesinin belirli bir ölçüsüyle ilişkili kalır . Fotonların enerjisi, yayılan parçacıkların kinetik enerjisi ve daha sonra çevreleyen maddenin termal enerjisi, tümü sistemin değişmez kütlesine katkıda bulunur . Böylece, parçacıkların kalan kütlelerinin toplamı radyoaktif bozunmada korunmazken, sistem kütlesi ve sistem değişmez kütlesi (ve ayrıca sistem toplam enerjisi) herhangi bir bozunma süreci boyunca korunur. Bu eşdeğer yasaların bir yeniden ifade olan enerjinin korunumu ve kütle korunumu .

Modlar

çürüme modu katılan parçacıklar kızı çekirdek
Nükleon emisyonu ile bozunma
α Alfa bozunması  Çekirdekten yayılan bir alfa parçacığı ( A  = 4, Z = 2) ( A  − 4, Z  − 2)
P proton emisyonu Çekirdekten fırlatılan bir proton ( A  − 1, Z  − 1)
2p Çift proton emisyonu Çekirdekten aynı anda atılan iki proton ( A  − 2, Z  − 2)
n nötron emisyonu Çekirdekten atılan bir nötron ( A  − 1, Z )
2n Çift nötron emisyonu Çekirdekten aynı anda atılan iki nötron ( A  − 2, Z )
bilimkurgu spontan fisyon Çekirdek, iki veya daha fazla küçük çekirdeğe ve diğer parçacıklara parçalanır. -
CD küme bozulması Nucleus , bir alfa parçacığından daha büyük olan belirli bir tür daha küçük çekirdek ( A 1 , Z 1 ) yayar. ( A  -  A 1 , Z  -  Z 1 ) + ( A 1 , Z 1 )
Farklı beta bozunma modları
β - Beta eksi bozunma Bir çekirdek bir elektron ve bir elektron antinötrino yayar ( A , Z  +1)
β + Beta artı bozunma Bir çekirdek bir pozitron ve bir elektron nötrino yayar ( A , Z  - 1)
ε (EC) elektron yakalama Bir çekirdek yörüngedeki bir elektronu yakalar ve bir nötrino yayar; kızı çekirdeği heyecanlı bir kararsız durumda bırakılır ( A , Z  - 1)
Bağlı durum beta bozunumu Serbest bir nötron veya çekirdek beta bozunarak elektron ve antinötrinoya dönüşür, ancak elektron boş bir K-kabuğuna yakalandığı için yayılmaz; kızı çekirdeği heyecanlı ve kararsız bir durumda bırakılır. Bu süreç, hidrojen iyonizasyonunun düşük enerjisi nedeniyle serbest nötron bozunmalarının (%0.0004) bir azınlıktır ve K-kabuğu boşluklarına sahip iyonize atomlar dışında bastırılır. ( A , Z  +1)
β - β - Çift beta bozunması Bir çekirdek iki elektron ve iki antinötrino yayar ( A , Z  + 2)
εε Çift elektron yakalama Bir çekirdek iki yörünge elektronu emer ve iki nötrino yayar - kızı çekirdek uyarılmış ve kararsız bir durumda kalır ( A , Z  - 2)
Pozitron emisyonu ile elektron yakalama Bir çekirdek bir yörünge elektronunu emer, bir pozitron ve iki nötrino yayar ( A , Z  - 2)
β + β + Çift pozitron bozunması Bir çekirdek iki pozitron ve iki nötrino yayar ( A , Z  - 2)
Aynı çekirdeğin durumları arasındaki geçişler
O izomerik geçiş Heyecanlı çekirdek, yüksek enerjili bir foton ( gama ışını ) yayar ( A , Z )
Dahili dönüştürme Uyarılmış çekirdek, enerjiyi daha sonra atomdan fırlatılan bir yörünge elektronuna aktarır. ( A , Z )

Oranlar

Bozunma oranı , ya da aktivitesi , radyoaktif madde, ile karakterize edilir:

Sabit miktarlar :

  • Yarı-ömür - t 1/2 , başlangıç değerinin yarısına çürümeye radyoaktif bir maddenin belli bir miktarının aktivitesi için alınan zamandır; bkz . nüklidlerin listesi .
  • Bozunma sabiti - λ , " lambda " (ortalama yaşam süresi karşılıklı s -1 ), bazen sadece şu şekilde de ifade bozunma hızı .
  • Ortalama süresi - τ , " Tau " ortalama süresi (1 / E , bozulmadan önce bir radyoaktif parçacık ömrü).

Bunlar sabit olmakla birlikte, atom popülasyonlarının istatistiksel davranışıyla ilişkilidir . Sonuç olarak, bu sabitleri kullanan tahminler, küçük atom örnekleri için daha az doğrudur.

Prensipte bir yarı ömür, bir üçüncü ömür, hatta bir (1/ 2 )-ömür, yarı ömürle tamamen aynı şekilde kullanılabilir; ancak ortalama ömür ve yarı ömür t 1/2 , üstel bozulma ile ilişkili standart zamanlar olarak kabul edilmiştir.

Zamana göre değişen miktarlar :

  • Toplam aktiviteA , bir radyoaktif numunenin birim zamandaki bozunma sayısıdır.
  • Parçacık sayısıN , numunedeki toplam parçacık sayısıdır .
  • Spesifik aktivite - S A , sıfıra ayarlanan zamanda numunenin madde miktarı başına birim zamandaki bozunma sayısı ( t = 0). "Madde miktarı", ilk örneğin kütlesi, hacmi veya molleri olabilir.

Bunlar aşağıdaki şekilde ilişkilidir:

burada N 0 , aktif maddenin ilk miktarıdır - maddenin oluşturulduğu andaki ile aynı oranda kararsız parçacıklara sahip olan madde.

Matematik

evrensel hukuk

Radyoaktif bozunmanın matematiği, bir radyonüklidin çekirdeğinin hiçbir "hafızası" veya geçmişini şimdiki davranışına çevirme yolu olmadığı şeklindeki anahtar varsayıma dayanır. Bir çekirdek zamanın geçmesiyle "yaşlanmaz". Böylece, çekirdek ne kadar süredir var olursa olsun, parçalanma olasılığı zamanla artmaz, sabit kalır. Bu sabit olasılık, bir çekirdek türü ile diğeri arasında büyük ölçüde farklılık gösterebilir ve bu da gözlemlenen birçok farklı bozunma hızına yol açar. Ancak olasılık ne olursa olsun zamanla değişmez. Bu, otomobiller ve insanlar gibi yaşlanma gösteren karmaşık nesnelerle belirgin bir tezat oluşturuyor. Bu yaşlanan sistemlerin, var olmaya başladıkları andan itibaren artan birim zaman başına bozulma şansı vardır.

Bir atom yığınının radyoaktif bozunması gibi, tek olay gerçekleşme olasılığının çok küçük olduğu, ancak zaman dilimlerinin sayısının yine de makul bir olay hızının olduğu kadar büyük olduğu toplu süreçler, aşağıdakiler tarafından modellenir: Ayrık olan Poisson dağılımı . Radyoaktif bozunma ve nükleer parçacık reaksiyonları , bu tür toplu işlemlere iki örnektir. Poisson süreçlerinin matematiği, tek bir çekirdek yerine çok sayıda çekirdeğin istatistiksel davranışını tanımlayan üstel bozunma yasasına indirgenir . Aşağıdaki formalizmde, çekirdek sayısı veya çekirdek popülasyonu N elbette ayrı bir değişkendir ( doğal bir sayı ) - ancak herhangi bir fiziksel örnek için N o kadar büyüktür ki sürekli bir değişken olarak ele alınabilir. Nükleer bozunmanın davranışını modellemek için diferansiyel hesap kullanılır.

Tek çürüme süreci

Bir A → B süreciyle ( elektron nötrinoları gibi diğer parçacıkların emisyonu) başka bir B'ye bozunan bir A nüklidini düşünün.
ν
e
ve elektronlar e - beta bozunmasında olduğu gibi, aşağıdakiler için önemsizdir). Kararsız bir çekirdeğin bozunması zaman içinde tamamen rastgeledir, bu nedenle belirli bir atomun ne zaman bozunacağını tahmin etmek imkansızdır. Bununla birlikte, herhangi bir zamanda bozulma olasılığı eşit derecede yüksektir. Bu nedenle, belirli bir radyoizotopun bir örneği verilmiştir, bozunma olaylarının sayısı -d K zaman küçük bir aralıkta cereyan etmesi beklenen d t atomlarının sayısı ile orantılıdır , N , yani

Belirli radyonüklidler farklı hızlarda bozunurlar, dolayısıyla her birinin kendi bozunma sabiti λ vardır . Beklenen azalma −d N / N , zaman artışıyla orantılıdır, d t :

Negatif işaret , bozunma olayları birbirini takip ettiğinden , zaman arttıkça N'nin azaldığını gösterir . Bu birinci mertebeden diferansiyel denklemin çözümü şu fonksiyondur :

burada K 0 değeri N süre içinde t bozunma sabiti = 0, olarak ifade edilen X

Her zaman için elimizde t :

burada K , toplam başlangıç sayısına eşittir bozunma süreci boyunca taneciklerin sabit sayıda olan bir nüklidlerin Bu başlangıç maddesi olduğu.

Bozulmamış A çekirdeği sayısı ise:

o zaman B'nin çekirdek sayısı , yani bozunmuş A çekirdeklerinin sayısı ,

Belirli bir aralıkta gözlemlenen bozunma sayısı Poisson istatistiklerine uygundur . Çürüklere ortalama sayısı ise N çürükler belirli bir sayıda olasılığı , N olduğu

Zincir çürüme süreçleri

İki çürüme zinciri

Şimdi, iki bozunur bir zincir durum göz önünde bulundurun: bir nüklid bir başka bozunmaksızın B daha sonra, tek bir işlem ile B bir bozunmaksızın C İkinci işlem, örneğin, ile A → B → C . Önceki denklem bozunma zincirine uygulanamaz, ancak aşağıdaki gibi genelleştirilebilir. Bu yana bir ayrışan B , daha sonra oda içine bozunmaktadır C , aktivitesi A sayısı ekler B , bu örnekteki nüklidlerin daha önce bu oda nüklidler çürümeye ve daha sonra örnek giden nüklidlerin sayısını azaltır. Başka bir deyişle, A'nın birinci nesil çekirdek bozunmasının bir sonucu olarak ikinci nesil B çekirdeklerinin sayısı artar ve üçüncü nesil çekirdek C'ye kendi bozunmasının bir sonucu olarak azalır . Bu iki terimin toplamı, iki nüklid için bir bozunma zinciri yasasını verir:

Değişim oranı K B olduğu, d K B / gün t , miktarlarında değişiklikler ile ilişkilidir A ve B , N B artabilir B den üretilir A gibi azalma B üretir .

Önceki sonuçları kullanarak yeniden yazma:

Simgeler sadece ilgili nüklidlerin bakınız, örneğin , N bir tipi nüklidlerin sayısıdır A ; K bir 0 tipi nüklidlerin ilk sayısıdır ve A ; λ A , A – ve benzer şekilde nüklid B için bozunma sabitidir . Bu denklemin çözülmesi K B verir:

B'nin kararlı bir nüklid olması durumunda ( λ B = 0), bu denklem önceki çözüme indirgenir:

bir bozunma için yukarıda gösterildiği gibi. Çözüm , integral alma faktörünün e λ B t olduğu entegrasyon faktörü yöntemiyle bulunabilir . Bu durum, hem tek bozunma denklemini (yukarıda) hem de çoklu bozunma zincirleri denklemini (aşağıda) daha doğrudan türetebildiği için belki de en kullanışlı olanıdır.

Herhangi bir sayıda bozunma zinciri

Bir bozunum zinciri içinde birbirini takip eden bozunumu herhangi bir sayıda genel durum için, yani, bir 1 → bir 2 ··· → bir i · · · → bir D , burada D çürüklere sayısıdır ve I (bir kukla indeksi I = 1, 2, 3, ... D ), her bir nüklid popülasyonu önceki popülasyona göre bulunabilir. Bu durumda N 2 = 0 , N 3 = 0 ,..., N D = 0 . Yukarıdaki sonucu özyinelemeli bir biçimde kullanmak:

Özyinelemeli problemin genel çözümü Bateman denklemleri ile verilmektedir :

Bateman denklemleri

alternatif modlar

Yukarıdaki örneklerin tümünde, ilk nüklid bozunarak tek bir ürüne dönüşür. Paralel olarak A → B ve A → C olmak üzere iki üründen birine bozunabilen bir ilk nüklidin durumunu düşünün . Örneğin, bir potasyum-40 örneğinde , çekirdeklerin %89,3'ü kalsiyum-40'a ve % 10,7'si argon-40'a bozunur . Her zaman için elimizde t :

bu sabittir, çünkü toplam nüklid sayısı sabit kalır. Zamana göre farklılaşma:

toplam bozunma sabiti λ'yı kısmi bozunma sabitleri λ B ve λ C ' nin toplamı cinsinden tanımlamak :

Bu denklemi N A için çözme :

burada N A 0 , nüklid A'nın ilk sayısıdır. Bir nüklidin üretimi ölçülürken, yalnızca toplam bozunma sabiti λ gözlemlenebilir . Bozunma sabitleri λ B ve λ C , bozunmanın B veya C ürünleriyle sonuçlanma olasılığını aşağıdaki gibi belirler:

çünkü fraksiyon λ B / λ içine çekirdek çürüme B ise fraksiyon λ / A, içine çekirdek çürüme C .

yasaların sonuçları

Yukarıdaki denklemler, bir numunedeki N nüklid parçacıklarının sayısı ile ilgili miktarlar kullanılarak da yazılabilir ;

nerede L =6,022 140 76 x 10 23  mol -1 olan avagadro , E bir molar kütle kg / mol maddenin ve madde miktarı , n olduğu mol .

Çürüme zamanlaması: tanımlar ve ilişkiler

Zaman sabiti ve ortalama ömür

Tek bozunma çözümü A → B için :

denklem, bozunma sabiti λ'nın t -1 birimlerine sahip olduğunu ve dolayısıyla 1/ τ olarak da temsil edilebileceğini gösterir ; burada τ , zaman sabiti olarak adlandırılan sürecin karakteristik bir zamanıdır .

Bir radyoaktif bozunma sürecinde, bu zaman sabiti aynı zamanda bozunan atomların ortalama ömrüdür. Her atom, bozunmadan önce sonlu bir süre "yaşar" ve bu ortalama ömrün, tüm atomların yaşamlarının aritmetik ortalaması olduğu ve yine bozunma sabitiyle ilgili olan τ olduğu gösterilebilir. şöyle:

Bu form aynı zamanda A → B + C eş zamanlı iki bozunma süreçleri için de geçerlidir ve bozunma sabitlerinin eşdeğer değerlerini (yukarıda verildiği gibi) ekler.

bozunma çözümüne yol açar:

4 atomdan (solda) veya 400 atomdan (sağda) başlayarak, radyoaktif bozunmaya maruz kalan birçok özdeş atomun simülasyonu. Üstteki sayı, kaç yarılanma ömrünün geçtiğini gösterir.

Yarım hayat

Daha yaygın olarak kullanılan bir parametre, yarı ömür T 1/2'dir . Belirli bir radyonüklidin bir örneği verildiğinde, yarı ömür, radyonüklidin atomlarının yarısının bozunması için geçen süredir. Tek bozunumlu nükleer reaksiyonlar için:

yarı ömür, bozunma sabitiyle şu şekilde ilişkilidir: elde etmek için N = N 0 /2 ve t = T 1/2 olarak ayarlayın

Yarı ömür ve bozunma sabiti arasındaki bu ilişki, yüksek oranda radyoaktif maddelerin hızla tükendiğini, zayıf yayılanların ise daha uzun süre dayandığını gösterir. Bilinen bir radyonüklid yarı ömrü daha fazla 10, geniş çapta değişebilir 24 neredeyse sabit bir nüklid yıllardır 128 Te 8.6 x 10, -23 derece kararsız nüklidlerin saniye gibi 5 H .

Faktör ln (2) "yarı ömrü" kavramı sadece doğal baz dışında bir baz seçilmesi için bir yol olduğu gerçeğinden yukarıdaki ilişkiler sonuçlarında e süresi ekspresyon için. Zaman sabiti τ , e- 1   -ömrüdür, bir radyonüklidin yarı ömründeki %50'den ziyade sadece 1/ e kalana kadar geçen süre , yaklaşık % 36.8'dir . Böylece, τ , t 1/ 2'den daha uzundur . Aşağıdaki denklemin geçerli olduğu gösterilebilir:

Radyoaktif bozunma sabit bir olasılıkla üstel olduğundan, her süreç (örneğin) "(1/3)-ömrünü" veren (sadece 1/3'e ne kadar süre kaldı) farklı bir sabit zaman periyoduyla kolayca tanımlanabilir. veya "(1/10)-life" (yalnızca %10 kalana kadar geçen bir süre) vb. Bu nedenle, işaret zamanları için τ ve t 1/2 seçimi yalnızca kolaylık sağlamak için ve alışılagelmiş şekildedir. Yalnızca belirli bir radyoaktif maddenin aynı oranının , seçilen herhangi bir zaman diliminde bozunacağını gösterdikleri ölçüde temel bir ilkeyi yansıtırlar .

Matematiksel olarak, n, inci yukarıdaki durum için yaşam ayarlayarak, yukarıda-belirtildiği gibi aynı şekilde bulunabilecek N = N 0 / N , t = T 1 / n ve çürüme çözeltisi içine ikame edilerek elde etmek üzere

karbon-14 için örnek

Karbon-14 , 5.730 yıllık bir yarı ömre ve bir gram doğal karbon başına dakikada 14 parçalanma (dpm) bozulma hızına sahiptir.

Bir artefaktın mevcut C'sinin gramı başına 4 dpm'lik radyoaktiviteye sahip olduğu bulunursa, yukarıdaki denklemi kullanarak nesnenin yaklaşık yaşını bulabiliriz:

nerede:

yıllar
yıllar.

Değişen oranlar

Elektron yakalama ve iç dönüşümün radyoaktif bozunma modlarının , atomun elektronik yapısını değiştiren kimyasal ve çevresel etkilere karşı biraz hassas olduğu bilinmektedir, bu da bozunma sürecine katılan 1s ve 2s elektronlarının varlığını etkiler . Az sayıda çoğunlukla hafif nüklidler etkilenir. Örneğin, kimyasal bağlar , elektronların çekirdeğe yakınlığına bağlı olarak elektron yakalama oranını küçük bir dereceye kadar (genel olarak %1'den az) etkileyebilir. Olarak 7 , BE,% 0.9 bir fark metalik ve izole ortamlarda yarı ömürleri ile gözlemlenmiştir. Berilyum olan valans elektronları olan küçük atomudur, bu göreceli olarak geniş etki 2s atomik orbital elektron yakalama tabidir, 7 (bütün gibi çünkü Be s tüm atomların atomik orbitalleri) doğal olarak çekirdeğin içine nüfuz eder.

1992 yılında Jung ve ark. Darmstadt Ağır-İyon Araştırma grubundan 163 Dy 66+ hızlandırılmış bir β  bozunması gözlemledi . Nötr olsa da 163 Dy bir izotop, tamamen iyonize olan 163 Dy 66+ uğrar β -  çürüme K ve L kovanlarına için 163 Ho 66+ 47 günlük bir yarı ömür ile.

Renium-187 bir başka muhteşem örnektir. 187 : Yeniden normal beta bozunumları için 187 bir OS yarılanma ömrü 41.6 x 10 9  tamamen iyonize kullanarak yıldır, ancak çalışmalar 187 Re atomu (çıplak çekirdek) bu sadece 32.9 yıl azalabileceğini bulmuştur. Bu, tamamen iyonize atomun " bağlı-durumu β - bozunmasına " atfedilir - elektron, tüm düşük bağlı durumların olduğu nötr atomlar için oluşamayan "K-kabuğuna" ( 1s atomik yörünge) yayılır. dolu.

Gama ışını dedektör yanıtında günlük ve mevsimsel değişikliklere örnek.

Bir dizi deney, yapay ve doğal olarak oluşan radyoizotopların diğer modlarının bozunma oranlarının, yüksek bir hassasiyet derecesinde, sıcaklık, basınç, kimyasal ortam ve elektrik, manyetik veya yerçekimi alanları gibi dış koşullardan etkilenmediğini bulmuştur. Geçen yüzyıldaki laboratuvar deneylerinin karşılaştırılması, Oklo doğal nükleer reaktörü (ısıl nötronların nükleer bozunma üzerindeki etkilerini örnekleyen) çalışmaları ve uzak süpernovaların (çok uzakta meydana geldiği için ışık bize ulaşması için çok fazla zaman), örneğin, bozulmamış bozulma oranlarının (en azından küçük deneysel hataların sınırlamaları dahilinde) zamanın bir fonksiyonu olarak da sabit olduğunu güçlü bir şekilde gösterir.

Son sonuçlar, bozulma oranlarının çevresel faktörlere zayıf bir bağımlılığa sahip olabileceği ihtimalini ortaya koymaktadır. Silisyum-32 , manganez-54 ve radyum-226'nın bozunma oranlarının ölçümlerinin küçük mevsimsel değişiklikler (%0.1 düzeyinde) gösterdiği öne sürülmüştür . Bununla birlikte, bu tür ölçümler sistematik hatalara karşı oldukça hassastır ve sonraki bir makale, diğer yedi izotopta ( 22 Na, 44 Ti, 108 Ag, 121 Sn, 133 Ba, 241 Am, 238 Pu) bu tür korelasyonlar için hiçbir kanıt bulamadı. bu tür etkilerin boyutuna ilişkin üst sınırları belirler. Radon-222'nin bozunmasının , bir zamanlar, ya güneş patlaması aktivitesi ya da Güneş'e olan uzaklık ile ilgili olduğu öne sürülen, tepeden tepeye büyük %4'lük büyük mevsimsel varyasyonlar sergilediği rapor edildi ( grafiğe bakınız) , ancak deneyin ayrıntılı analizi. tasarım kusurları, çok daha katı ve sistematik olarak kontrol edilen diğer deneylerle karşılaştırmalarla birlikte bu iddiayı çürütüyor.

GSI anomalisi

Bir depolama halkasında dolaşan yüksek yüklü ağır radyoaktif iyonların bozunma hızına ilişkin beklenmedik bir dizi deneysel sonuç, ikna edici bir açıklama bulma çabasında teorik faaliyeti tetikledi. Yaklaşık 40 s ve 200 s yarı ömürleri olan iki radyoaktif türün zayıf bozunma oranlarının, yaklaşık 7 s'lik bir periyot ile önemli bir salınım modülasyonuna sahip olduğu bulunmuştur . Gözlenen fenomen olarak bilinir GSI anomalisinin depolama halkası bir tesis olduğu gibi Ağır İyon Araştırma GSI Helmholtz Centre içinde Darmstadt , Almanya . Bozunma süreci bir elektron nötrino ürettiği için, gözlemlenen hız salınımı için önerilen bazı açıklamalar nötrino özelliklerini çağırır. Lezzet salınımı ile ilgili ilk fikirler şüpheyle karşılandı. Daha yeni bir öneri, nötrino kütle özdurumları arasındaki kütle farklarını içerir .

teorik temel

Nötron ve proton onlara yakın yeterli bir yaklaşım çekirdekleri, hem de diğer parçacıkları oluşturan çeşitli etkileşimleri ile yönetilir. Güçlü çekirdek kuvveti değil tanıdık gözlemlenen, makroskopik ölçekte, atomaltı mesafelerde en güçlü kuvvettir. Elektrostatik kuvvet durumunda, hemen hemen her zaman önemli olduğunu ve beta çürüme , zayıf nükleer kuvvet de ilgilenmektedir.

Bu kuvvetlerin birleşik etkileri, çekirdekteki parçacıkların yeniden düzenlenmesiyle veya bir tür parçacığın diğerlerine dönüşmesiyle enerjinin serbest bırakılabileceği bir dizi farklı fenomen üretir. Bu yeniden düzenlemeler ve dönüşümler, hemen gerçekleşmemeleri için enerjisel olarak engellenebilir. Bazı durumlarda, kuantum tünelleme olarak bilinen bir fenomende, daha düşük bir enerji durumuna ("çürüme") gevşemeyi teşvik etmek için rastgele kuantum vakum dalgalanmaları teorize edilir . Nüklitlerin radyoaktif bozunma yarı ömrü , 8.6 × 10 −23 saniyeden ( hidrojen-5 için ) 7.1 × 10 31 saniyeye ( telüryum-128 için ) 54 büyüklük mertebesinde zaman ölçeklerinde ölçülmüştür . Bu zaman çizelgelerinin sınırları yalnızca enstrümantasyonun duyarlılığı ile belirlenir ve bir radyonüklidin radyoaktif bozunması için bozunma yarı ömrünün ne kadar kısa veya uzun olabileceği konusunda bilinen hiçbir doğal sınır yoktur .

Bozunma süreci, tüm engellenmiş enerji dönüşümleri gibi, bir dağdaki bir kar alanıyla benzetilebilir. Ederken sürtünme buz kristalleri arasında snow ağırlığını destekleyen olabilir, sistem daha düşük potansiyel enerji durumuna ilişkin doğal olarak stabil değildir. Böylece bir bozulma, daha büyük bir entropi durumuna giden yolu kolaylaştıracaktır ; sistem, ısı üreterek temel duruma doğru hareket edecek ve toplam enerji, daha fazla sayıda kuantum durumuna dağıtılabilir ve böylece bir çığ ile sonuçlanacaktır . Toplam enerji nedeniyle, bu süreçte değiştirmek değil, termodinamiğin ikinci yasasına , çığ sadece bir yöne gözlenmiştir ve bu "doğru olan taban durumu " - yollarından en çok sayıda devlet mevcut olan enerji dağıtılabilir.

Böyle bir çöküş (bir gama ışını bozunma olayı ) belirli bir aktivasyon enerjisi gerektirir . Bir kar çığı için, bu enerji sistemin dışından bir rahatsızlık olarak gelir, ancak bu tür rahatsızlıklar keyfi olarak küçük olabilir. Elektromanyetik radyasyonun kendiliğinden emisyonunda gama radyasyonu tarafından bozunan uyarılmış bir atom çekirdeği durumunda , keyfi olarak küçük bozulma, kuantum vakum dalgalanmalarından gelir .

Bir radyoaktif çekirdek (veya kuantum mekaniğinde herhangi bir uyarılmış sistem) kararsızdır ve bu nedenle, daha az uyarılmış bir sisteme kendiliğinden stabilize olabilir . Ortaya çıkan dönüşüm, çekirdeğin yapısını değiştirir ve ya bir foton ya da kütlesi olan yüksek hızlı bir parçacığın (bir elektron, alfa parçacığı veya başka bir tür gibi) emisyonuyla sonuçlanır .

Oluşum ve uygulamalar

Göre Büyük Patlama teorisi , kararlı hafif beş elemanlarının izotoplar ( H , He ait ve izleri Li , Be , ve B ) olarak adlandırılan bir süreçte evrenin ortaya çıkışı, sonra çok kısa bir süre üretildi Büyük Patlama nükleosentez . Bu en hafif kararlı nüklidler ( döteryum dahil ) bugüne kadar hayatta kalır, ancak Big Bang'de üretilen hafif elementlerin ( trityum gibi ) herhangi bir radyoaktif izotopu uzun zaman önce çürümüştür. Big Bang'de bordan daha ağır elementlerin izotopları hiç üretilmemiştir ve bu ilk beş elementin uzun ömürlü radyoizotopları yoktur. Bu durumda, tüm radyoaktif çekirdekler nispeten daha başka çeşitli oluşan olan, evrenin doğum göre genç nedenle olan çekirdek sentezi de yıldızlı (özellikle, süpernovaların ), ve aynı zamanda sabit izotopları ve enerji yüklü parçacıkların arasında devam eden etkileşimler sırasında. Örneğin, yalnızca 5.730 yıllık yarı ömre sahip bir radyoaktif nüklid olan karbon-14 , kozmik ışınlar ve nitrojen arasındaki etkileşimler nedeniyle sürekli olarak Dünya'nın üst atmosferinde üretilir.

Radyoaktif bozunma ile üretilen nüklitlere , kendileri kararlı olsun ya da olmasın , radyojenik nüklidler denir . Erken güneş sisteminde kısa ömürlü soyu tükenmiş radyonüklidlerden oluşan kararlı radyojenik nüklidler vardır . Bu kararlı radyojenik nüklidlerin (soyu tükenmiş iyodin-129'dan gelen ksenon-129 gibi ) ilkel kararlı nüklidlerin arka planına karşı ekstra mevcudiyeti, çeşitli yollarla çıkarılabilir.

Radyoaktif bozunma, kimyasal bir maddenin karmaşık bir sistemden (canlı bir organizma gibi ) geçişini izlemek için kullanılan radyoizotopik etiketleme tekniğinde kullanılmaya başlanmıştır . Maddenin bir numunesi, yüksek konsantrasyonda kararsız atomlarla sentezlenir. Sistemin bir veya daha fazla bölümündeki maddenin varlığı, bozunma olaylarının yerleri tespit edilerek belirlenir.

Radyoaktif bozunmanın (sadece kaotik değil ) gerçekten rastgele olduğu öncülünde, donanım rastgele sayı üreteçlerinde kullanılmıştır . Sürecin zaman içinde mekanizmada önemli ölçüde değişiklik gösterdiği düşünülmediğinden, belirli malzemelerin mutlak yaşlarını tahmin etmede de değerli bir araçtır. Jeolojik malzemeler için, radyoizotoplar ve bunların bazı bozunma ürünleri, bir kaya katılaştığında tuzağa düşer ve daha sonra katılaşma tarihini tahmin etmek için (birçok iyi bilinen niteliğe tabi olarak) kullanılabilir. Bunlar, aynı numune içinde birkaç eşzamanlı işlemin sonuçlarını ve bunların ürünlerini birbirine karşı kontrol etmeyi içerir. Benzer şekilde ve ayrıca nitelemeye tabi olarak, çeşitli dönemlerde karbon-14 oluşum hızı, belirli bir süre içinde organik maddenin oluşum tarihi, izotopun yarı ömrü ile ilgili olarak tahmin edilebilir, çünkü karbon-14 organik madde büyüdüğünde ve havadan yeni karbon-14'ü içerdiğinde kapana kısılır. Bundan sonra, organik maddedeki karbon-14 miktarı, başka yollarla da bağımsız olarak çapraz kontrol edilebilen bozunma süreçlerine göre azalır (örneğin, bireysel ağaç halkalarında karbon-14'ün kontrol edilmesi gibi).

Szilard-Chalmers etkisi

Szilard-Chalmers etkisi, radyoaktif bozunmadan verilen kinetik enerjinin bir sonucu olarak kimyasal bir bağın kırılmasıdır. Nötronların bir atom tarafından soğurulması ve ardından gama ışınlarının , genellikle önemli miktarlarda kinetik enerji ile emisyonu ile çalışır. Bu kinetik enerji, Newton'un üçüncü yasasına göre , bozunan atomu geri iter ve bu da onun kimyasal bir bağı kırmak için yeterli hızda hareket etmesine neden olur. Bu etki, izotopları kimyasal yollarla ayırmak için kullanılabilir.

Szilard–Chalmers etkisi 1934'te Leó Szilárd ve Thomas A. Chalmers tarafından keşfedildi . Nötronlar tarafından bombardıman edildikten sonra, sıvı etil iyodür içindeki bir bağın kırılmasının, radyoaktif iyotun çıkarılmasına izin verdiğini gözlemlediler.

Radyoaktif nüklidlerin kökenleri

Dünya'da bulunan radyoaktif ilkel nüklidler , güneş sisteminin oluşumundan önce meydana gelen eski süpernova patlamalarının kalıntılarıdır . Bunlar, ilkel güneş bulutsusunun oluşumu yoluyla, gezegenlerin birikmesi yoluyla ve günümüze kadar o zamandan hayatta kalan radyonüklidlerin fraksiyonudur . Günümüz kayalarında bulunan doğal olarak oluşan kısa ömürlü radyojenik radyonüklitler , bu radyoaktif ilkel nüklidlerin kızlarıdır . Doğal olarak oluşan radyoaktif nüklidlerin bir başka küçük kaynağı , Dünya atmosferi veya kabuğundaki malzemenin kozmik ışın bombardımanı ile oluşturulan kozmojenik nüklidlerdir . Dünya'nın manto ve kabuğunun kayalarındaki radyonüklidlerin bozunması, Dünya'nın iç ısı bütçesine önemli ölçüde katkıda bulunur .

Çürüme zincirleri ve çoklu modlar

Bir bozunma olayının yavru nüklidi de kararsız (radyoaktif) olabilir. Bu durumda da çürüyerek radyasyon üretecektir. Elde edilen ikinci yavru nüklid de radyoaktif olabilir. Bu, bozunma zinciri adı verilen birkaç bozunma olayı dizisine yol açabilir (önemli doğal bozunma zincirlerinin belirli ayrıntıları için bu makaleye bakın). Sonunda, kararlı bir nüklid üretilir. Alfa bozunmasının sonucu olan herhangi bir bozunma kızı da helyum atomlarının oluşmasına neden olacaktır.

Uranyum cevherinin gama ışını enerji spektrumu (iç kısım). Gama ışınları bozunan nüklidler tarafından yayılır ve gama ışını enerjisi bozunmayı (hangi nüklidin hangisine bozunuyor) karakterize etmek için kullanılabilir. Burada, gama ışını spektrumu kullanılarak, 238 U'luk bozunma zinciri için tipik olan birkaç nüklid tanımlanmıştır: 226 Ra, 214 Pb, 214 Bi.

Bir örnek, 238 U'nun doğal bozunma zinciridir :

  • Uranyum-238, alfa emisyonu yoluyla 4,5 milyar yıllık bir yarı ömre sahip toryum-234'e bozunur
  • 24 günlük yarılanma ömrü ile beta emisyonu yoluyla protaktinium-234'e bozunur
  • uranyum-234'e 1.2 dakikalık bir yarılanma ömrü ile beta emisyonu yoluyla bozunur
  • 240 bin yıllık bir yarılanma ömrü ile alfa emisyonu yoluyla toryum-230'a bozunan
  • 77 bin yıllık yarılanma ömrü ile radyum- 226'ya kadar alfa emisyonu yoluyla bozunan
  • radon-222'ye 1,6 bin yıllık bir yarı ömre sahip alfa emisyonu yoluyla bozunan
  • 3,8 günlük bir yarılanma ömrü ile alfa emisyonu yoluyla polonyum-218'e bozunur
  • 3.1 dakikalık bir yarı ömürle kurşun-214'e kadar alfa emisyonu yoluyla bozunur
  • bizmut-214'e 27 dakikalık bir yarılanma ömrü ile beta emisyonu yoluyla bozunur
  • 20 dakikalık bir yarılanma ömrü ile beta emisyonu yoluyla polonyum-214'e bozunur
  • 160 mikrosaniyelik yarılanma ömrü ile kurşun-210'a kadar alfa emisyonu yoluyla bozunur
  • 22 yıllık bir yarılanma ömrü ile bizmut-210'a beta emisyonu yoluyla bozunan
  • 5 günlük yarılanma ömrü ile beta emisyonu yoluyla polonyum-210'a bozunur
  • 140 günlük bir yarılanma ömrü ile alfa emisyonu yoluyla bozunur ve kararlı bir nüklid olan kurşun- 206'ya dönüşür .

Bazı radyonüklidlerin birkaç farklı bozunma yolu olabilir. Örneğin, bizmut-212'nin yaklaşık %36'sı alfa emisyonu yoluyla talyum-208'e bozunurken bizmut-212'nin yaklaşık %64'ü beta emisyonu yoluyla polonyum-212'ye bozunur . Hem talyum-208 hem de polonyum-212 , bizmut-212'nin radyoaktif yan ürünleridir ve her ikisi de doğrudan kararlı kurşun-208'e bozunur .

Tehlike uyarı işaretleri

Ayrıca bakınız

radyoaktif.svg Nükleer teknoloji portalı Fizik portalıÜç Bohr model yörüngesi ve stilize nükleus ile stilize atom.svg 

Notlar

Referanslar

Çizgide

Genel

Dış bağlantılar