Radioaktivt henfald er den spontane proces, hvorigennem en ustabil atomkerne bryder i mindre, mere stabile fragmenter. Har du nogensinde undret dig over, hvorfor nogle kerner henfalder, mens andre ikke gør det?
Det er dybest set et spørgsmål om termodynamik. Hvert atom søger at være så stabilt som muligt. I tilfælde af radioaktivt forfald opstår ustabilitet, når der er en ubalance i antallet af protoner og neutroner i atomkernen. Grundlæggende er der for meget energi inde i kernen til at holde alle nukleonerne sammen. Status for elektronerne af et atom betyder ikke noget for henfald, selvom de også har deres egen måde at finde stabilitet på. Hvis kernen i et atom er ustabil, vil den til sidst gå i stykker for at miste mindst nogle af de partikler, der gør det ustabilt. Den originale kerne kaldes forælderen, mens den resulterende kerne eller kerner kaldes datter eller døtre. Døtrene måske stadig være radioaktiv, til sidst bryder ind i flere dele, ellers kan de være stabile.
Tre typer radioaktivt forfald
Der er tre former for radioaktivt henfald: hvilken af disse en atomkerne gennemgår afhænger af arten af den interne ustabilitet. Nogle isotoper kan forfaldne via mere end en sti.
Ved alfa-henfald udsætter kernen en alfa-partikel, som i det væsentlige er en heliumkerne (to protoner og to neutroner), hvor antallet af forældre reduceres med to og massetallet med fire.
Ved beta-henfald kastes en strøm af elektroner, kaldet beta-partikler, ud fra forælderen, og en neutron i kernen omdannes til en proton. Massetallet for den nye kerne er det samme, men atomnummeret stiger med en.
Ved gamma-henfald frigiver atomkernen overskydende energi i form af højenergifotoner (elektromagnetisk stråling). Atometallet og massetallet forbliver det samme, men den resulterende kerne antager en mere stabil energitilstand.
Radioaktiv vs. stabil
EN radioaktiv isotop er en, der gennemgår radioaktivt forfald. Udtrykket "stabil" er mere tvetydigt, da det gælder elementer, der i praktiske tilfælde ikke går i stykker over en lang periode. Dette betyder, at stabile isotoper inkluderer dem, der aldrig går i stykker, ligesom protium (består af en proton, så der er intet tilbage at miste), og radioaktive isotoper, som tellur -128, som har en halveringstid på 7,7 x 1024 flere år. Radioisotoper med en kort halveringstid kaldes ustabile radioisotoper.
Nogle stabile isotoper har flere neutroner end protoner
Du antager måske, at en kerne i stabil konfiguration ville have det samme antal protoner som neutroner. For mange lettere elementer er dette sandt. F.eks. Findes kulstof ofte med tre konfigurationer af protoner og neutroner, kaldet isotoper. Antallet af protoner ændres ikke, da dette bestemmer elementet, men antallet af neutroner gør: Carbon-12 har seks protoner og seks neutroner og er stabilt; carbon-13 har også seks protoner, men det har syv neutroner; carbon-13 er også stabil. Imidlertid er carbon-14 med seks protoner og otte neutroner ustabil eller radioaktiv. Antallet af neutroner for en carbon-14-kerne er for høj til, at den stærke attraktive kraft kan holde den sammen på ubestemt tid.
Men når du flytter til atomer, der indeholder flere protoner, er isotoper stadig mere stabile med et overskud af neutroner. Dette skyldes, at nukleonerne (protoner og neutroner) ikke er fastgjort på plads i kernen, men bevæger sig rundt, og protonerne frastøder hinanden, fordi de alle har en positiv elektrisk ladning. Neutronerne i denne større kerne fungerer til at isolere protonerne fra virkningerne af hinanden.
N: Z-forholdet og magiske numre
Forholdet mellem neutroner og protoner eller N: Z-forholdet er den primære faktor, der bestemmer, om en atomkerne er stabil eller ej. Lettere elementer (Z <20) foretrækker at have det samme antal protoner og neutroner eller N: Z = 1. Tyngre elementer (Z = 20 til 83) foretrækker et N: Z-forhold på 1,5, fordi der kræves flere neutroner for at isolere mod den frastødende kraft mellem protonerne.
Der er også hvad der kaldes magiske tal, som er antallet af nukleoner (enten protoner eller neutroner), der er særligt stabile. Hvis både antallet af protoner og neutroner har disse værdier, betegnes situationen dobbelt magiske tal. Du kan tænke på dette som at være den kerne, der svarer til oktet regel styrende elektronskal stabilitet. De magiske numre er lidt forskellige for protoner og neutroner:
- Protoner: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
- Neutroner: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184
For yderligere at komplicere stabiliteten er der mere stabile isotoper med jævn til jævn Z: N (162 isotoper) end jævn til ulige (53 isotoper) end ulige til jævn (50) end ulige til ulige værdier (4).
Tilfældighed og radioaktivt forfald
En sidste note: Hvorvidt en kerne gennemgår forfald eller ej er en helt tilfældig begivenhed. Halveringstiden for en isotop er den bedste forudsigelse for en tilstrækkelig stor prøve af elementerne. Det kan ikke bruges til at foretage nogen form for forudsigelse om opførsel af en kerne eller et par kerner.
Kan du passere en quiz om radioaktivitet?