Radioaktivní rozpad

Většina atomů uhlíku má v jádře šest protonů a šest neutronů. Tento uhlík se nazývá uhlík-12s (šest protonů + šest neutronů = 12). Jeho atomová hmotnost je 12. Pokud má atom uhlíku o dva neutrony více, jedná se o uhlík-14. Uhlík-14 se chemicky chová stejně jako ostatní uhlíky, protože šest protonů a šest elektronů určuje jeho chemické vlastnosti. Uhlík-14 se ve skutečnosti vyskytuje ve všech živých organismech; všechny rostliny a živočichové obsahují uhlík-14. Uhlík-14 je však radioaktivní. Rozpadá se rozpadem beta na dusík-14. Uhlík-14 je v malém množství, které se v přírodě vyskytuje, neškodný. V archeologii se tento druh uhlíku používá k určení stáří dřeva a dalších dříve živých věcí. Tato metoda se nazývá radiouhlíkové datování.

Ernest Rutherford zjistil, že tyto částice pronikají do hmoty různými způsoby. Zjistil dva různé druhy, které nazval rozpad alfa a rozpad beta. Paul Villard objevil v roce 1900 třetí druh. Rutherford jej v roce 1903 nazval rozpadem gama.

Změna radioaktivního uhlíku-14 na stabilní dusík-14 je radioaktivní rozpad. Dochází k němu, když atom vyzáří částici alfa. Částice alfa je energetický impuls, když elektron nebo pozitron opustí jádro.

Později byly objeveny další druhy rozpadu. Jednotlivé typy rozpadu se od sebe liší, protože při různých typech rozpadu vznikají různé druhy částic. Výchozí radioaktivní jádro se nazývá mateřské jádro a jádro, na které se změní, se nazývá dceřiné jádro. Vysokoenergetické částice, které vznikají při rozpadu radioaktivních materiálů, se nazývají záření.

Tyto různé druhy rozpadu mohou probíhat postupně v "rozpadovém řetězci". Jeden druh jádra se rozpadá na jiný druh, který se opět rozpadá na jiný a tak dále, dokud se nestane stabilním izotopem a řetězec neskončí.

Rychlost, s jakou tato změna probíhá, je u každého prvku jiná. Radioaktivní rozpad se řídí náhodou: Doba, za kterou se v průměru změní polovina atomů látky, se nazývá poločas rozpadu. Rychlost je dána exponenciální funkcí. Jako příklad lze uvést jód (¹³¹ I), jehož poločas rozpadu je přibližně 8 dní. U plutonia se pohybuje mezi 4 hodinami (²⁴³ Pu) a 80 miliony let (²⁴⁴ Pu).

Radioaktivní rozpad mění atom s vyšší energií uvnitř jádra na atom s nižší energií. Změna energie jádra je dána částicemi, které vznikají. Energie uvolněná radioaktivním rozpadem může být odnesena buď elektromagnetickým zářením gama (druh světla), částicí beta, nebo částicí alfa. Ve všech těchto případech dochází k přenosu změny energie jádra. A ve všech těchto případech se celkový počet kladných a záporných nábojů protonů a elektronů atomu před změnou a po ní rovná nule.

Při rozpadu alfa se z atomového jádra uvolní částice alfa. Při rozpadu alfa ztratí jádro dva protony a dva neutrony. Rozpad alfa způsobí přeměnu atomu na jiný prvek, protože atom ztratí dva protony (a dva elektrony). Pokud by například americium prošlo rozpadem alfa, změnilo by se na neptunium, protože neptunium je definováno tím, že má o dva protony méně než americium. K alfa rozpadu obvykle dochází u nejtěžších prvků, jako je uran, thorium, plutonium a radium.

Částice alfa neprojdou ani několika centimetry vzduchu. Záření alfa nemůže člověku ublížit, pokud je zdroj záření alfa mimo lidské tělo, protože lidská kůže částice alfa nepropustí. Záření alfa může být velmi škodlivé, pokud je zdroj uvnitř těla, například když lidé dýchají prach nebo plyn obsahující materiály, které se rozpadají vyzařováním částic alfa (záření).

Existují dva druhy rozpadu beta: beta plus a beta minus.

Při rozpadu beta-minus jádro odevzdá záporně nabitý elektron a neutron se změní na proton:

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

kde

n 0 {\displaystyle n^{0}} je neutron.

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

e - {\displaystyle e^{-}} je elektron.

ν Ž e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} je antineutrino.

K rozpadu beta-minus dochází v jaderných reaktorech.

Při rozpadu beta plus se z jádra uvolní pozitron, který je podobný elektronu, ale je kladně nabitý, a proton se změní na neutron:

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

kde

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

n 0 {\displaystyle n^{0}} je neutron.

e + {\displaystyle e^{+}} je pozitron.

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

K rozpadu beta-plus dochází uvnitř Slunce a v některých typech urychlovačů částic.

K rozpadu gama dochází, když jádro produkuje vysokoenergetický balík energie zvaný gama záření. Paprsky gama nemají elektrický náboj, ale mají úhlový moment hybnosti. Paprsky gama jsou obvykle emitovány z jader těsně po jiných typech rozpadu. Paprsky gama lze použít k vidění skrz materiál, k ničení bakterií v potravinách, ke zjištění některých typů onemocnění a k léčbě některých druhů rakoviny. Gama záření má nejvyšší energii ze všech elektromagnetických vln a záblesky gama záření z vesmíru jsou nejenergetičtějšími známými úniky energie.