De ce are loc decăderea radioactivă?

Cauza radioactivă este un proces spontan prin care se instabilează nucleu atomic se rupe în fragmente mai mici, mai stabile. V-ați întrebat vreodată de ce unele nuclee se descompun, în timp ce altele nu?

Practic este o chestiune de termodinamică. Fiecare atom încearcă să fie cât mai stabil. În caz de descompunere radioactivă, instabilitatea apare atunci când există un dezechilibru al numărului de protonii și neutronii în nucleul atomic. Practic, există prea multă energie în interiorul nucleului pentru a ține toți nucleonii la un loc. Starea de electronii a unui atom nu contează pentru degradare, deși și ei au propriul lor mod de a găsi stabilitatea. Dacă nucleul unui atom este instabil, în cele din urmă se va destrăma pentru a pierde cel puțin unele particule care îl fac instabil. Nucleul original se numește părinte, în timp ce nucleul sau nucleele rezultate sunt numite fiică sau fiice. Fetele s-ar putea să mai stea fii radioactiv, în cele din urmă, se vor rupe în mai multe părți, sau s-ar putea să fie stabile.

Există trei forme de degradare radioactivă: care dintre acestea suferă un nucleu atomic depinde de natura instabilității interne. Unii izotopi pot descompune prin mai multe căi.

În degradarea alfa, nucleul ejectează o particulă alfa, care este în esență un nucleu de heliu (două protoni și doi neutroni), scăzând numărul atomic al părintelui cu doi și numărul de masă cu patru.

În descompunere beta, un flux de electroni, numiți particule beta, este evacuat din părinți și un neutron din nucleu este transformat într-un proton. Numărul de masă al noului nucleu este același, dar numărul atomic crește cu unu.

În descompunere gamma, nucleul atomic eliberează excesul de energie sub formă de fotoni cu energie mare (radiații electromagnetice). Numărul atomic și numărul de masă rămân aceleași, dar nucleul rezultat presupune o stare de energie mai stabilă.

A izotop radioactiv este unul care suferă o degradare radioactivă. Termenul „stabil” este mai ambiguu, deoarece se aplică elementelor care nu se desprind, în scopuri practice, pe o perioadă lungă de timp. Aceasta înseamnă că izotopii stabili includ cei care nu se rup niciodată, cum ar fi protiumul (constă dintr-un proton, deci nu mai rămâne nimic de pierdut), și izotopi radioactivi, precum telurul -128, care are o jumătate de viață de 7,7 x 10²⁴ ani. Radioizotopii cu un timp scurt de înjumătățire sunt numiți radioizotopi instabili.

S-ar putea presupune că un nucleu în configurație stabilă ar avea același număr de protoni ca neutronii. Pentru multe elemente mai ușoare, acest lucru este adevărat. De exemplu, carbonul este frecvent întâlnit cu trei configurații de protoni și neutroni, numiți izotopi. Numărul protonilor nu se schimbă, deoarece acest lucru determină elementul, dar numărul neutronilor face: Carbon-12 are șase protoni și șase neutroni și este stabil; carbon-13 are și șase protoni, dar are șapte neutroni; carbon-13 este de asemenea stabil. Cu toate acestea, carbon-14, cu șase protoni și opt neutroni, este instabil sau radioactiv. Numărul de neutroni pentru un nucleu de carbon-14 este prea mare pentru ca forța atractivă puternică să-l țină împreună la nesfârșit.

Dar, pe măsură ce vă deplasați la atomi care conțin mai mulți protoni, izotopii sunt din ce în ce mai stabili cu un exces de neutroni. Acest lucru se datorează faptului că nucleonii (protonii și neutronii) nu sunt fixați în nucleu, ci se mișcă, iar protonii se resping reciproc, deoarece toate au o sarcină electrică pozitivă. Neutronii acestui nucleu mai mare acționează pentru a izola protonii de efectele reciproc.

Raportul dintre neutroni și protoni sau raportul N: Z este factorul primar care determină dacă un nucleu atomic este stabil sau nu. Elementele mai ușoare (Z <20) preferă să aibă același număr de protoni și neutroni sau N: Z = 1. Elementele mai grele (Z = 20 la 83) preferă un raport N: Z de 1,5, deoarece sunt necesari mai mulți neutroni pentru a se izola împotriva forței repulsive dintre protoni.

Există, de asemenea, ceea ce se numește numere magice, care sunt un număr de nucleoni (fie protoni, fie neutroni), care sunt în special stabile. Dacă atât numărul de protoni cât și neutronii au aceste valori, situația se numește numere magice duble. Puteți crede că este nucleul echivalent cu regula octetului care guvernează stabilitatea învelișului de electroni. Numerele magice sunt ușor diferite pentru protoni și neutroni:

• Protoni: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutroni: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Pentru a complica și mai mult stabilitatea, există mai mulți izotopi stabili cu Z: N (162 izotopi) de la egal la impar (53 izotopi), decât de la impar (la egal) (50) decât de la impar (4).

O notă finală: Dacă vreun nucleu suferă o degradare sau nu este un eveniment complet aleatoriu. Timpul de înjumătățire al unui izotop este cea mai bună predicție pentru un eșantion suficient de mare de elemente. Nu poate fi folosit pentru a face niciun fel de predicție asupra comportamentului unui nucleu sau al câtorva nuclei.

Puteți trece a chestionare despre radioactivitate?