Vad är de tre typerna av kärnstrålning

Kärnstrålning hänvisar till processer där ostabila kärnor blir mer stabila genom att emittera energiska partiklar. De tre typerna av nukleär strålning avser alfa-, beta- och gammastrålning. För att bli stabil kan en kärna avge en alfapartikel (en heliumkärna) eller en beta-partikel (en elektron eller en positron). Ofta förlorar en partikel på detta sätt kärnan i en upphetsat tillstånd. Därefter frisätter kärnan den överskottsenergi i form av en gammastrålfoton.

Introduktion

En fråga består till sist av atomer. Atomer består i sin tur av protoner, neutroner och elektroner. Protoner laddas positivt och elektroner är negativt laddade. Neutroner debiteras inte. Protoner och neutroner bor inuti kärna av atomen, och protoner och neutroner kallas tillsammans nukleoner. Elektroner finns i en region runt kärnan, vilket är mycket större än kärnans storlek. I neutrala atomer är antalet protoner lika med antalet elektroner. I neutrala atomer avbryter de positiva och negativa laddningarna varandra, vilket ger en noll nettobelastning.

Strukturen hos en atom - Nukleoner finns i den centrala regionen. I den grå regionen kan elektronen hittas.

Egenskaper hos protoner, neutroner och elektroner

Partikel	Partikelklassificering	Massa	Avgift
Proton ()	baryon
Neutron ()	baryon
Elektron ()	lepton

Observera att neutronen är något tyngre än protonen.

• joner är atomer eller grupper av atomer som har förlorat eller fått elektroner, vilket gör att de har en positiv eller negativ laddning. Varje element består av en samling av atomer som har samma antal protoner. Antalet protoner bestämmer typen av atomen. Heliumatomer har till exempel 2 protoner och guldatomer har 79 protoner.
• isotoper av ett element hänvisar till atomer som har samma antal protoner, men olika antal neutroner. Till exempel: protium, deuterium och tritium är alla isotoper av väte. De har alla en proton vardera. Protium har emellertid inga neutroner. Deuterium har en neutron och tritium har två.
• Atomtal (protonnummer) (): antalet protoner i en atoms kärna.
• Neutronnummer: Antalet neutroner i en atoms kärna.
• Nukleonnummer (): Antalet nukleoner (protoner + neutroner) i en atoms kärna.

Notation för att representera Nuclei

Kärnor av en isotop är ofta representerade i följande form:

Exempelvis är väteisotoperna protium, deuterium och tritium skrivna med följande beteckning:

, , .

Ibland avges protonnumret och endast symbolen och nukleonnumret är skrivna. t.ex.,

, , .

Det finns inga problem att inte uttryckligen visa protonnumret, eftersom antalet protoner bestämmer elementet (symbolen). Ibland kan en given isotop nämnas med elementnamnet och nukleonnumret, t.ex. uran-238.

Unified Atomic Mass

Enhetlig atommassa () är definierad som massan av en kol-12-atom. .

De tre typerna av kärnstrålning

Alpha Beta och Gamma Radiation

Som vi nämnde tidigare är de tre typerna av nukleär strålning alfa-, beta- och gammastrålning. I alfa strålning, en kärna blir stabilare genom att emittera två protoner och två neutroner (en heliumkärna). Det finns tre typer av beta-strålning: beta-minus, beta plus och elektroninfångning. I beta minus strålning, en neutron kan omvandla sig till en proton, frigöra en elektron och en elektronantineutrino i processen. I beta plus strålning, en proton kan omvandla sig till en neutron, ge bort en positron och en elektronantineutrino. I elektroninspelning, en proton i kärnan fångar en elektron av atomen, omvandlar sig till en neutron och frigör en elektronnutrino i processen. Gamma-strålning avser utsläpp av gammastrålfotoner av kärnor i exciterade tillstånd, för att de ska bli spända.

Vad är Alpha Strålning

I alfa strålning, en instabil kärna avger en alfa partikel, eller a heliumkärnan (det vill säga 2 protoner och 2 neutroner), för att bli en mer stabil kärna. En alfapartikel kan betecknas som  eller .

Exempelvis genomgår en polonium-212-kärna alfaförfall för att bli en kärna av bly-208:

När kärnvattenförfall skrivs ner i denna form, Det totala antalet nukleoner på vänster sida måste vara lika med det totala antalet nukleoner på höger sida. Också,  Det totala antalet protoner på vänster sida måste vara lika med det totala antalet protoner på höger sida. I ovanstående ekvation, till exempel 212 = 208 + 4 och 84 = 82 + 2.

Dotterkärnan som alstras av ett alfaförfall har därför två protoner och fyra nukleoner mindre än moderkärnan.

I allmänhet kan vi för alphaförfall skriva:

Alfa-partiklar som emitteras under alfaförfall har specifika energier, vilket bestäms av skillnaden i massor hos moder- och dotterkärnor.

Exempel 1

Skriv ekvationen för alfaförfallet av americium-241.

Americium har ett atomnummer på 95. Under alfaförfallet skulle americiumkärnan avge en alfapartikel. Den nya kärnan som produceras ("dotterkärnan") skulle ha två mindre protoner och fyra mindre nukleoner helt och hållet. d.v.s. det borde ha ett atomnummer 93 och ett nukleonnummer 237. Atomnumret 93 avser en atom av neptunium (Np). Så skriver vi,

 

Vad är Beta Radiation

Vid beta-strålning sönderfaller en kärna genom att emittera en elektron eller en positron (en positron är antipartickel av elektronen, med samma massa men motsatt laddning). Kärnan innehåller inte elektroner eller positroner; så först måste en proton eller en neutron omvandlas, vilket vi kommer att se nedan. När en elektron eller en positron släpps, släpps också en elektronnutrino eller en elektronantineutrino för att bevara leptonnumret. Energin hos beta-partiklar (som hänvisar till antingen elektroner eller positroner) för ett visst förfall kan ta ett antal värden beroende på hur mycket av den energi som släpptes under förfallsprocessen har givits till neutrino / antineutrino. Beroende på mekanismen är det tre typer av beta-strålning: beta minus, beta plus och elektroninfångning.

Vad är Beta Minus Radiation

en beta minus () partikel är en elektron. I beta minus förfall sönder en neutron till en proton, en elektron och en elektronantineutrino:

Protonen förblir i kärnan medan elektronen och elektronen antineutrino emitteras. Beta minus processen kan sammanfattas som:

Till exempel förlorar guld-202 med beta minus utsläpp:

Vad är Beta Plus-strålning

en beta plus () partikel är en positron. I beta plus förfall omvandlas en proton till en neutron, en positron och en neutrino:

Neutronen förblir i kärnan medan positronen och elektronnutrinoen emitteras. Beta minus processen kan sammanfattas som:

Till exempel kan en fosfor-30-kärnan genomgå beta plus förfall

Vad är Electron Capture

Vid elektroninspelning "tar en proton i kärnan" en av atomens elektroner, vilket ger en neutron och en elektronnutrino:

Elektronnutrinoen sänds ut. Elektroninfångningsprocessen kan sammanfattas som:

 Till exempel visar Nickel-59 beta plus förfall som följer:

Vad är Gamma Radiation

Efter att ha genomgått alfa- eller beta-sönderfall är kärnan ofta i en upphetsad energiläge. Dessa kärnor avbryter sig själva genom att ge ett gammfoton och förlora sin överskottsenergi. Antalet protoner och neutroner förändras inte under denna process. Gamma strålning tar typiskt form:

där asteriken representerar kärnan i ett upphetsat tillstånd.

Till exempel kan kobolt-60 sönderfallas i nickel-60 via beta-sönderfall. Den bildade nickelkärnan är i ett exciterat tillstånd och avger en gammastrålfoton för att bli spännande:

Fotoner emitterade av gammastrålar har också specifika energier beroende på kärnans specifika energistatus.

Egenskaper för Alpha Beta och Gamma Radiation

Jämförbart har alfapartiklar den högsta massan och laddningen. De rör sig långsamt i jämförelse med beta- och gammapartiklar. Detta innebär att de, när de reser genom materia, kan ta bort elektroner från materiepartiklar som de kommer i kontakt med mycket lättare. Följaktligen har de den högsta joniserande kraften.

Men eftersom de lättast orsakar joniseringar, förlorar de också sin energi den snabbaste. Vanligtvis kan alfapartiklar bara resa genom ett par centimeter i luft innan de förlorar all sin energi från joniserande luftpartiklar. Alfa partiklar kan inte tränga igenom den mänskliga huden, så de kan inte orsaka skador så länge de förblir utanför kroppen. Om ett radioaktivt material som emitterar alfapartiklar intas, kan det emellertid orsaka mycket skada på grund av deras starka förmåga att orsaka jonisering.

Jämförbart är beta-partiklar (elektroner / positroner) lättare och kan resa snabbare. De har också hälften av laddningen av en alfapartikel. Detta innebär att deras joniserande kraft är mindre jämfört med alfa partiklar. Faktum är att beta partiklar kan stoppas av några millimeter aluminiumplåtar.

Fotoner som avges från gammastrålning är oladdade och "masslösa". När de passerar genom ett material kan de ge energi till elektroner som utgör materialet och orsaka joniseringar. Emellertid är deras joniserande kraft mycket mindre jämfört med alfa och beta. Å andra sidan innebär detta att deras förmåga att tränga in i material är mycket större. Ett block av bly flera centimeter tjocka kunde minska intensiteten hos gammastrålningen, men det är inte tillräckligt för att helt stoppa strålningen.

I diagrammet nedan jämförs några av egenskaperna hos alfa, beta och gamma radiaton

Fast egendom	Alfa-strålning	Betastrålning	Gammastrålning
Partikelns art	En heliumkärna	En elektron / positron	En foton
Avgift			0
Massa			0
Relativ hastighet	Långsam	Medium	Ljusets hastighet
Relativ joniseringskraft	Hög	Medium	Låg
Stoppad av	Tjockt papper	Få mm aluminiumplåt	(till viss del) Ett par cm av ett block av bly

referenser:

Partikeldata grupp. (2013). Fysiska konstanter. Hämtat den 24 juli 2015, från partikeldata-gruppen: http://pdg.lbl.gov/2014/reviews/rpp2014-rev-phys-constants.pdf