10.2: رادیواکتیویته
- Page ID
- 217328
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)- برای تعریف و ارائه نمونه هایی از انواع اصلی رادیواکتیویته.
اتم ها از ذرات زیر اتمی - پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها تشکیل شده اند. پروتون ها و نوترون ها در هسته قرار دارند و بیشتر جرم اتم را فراهم می کنند، در حالی که الکترون ها هسته را در پوسته ها و زیر پوسته ها می چرخند و اندازه اتم را تشکیل می دهند. به یاد داشته باشید، نشانه ای برای نشان دادن مختصر یک ایزوتوپ از یک اتم خاص:
\[\ce{^{12}_{6}C} \nonumber \]
عنصر در این مثال، که با نماد C نشان داده شده است، کربن است. عدد اتمی آن، 6، زیرنویس پایین سمت چپ روی نماد است و تعداد پروتون ها در اتم است. عدد جرمی، رونوشت سمت چپ بالای نماد، مجموع تعداد پروتون ها و نوترون ها در هسته این ایزوتوپ خاص است. در این مورد، عدد جرمی 12 است، به این معنی که تعداد نوترون ها در اتم 6 − 12 = 6 است (یعنی تعداد جرمی اتم منهای تعداد پروتون ها در هسته برابر تعداد نوترون ها است). گاهی اوقات عدد اتمی در این نماد حذف می شود زیرا نماد عنصر خود عدد اتمی مشخصه آن را منتقل می کند. دو ایزوتوپ هیدروژن، 2 H و 3 H، به ترتیب نام های خود را دارند: دوتریم (D) و تریتیوم (T). روش دیگر بیان یک ایزوتوپ خاص این است که عدد جرمی را بعد از نام عنصر فهرست کنید، مانند کربن 12 یا هیدروژن 3.
نظریه اتمی در قرن نوزدهم فرض کرد که هسته ها دارای ترکیبات ثابت هستند. اما در سال ۱۸۹۶ هانری بکرل دانشمند فرانسوی دریافت که یک ترکیب اورانیومی که در نزدیکی یک صفحه عکاسی قرار داده شده تصویری بر روی صفحه ایجاد میکند، حتی اگر این ترکیب در پارچهای سیاه پیچیده شده باشد. او استدلال کرد که ترکیب اورانیوم نوعی تابش را از خود ساطع می کند که از پارچه عبور می کند تا صفحه عکاسی را در معرض دید قرار دهد. تحقیقات بیشتر نشان داد که این تابش ترکیبی از ذرات و پرتوهای الکترومغناطیسی است که منبع نهایی آن هسته اتم است. این تابش ها در نهایت، به طور کلی، رادیواکتیویته نامیده می شود.
سه شکل اصلی انتشار رادیواکتیو وجود دارد. اولین ذره آلفا نامیده می شود که با حرف یونانی α نماد می شود. یک ذره آلفا از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است و بنابراین همان هسته هلیوم است. (ما اغلب \(\ce{^{4}_{2}He}\) برای نشان دادن یک ذره آلفا استفاده می کنیم.) شارژ 2+ دارد. هنگامی که یک اتم رادیواکتیو یک ذره آلفا از خود ساطع میکند، عدد اتمی اتم اصلی دو کاهش مییابد (به دلیل از دست دادن دو پروتون)، و عدد جرمی آن به میزان چهار کاهش مییابد (به دلیل از دست دادن چهار ذره هستهای). ما می توانیم انتشار یک ذره آلفا را با یک معادله شیمیایی نشان دهیم - به عنوان مثال، انتشار ذره آلفا اورانیوم 235 به شرح زیر است:
\[\ce{^{235}_{92}U \rightarrow \,_2^4He + \, _{90}^{231}Th}\nonumber \]
چگونه می دانیم که یک محصول از واکنش است\(\ce{^{231}_{90}Th}\)؟ ما از قانون حفاظت از ماده استفاده می کنیم که می گوید ماده نمی تواند ایجاد یا نابود شود. این بدان معنی است که ما باید تعداد پروتون و نوترون در هر دو طرف معادله شیمیایی داشته باشیم. اگر هسته اورانیوم ما 2 پروتون از دست بدهد، 90 پروتون باقی می ماند و عنصر را به عنوان توریم شناسایی می کند. علاوه بر این، اگر 4 ذره هسته ای از 235 اصلی را از دست بدهیم، 231 باقی مانده است. بنابراین، ما از تفریق برای شناسایی ایزوتوپ اتم توریم استفاده می کنیم - در این مورد،. \(\ce{^{231}_{90}Th}\)
شیمیدانان اغلب از نام ایزوتوپ مادر و ایزوتوپ دختر برای نشان دادن اتم اصلی و محصول غیر از ذره آلفا استفاده می کنند. در مثال قبلی، \(\ce{^{235}_{92}U}\) ایزوتوپ والد \(\ce{^{231}_{90}Th}\) است و ایزوتوپ دختر است. هنگامی که یک عنصر به این روش به عنصر دیگر تبدیل می شود، دچار فروپاشی رادیواکتیو می شود.
معادله هسته ای را بنویسید که نشان دهنده فروپاشی رادیواکتیو رادون 222 توسط انتشار ذرات آلفا است و ایزوتوپ دختر را شناسایی کنید.
راه حل
رادون دارای عدد اتمی 86 است، بنابراین ایزوتوپ مادر به صورت \(\ce{^{222}_{86}Rn}\) نشان داده می شود. ما ذره آلفا را به عنوان نشان می دهیم \(\ce{^{4}_{2}He}\) و از تفریق (222 - 4 = 218 و 86 − 2 = 84) برای شناسایی ایزوتوپ دختر به عنوان ایزوتوپ پولونیم استفاده می کنیم،: \(\mathrm{^{218}_{84}Po}\)
\(\ce{_{86}^{222}Rn\rightarrow \, _2^4He + \, _{84}^{218}Po}\)
معادله هسته ای را بنویسید که نشان دهنده فروپاشی رادیواکتیو پلونیوم 209 توسط انتشار ذرات آلفا است و ایزوتوپ دختر را شناسایی کنید.
- پاسخ
-
\(\ce{_{84}^{209}Po\rightarrow \, _2^4He + \, _{82}^{205}Pb}\)
دومین نوع عمده انتشار رادیواکتیو ذره بتا نامیده می شود که با حرف یونانی β نشان داده می شود. ذره بتا یک الکترون است که از هسته خارج می شود (نه از پوسته های الکترون در اطراف هسته) و دارای بار 1− است. ما همچنین می توانیم یک ذره بتا را به \(\ce{^0_{-1}e}\) صورت β - نشان دهیم. اثر خالص انتشار ذرات بتا بر روی یک هسته این است که یک نوترون به یک پروتون تبدیل می شود. عدد جرمی کلی ثابت می ماند، اما چون تعداد پروتون ها یک افزایش می یابد، عدد اتمی یک افزایش می یابد. کربن ۱۴ با انتشار ذرهٔ بتا واپاشی میشود:
\[\ce{_6^{14}C \rightarrow \, _7^{14}N + \, _{-1}^0e} \nonumber \]
باز هم، مجموع اعداد اتمی در هر دو طرف معادله یکسان است، همانطور که مجموع اعداد جرمی است. (توجه داشته باشید که الکترون «عدد اتمی» 1-، برابر با بار آن اختصاص داده شده است.)
سومین نوع عمده انتشار رادیواکتیو یک ذره نیست، بلکه یک شکل بسیار پر انرژی از تابش الکترومغناطیسی به نام اشعه گاما است که با حرف یونانی γ نشان داده می شود. پرتوهای گاما خود بار الکتریکی کلی را حمل نمی کنند، اما ممکن است الکترون ها را از اتم ها در نمونه ای از ماده بیرون بکشند و آن را به صورت الکتریکی شارژ کنند (که به همین دلیل پرتوهای گاما تابش یونیزه نامیده می شوند). به عنوان مثال، در واپاشی رادیواکتیو رادون 222، هر دو تابش آلفا و گاما ساطع می شوند، که دومی دارای انرژی 8.2 × 10 −14 J در هر هسته واپاشی شده است:
\[\ce{_{86}^{222}Rn\rightarrow \, _{84}^{218}Po + \, _2^4He + \gamma} \nonumber \]
این ممکن است انرژی زیادی به نظر نرسد، اما اگر 1 مول اتم رادون واپاشی شود، انرژی اشعه گاما 49 میلیون کیلوژول خواهد بود!
معادله هسته ای را بنویسید که نشان دهنده فروپاشی رادیواکتیو بور 12 توسط انتشار ذرات بتا است و ایزوتوپ دختر را شناسایی کنید. پرتو گاما به طور همزمان با ذره بتا منتشر می شود.
راه حل
ایزوتوپ مادر است \(\ce{^{12}_{5}B}\) در حالی که یکی از محصولات یک الکترون است\(\ce{^{0}_{-1}e}\). به طوری که اعداد جرمی و اتمی در دو طرف مقدار یکسانی داشته باشند، عدد جرمی ایزوتوپ دختر باید ۱۲ و عدد اتمی آن باید ۶ باشد. عنصری که عدد اتمی 6 دارد کربن است. بنابراین معادلهٔ کامل هستهای به صورت زیر است:
\[\ce{_5^{12}B\rightarrow \, _6^{12}C + \, _{-1}^0e + \gamma} \nonumber \]
ایزوتوپ دختر است\(\ce{^{12}_6 C}\).
معادله هسته ای را بنویسید که نشان دهنده فروپاشی رادیواکتیو ید 131 توسط انتشار ذرات بتا است و ایزوتوپ دختر را شناسایی کنید. پرتو گاما به طور همزمان با ذره بتا منتشر می شود.
- پاسخ
-
\[\ce{_53^{131}I\rightarrow \, _54^{131}Xe + \, _{-1}^0e + \gamma} \nonumber \]
گسیل های آلفا، بتا و گاما توانایی های متفاوتی برای نفوذ به ماده دارند. ذره نسبتاً بزرگ آلفا به راحتی توسط ماده متوقف می شود (اگرچه ممکن است مقدار قابل توجهی انرژی به ماده ای که با آن تماس دارد منتقل کند). ذرات بتا کمی به ماده نفوذ می کنند، شاید حداکثر چند سانتی متر. پرتوهای گاما می توانند به طور عمیق به ماده نفوذ کنند و می توانند مقدار زیادی انرژی را به ماده اطراف منتقل کنند.
جدول خواص سه نوع اصلی انتشار رادیواکتیو را \(\PageIndex{1}\) خلاصه می کند.
| مشخصه | ذرات آلفا | ذرات بتا | پرتوهای گاما |
|---|---|---|---|
| نمادها | \(\alpha\)، \(\mathrm{_{2}^{4}He}\) | \(\beta\)، \(\ce{_{-1}^{0}e}\) | \(\gamma\) |
| هویت | هسته هلیوم | الکترون | تابش الکترومغناطیسی |
| شارژ | 2+ | ۱− | هیچ یک |
| عدد جرمی | ۴ | ۰ | ۰ |
| قدرت نفوذ | حداقل (به پوست نفوذ نمی کند) | کوتاه (کمی به پوست و برخی از بافت ها نفوذ می کند) | عمیق (عمیق به بافت نفوذ خواهد کرد) |
گاهی اوقات، یک هسته اتمی در یک فرآیند رادیواکتیو به نام شکافت خود به خود (یا شکافت) به قطعات کوچکتر تقسیم می شود. به طور معمول، ایزوتوپ های دختر تولید شده توسط شکافت ترکیبی متنوع از محصولات هستند، نه یک ایزوتوپ خاص مانند انتشار ذرات آلفا و بتا. اغلب، شکافت نوترون های اضافی تولید می کند که گاهی اوقات توسط هسته های دیگر جذب می شوند و احتمالاً باعث ایجاد حوادث رادیواکتیو اضافی می شوند. اورانیوم-۲۳۵ به میزان کمی تحت شکافت خود به خودی قرار میگیرد. یک واکنش معمولی است
\[\ce{_{92}^{235}U \rightarrow \, _{56}^{139}Ba + \, _{36}^{94}Kr + 2^1_0n} \nonumber \]
نوترون \(\ce{_0^1n}\) کجاست. مانند هر فرآیند هسته ای، مجموع اعداد اتمی و اعداد جرمی باید در هر دو طرف معادله یکسان باشد. شکافت خود به خودی تنها در هستههای بزرگ یافت میشود. کوچکترین هستهای که شکافت خود به خودی را از خود نشان میدهد سرب-۲۰۸ است.
شکافت فرآیند رادیواکتیو مورد استفاده در نیروگاه های هسته ای و یک نوع بمب هسته ای است.
غذای آماده کلیدی
انواع اصلی رادیواکتیویته شامل ذرات آلفا، ذرات بتا و اشعه گاما است.