31.1: Mionzi ya nyuklia

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mionzi nyuklia
• Eleza aina ya mionzi ya alpha, chafu ya beta, na chafu ya gamma.
• Eleza ionization ya mionzi katika atomi.
• Eleza mionzi mbalimbali.

Ugunduzi na utafiti wa radioactivity nyuklia haraka wazi ushahidi wa mapinduzi fizikia mpya Aidha, matumizi ya mionzi ya nyuklia pia yalijitokeza haraka-kwa mfano, watu kama vile Ernest Rutherford walitumia kuamua ukubwa wa kiini na vifaa walikuwa walijenga na rangi radon-doped kuwafanya mwanga katika giza (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Kwa hiyo tunaanza utafiti wetu wa fizikia ya nyuklia na ugunduzi na vipengele vya msingi vya mionzi ya nyuklia.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Mihuri ya ndege hii ya Vita Kuu ya II inaangaza giza, kwa sababu wamejenga rangi ya phosphorescent ya radium-doped. Ni mawaidha mazuri ya asili mbili ya mionzi. Ingawa radium rangi dials ni conveniently inayoonekana mchana na usiku, wao emit radon, gesi mionzi ambayo ni hatari na si moja kwa moja waliona. (mikopo: US Air Force Picha)

Ugunduzi wa mionzi nyuklia

Mwaka 1896, mwanafizikia wa Kifaransa Antoine Henri Becquerel (1852—1908) ajali aligundua kuwa madini ya uranium-tajiri iitwayo pitchblende hutoa mionzi isiyoonekana, inayopenya ambayo inaweza kuwa giza sahani ya picha iliyoambatanishwa katika bahasha opaque. Kwa hiyo mionzi hubeba nishati; lakini kushangaza, pitchblende hutoa yao kuendelea bila pembejeo yoyote ya nishati. Hii ni ukiukwaji dhahiri wa sheria ya uhifadhi wa nishati, ambayo sasa tunaelewa ni kutokana na uongofu wa kiasi kidogo cha wingi katika nishati, kama kuhusiana na equation maarufu ya Einstein\(E = mc^2\). Ilikuwa dhahiri kwamba mionzi ya Becquerel inatoka katika nuclei ya atomi na kuwa na sifa nyingine za kipekee. Utoaji wa mionzi hii huitwa radioactivity nyuklia au radioactivity tu Mionzi wenyewe huitwa mionzi ya nyuklia. Kiini ambacho huharibu kwa hiari sehemu ya masi yake ili kutoa mionzi inasemekana kuoza (neno linalotumika pia kuelezea chafu ya mionzi kwa atomi katika majimbo ya msisimko). Dutu au kitu kinachotoa mionzi ya nyuklia inasemekana kuwa mionzi.

Aina mbili za ushahidi wa majaribio zinamaanisha kuwa mionzi ya Becquerel inatokea ndani ya moyo (au kiini) cha atomu. Kwanza, mionzi hupatikana kuhusishwa na elementi fulani, kama vile uranium. Mionzi haina kutofautiana na hali ya kemikali—yaani uranium ni mionzi kama iko katika mfumo wa elementi au kiwanja. Aidha, mionzi haina kutofautiana na hali ya joto, shinikizo, au ionization ya atomi ya uranium. Kwa kuwa mambo haya yote yanaathiri elektroni katika atomu, mionzi haiwezi kutoka kwa mabadiliko ya elektroni, kama spectra atomia inavyofanya. Nishati kubwa iliyotolewa wakati wa kila tukio ni kipande cha pili cha ushahidi kwamba mionzi haiwezi kuwa atomia. Mionzi ya nyuklia ina nguvu za utaratibu wa\(10^6 \, eV\) kila tukio, ambayo ni kubwa zaidi kuliko nguvu za kawaida za atomiki (chache\(eV\)) kama vile ile iliyoonekana katika athari za spectra na kemikali, na zaidi ya mara kumi kama juu kama tabia ya juhudi zaidi x rays. Becquerel hakuwa na nguvu kufuata ugunduzi wake kwa muda mrefu sana. Mwaka 1898, Marie Curie (1867—1934), halafu mwanafunzi aliyehitimu alimwoa mwanafizikia wa Kifaransa aliyejulikana tayari Pierre Curie (1859—1906), alianza utafiti wake wa udaktari wa mionzi ya Becquerel. Yeye na mumewe hivi karibuni waligundua vipengele viwili vipya vya mionzi, ambavyo aliita jina la polonium (baada ya nchi yake ya asili) na radium (kwa sababu inaangaza). Mambo haya mawili mapya yalijaza mashimo katika meza ya mara kwa mara na, zaidi ya hayo, yalionyesha viwango vya juu sana vya mionzi kwa gramu ya nyenzo kuliko uranium. Katika kipindi cha miaka minne, kufanya kazi chini ya hali mbaya na kutumia fedha zao wenyewe, Curies walitengeneza zaidi ya tani ya madini ya uranium ili kutenganisha gramu ya chumvi ya radium. Radium ilitafutwa sana, kwa sababu ilikuwa karibu mara milioni mbili kama mionzi kama uranium. Chumvi ya radium ya Curie iliwaka wazi kutokana na mionzi ambayo ilichukua ushuru wake juu yao na watafiti wengine wasiojua. Muda mfupi baada ya kumaliza Ph.D., wote Curies na Becquerel walishiriki Tuzo ya Nobel ya 1903 katika fizikia kwa kazi yao juu ya radioactivity. Pierre aliuawa katika ajali ya gari la farasi mwaka 1906, lakini Marie aliendelea na utafiti wake wa radioactivity kwa karibu miaka 30 zaidi. Tuzo ya Nobel ya 1911 katika kemia kwa ugunduzi wake wa vipengele viwili vipya, anaendelea kuwa mtu pekee kushinda Tuzo za Nobel katika fizikia na kemia. Marie alama za vidole mionzi katika baadhi ya kurasa za madaftari yake bado unaweza nje filamu, na yeye mateso na vidonda mionzi ikiwa. Alikufa kutokana na leukemia uwezekano unaosababishwa na mionzi, lakini alikuwa akifanya kazi katika utafiti karibu mpaka kifo chake mwaka 1934. Mwaka uliofuata, binti yake na mkwe wake, Irene na Frederic Joliot-Curie, walipewa tuzo ya Nobel katika kemia kwa ugunduzi wao wa mionzi ya artificially ikiwa, na kuongeza urithi wa ajabu wa familia.

Alpha, Beta, na Gamma

Utafiti ulianza na watu kama vile New Zealander Ernest Rutherford muda mfupi baada ya ugunduzi wa mionzi ya nyuklia ulionyesha kuwa aina tofauti za mionzi hutolewa. Hatimaye, aina tatu walikuwa wanajulikana na jina alpha\(\alpha\), bet a\(\beta\) na gamm a\(\gamma\) kwa sababu, kama x-rays, utambulisho wao walikuwa awali haijulikani. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha nini kinatokea ikiwa mionzi hupita kupitia shamba la magnetic. Wao\(\gamma\) hawapatikani, wakati\(\alpha\) s na\(\beta\) s hupunguzwa kwa njia tofauti, zinaonyesha\(\alpha\) s ni chanya, ni hasi, na\(\gamma\) hazipatikani.\(\beta\) Rutherford alitumia mashamba magnetic na umeme ili kuonyesha kuwa\(\alpha\) s zina chaji chanya mara mbili ukubwa wa elektroni, au\(+2|q_e|\). Katika mchakato huo, alipata\(\alpha\) s malipo kwa uwiano wa wingi kuwa mara elfu kadhaa ndogo kuliko elektroni.Baadaye, Rutherford alikusanya\(\alpha\) s kutoka chanzo cha mionzi na kupitisha kutokwa kwa umeme kwa njia yao, kupata wigo wa gesi ya heliamu iliyogunduliwa hivi karibuni. Kati ya uvumbuzi wengi muhimu uliofanywa na Rutherford na washirika wake ulikuwa ushahidi kwamba\(\alpha\) mionzi ni chafu ya kiini cha heliamu. Rutherford alishinda Tuzo ya Nobel katika kemia mwaka wa 1908 kwa kazi yake ya mapema. Aliendelea kutoa michango muhimu hadi kifo chake mwaka 1934.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Alpha, beta, na mionzi ya gamma hupitia shamba la magnetic kwenye njia ya skrini ya fosforescent. \(\alpha\)s na\(\beta\) s bend katika mwelekeo kinyume, wakati\(\gamma\) s ni unfected, kuonyesha malipo chanya kwa\(\alpha\) s, hasi kwa\(\beta\) s, na upande wowote kwa\(\gamma\) s. matokeo thabiti ni kupatikana kwa mashamba ya umeme. Ukusanyaji wa mionzi hutoa uthibitisho zaidi kutoka kwa kipimo cha moja kwa moja cha malipo ya ziada.

Watafiti wengine walikuwa tayari imeonekana kuwa\(\beta\) s ni hasi na kuwa na wingi sawa na sawa malipo kwa-molekuli uwiano kama elektroni hivi karibuni aligundua. Kufikia 1902, ilitambuliwa kuwa \(\beta\)mionzi ni chafu ya elektroni. Ingawa\(\beta\) s ni elektroni, hazipo katika kiini kabla ya kuoza na hazitolewi elektroni atomia —elektroni huundwa katika kiini wakati wa kuoza.

Kwa kuwa \(\gamma\)s kubaki unaffected na mashamba ya umeme na magnetic, ni kawaida kufikiri wanaweza kuwa photons. Ushahidi wa hili ulikua, lakini haikuwa hadi 1914 kwamba hii ilithibitishwa na Rutherford na washirika. Kwa kueneza \(\gamma\)mionzi kutoka kioo na kuchunguza kuingiliwa, walionyesha kuwa \(\gamma\)mionzi ni chafu ya photon ya juu-nishati na kiini. Kwa kweli, \(\gamma\)mionzi hutoka kwa msisimko wa kiini, kama vile ray x inatokana na uchochezi wa atomi. Majina "\(\gamma\)ray” na “x ray” hutambua chanzo cha mionzi. Kwa nishati sawa, \(\gamma\)mionzi na mionzi ya x vinginevyo vinafanana.

Jedwali\(\PageIndex{1}\)

Aina ya Mionzi	Range
\(\alpha\)chembe	Karatasi, cm chache cha hewa, sehemu ndogo za mm ya tishu
\(\beta\)chembe	Safu nyembamba ya alumini, au makumi ya cm ya tishu.
\(\gamma\)mionzi	Cm kadhaa ya risasi au mita za saruji.

Ionization na Range

Mbili ya sifa muhimu ya\(\alpha\),\(\beta\) na\(\gamma\) rays walikuwa kutambuliwa mapema sana. Aina zote tatu za mionzi ya nyuklia huzalisha ionization katika vifaa, lakini hupenya umbali tofauti katika vifaa—yaani zina safu tofauti. Hebu tuchunguze kwa nini wana sifa hizi na ni nini baadhi ya matokeo.

Kama x rays, mionzi nyuklia katika mfumo wa\(\alpha\)\(\beta\) s, s, na\(\gamma\) s ina nishati ya kutosha kwa tukio ionize atomi na molekuli katika nyenzo yoyote. Nishati iliyotolewa katika kuoza mbalimbali nyuklia ni kati ya wachache\(keV\) hadi zaidi ya\(10 \, MeV\), wakati\(eV\) s chache tu zinahitajika kuzalisha ionization. Madhara ya mionzi ya x na mionzi ya nyuklia kwenye tishu za kibiolojia na vifaa vingine, kama vile umeme wa hali imara, ni moja kwa moja kuhusiana na ionization wanayozalisha. Wote, kwa mfano, wanaweza kuharibu umeme au kuua seli za kansa. Aidha, mbinu za kuchunguza mionzi ya x na mionzi ya nyuklia zinategemea ionization, moja kwa moja au kwa moja kwa moja. Wote wanaweza ionize hewa kati ya sahani za capacitor, kwa mfano, na kusababisha kutokwa. Hii ni msingi wa wachunguzi wa mionzi ya gharama nafuu, kama vile picha katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Mbali\(\beta\) na\(\alpha\), na\(\gamma\), kuna aina nyingine za mionzi ya nyuklia pia, na hizi pia huzalisha ionization na athari sawa. Tunafafanua mionzi ya ionizing kama aina yoyote ya mionzi inayozalisha ionization ikiwa ni asili ya nyuklia au la, kwani athari na kugundua mionzi ni kuhusiana na ionization.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Dosimeters hizi (literally, mita za kipimo) ni wachunguzi wa mionzi binafsi ambao hugundua kiasi cha mionzi kwa kutokwa kwa capacitor ya ndani inayoweza kutolewa. Kiasi cha kutokwa ni kuhusiana na kiasi cha mionzi ya ionizing iliyokutana, kipimo cha dozi. Dosimeter moja inavyoonyeshwa kwenye sinia. Kiwango chake kinasomewa kupitia jicho la juu. (mikopo: L. Chang, Wikimedia Commons)

Mionzi mbalimbali hufafanuliwa kuwa umbali unaoweza kusafiri kupitia nyenzo. Mipangilio inahusiana na mambo kadhaa, ikiwa ni pamoja na nishati ya mionzi, nyenzo zilizokutana, na aina ya mionzi (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Ya juu ya nishati, kubwa zaidi, mambo mengine yote kuwa sawa. Hii ina maana nzuri, kwani mionzi inapoteza nishati yake katika vifaa hasa kwa kuzalisha ionization ndani yao, na kila ionization ya atomi au molekuli inahitaji nishati inayoondolewa kwenye mionzi. Kiasi cha ionization ni, kwa hiyo, sawa sawa na nishati ya chembe ya mionzi, kama ilivyo aina yake.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Kupenya au mionzi mbalimbali inategemea nishati yake, nyenzo ambazo hukutana, na aina ya mionzi. (a) Nishati kubwa ina maana mbalimbali zaidi. (b) Mionzi ina aina ndogo katika vifaa vyenye wiani wa juu wa elektroni. (c) Alpha zina aina ndogo zaidi, betas zina aina kubwa zaidi, na gammas hupenya mbali zaidi.

Mionzi inaweza kufyonzwa au kulindwa na vifaa, kama vile aprons kuongoza madaktari wa meno drape juu yetu wakati wa kuchukua x rays. Kiongozi ni ngao yenye ufanisi hasa ikilinganishwa na vifaa vingine, kama vile plastiki au hewa. Je, mionzi mbalimbali hutegemea nyenzo? Mionzi ya ionizing inakabiliana bora na chembe za kushtakiwa katika nyenzo. Kwa kuwa elektroni zina raia mdogo, zinaweza kunyonya kwa urahisi nishati ya mionzi katika migongano. Uzito mkubwa wa nyenzo na, hasa, wiani mkubwa wa elektroni ndani ya nyenzo, ndogo ya mionzi.

Migongano

Uhifadhi wa nishati na kasi mara nyingi husababisha uhamisho wa nishati kwa kitu kidogo sana katika mgongano.

Aina tofauti za mionzi zina safu tofauti ikilinganishwa na nishati sawa na katika nyenzo sawa. Alpha zina aina fupi zaidi, betas hupenya zaidi, na gammas zina aina kubwa zaidi. Hii ni moja kwa moja kuhusiana na malipo na kasi ya chembe au aina ya mionzi. Kwa nishati iliyotolewa, kila mmoja\(\alpha\),\(\beta\) au\(\gamma\) itazalisha idadi sawa ya ionizations katika nyenzo (kila ionization inahitaji kiasi fulani cha nishati kwa wastani). Kwa urahisi zaidi chembe hutoa ionization, haraka zaidi itapoteza nishati yake. Athari ya malipo ni kama ifuatavyo:\(\alpha\) Ina malipo ya\(+2q_e\), the\(\beta\) ina malipo ya\(-q_e\), na\(\gamma\) ni uncharged. nguvu ya umeme exerted na\(\alpha\) ni hivyo mara mbili ya nguvu kama ile exerted\(\beta\) na ni zaidi ya kuzalisha ionization. Ingawa bila malipo,\(\gamma\) haina kuingiliana dhaifu kwa sababu ni wimbi la umeme, lakini ni uwezekano mdogo wa kuzalisha ionization katika kukutana yoyote. Zaidi quantitatively, mabadiliko katika kasi\(\Delta p\) kutokana na chembe katika nyenzo ni\(\Delta p = F \Delta t\), ambapo\(F\) ni nguvu\(\alpha\),\(\beta\), au\(\gamma\) exerts juu ya muda\(\Delta t\). Malipo madogo, ndogo ni ndogo\(F\) na ndogo ni kasi (na nishati) iliyopotea. Kwa kuwa kasi ya alpha ni karibu 5% hadi 10% ya kasi ya mwanga, fomu za kawaida (zisizo za relativistic) zinatumika.

Kasi ambayo wao kusafiri ni sababu nyingine kubwa kuathiri mbalimbali ya\(\alpha\) s,\(\beta\) s, na\(\gamma\) s. kasi wao hoja, chini ya muda wao kutumia katika maeneo ya jirani ya chembe au molekuli, na chini ya uwezekano wao ni kuingiliana. Kwa kuwa\(\alpha\) s na\(\beta\) s ni chembe zilizo na wingi (nuclei ya heliamu na elektroni, kwa mtiririko huo), nishati yao ni kinetic, iliyotolewa kwa kawaida na\(\frac{1}{2}mv^2\). Masi ya\(\beta\) chembe ni maelfu ya mara chini ya ile ya\(\alpha\) s, hivyo kwamba\(\beta\) s lazima kusafiri kwa kasi zaidi kuliko\(\alpha\) s kuwa na nishati sawa. Kwa kuwa\(\beta\) s hoja kwa kasi (zaidi kwa kasi ya relativistic), wana muda mdogo wa kuingiliana kuliko\(\alpha\) s. Wao ni hata chini ya uwezekano wa kuingiliana kuliko\(\beta\), kwani wanatumia muda hata kidogo karibu na atomi fulani (na hawana malipo). Aina ya\(\gamma\) s ni kubwa zaidi kuliko aina mbalimbali za\(\beta\) s.

Mionzi ya Alpha kutoka vyanzo vya mionzi ina kiasi kidogo cha millimeter ya tishu za kibiolojia, kwa kawaida haitoshi hata kupenya tabaka zilizokufa za ngozi yetu. Kwa upande mwingine,\(\alpha\) mionzi hiyo inaweza kupenya sentimita chache za hewa, hivyo umbali tu kutoka chanzo huzuia\(\alpha\) mionzi kutoka kufikia sisi. Hii inafanya\(\alpha\) mionzi kuwa salama kwa mwili wetu ikilinganishwa\(\beta\) na\(\gamma\) mionzi. \(\beta\)Mionzi ya kawaida inaweza kupenya milimita chache ya tishu au karibu mita ya hewa. Mionzi ya Beta ni hivyo hatari hata wakati haijaingizwa. Mbalimbali ya\(\beta\) s katika risasi ni kuhusu millimeter, na hivyo ni rahisi kuhifadhi\(beta\) vyanzo katika vyombo vya kuongoza mionzi. Mionzi ya Gamma ina aina kubwa zaidi kuliko\(\alpha\) s, au\(\beta\) s Kwa kweli, ikiwa unene wa nyenzo, kama matofali ya risasi, inachukua 90% ya\(\gamma\) s, basi matofali ya pili ya risasi itachukua tu 90% ya kile kilichopitia kwanza. Hivyo,\(\gamma\) s hawana mbalimbali vizuri defined; tunaweza tu kupunguza kiasi kwamba anapata kupitia. Kwa kawaida,\(\gamma\) s zinaweza kupenya mita nyingi za hewa, kwenda kwa njia ya miili yetu, na zinahifadhiwa kwa ufanisi (yaani, kupunguzwa kwa kiwango kwa viwango vinavyokubalika) na sentimita nyingi za risasi. Faida moja ya\(\gamma\) s ni kwamba wanaweza kutumika kama tracers mionzi (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Picha hii ya mkusanyiko wa tracer mionzi katika mwili wa mgonjwa inaonyesha ambapo seli nyingi za mfupa ni, dalili ya saratani ya mfupa. Dutu ya mionzi ya muda mfupi ambayo hujiweka yenyewe kwa kuchagua hutolewa kwa mgonjwa, na mionzi hupimwa na detector ya nje. \(\gamma\)Mionzi iliyotolewa ina mbalimbali ya kutosha kuondoka mwili—mbalimbali ya\(\alpha\) s na\(\beta\) s ni ndogo mno kwao kuzingatiwa nje ya mgonjwa. (mikopo: Kieran Maher, Wikimedia Commons)

PHET EXPLORATIONS: BETA KUOZA

Tazama kuoza kwa beta hutokea kwa mkusanyiko wa nuclei au kwa kiini cha mtu binafsi.

Muhtasari

• Baadhi ya viini ni mionzi- wao kuwaka kuoza kuharibu baadhi ya sehemu ya wingi wao na kutoa mionzi juhudi, mchakato iitwayo mionzi nyuklia.
• Mionzi ya nyuklia, kama mionzi x, ni mionzi ionizing, kwa sababu nishati ya kutosha ionize jambo lilio katika kila kuoza.
• Mipangilio (au umbali uliosafiri katika nyenzo) ya mionzi ya ionizing inahusiana moja kwa moja na malipo ya chembe iliyotolewa na nishati yake, na chembe kubwa za malipo na za chini za nishati zilizo na safu ndogo zaidi.
• Detectors mionzi ni msingi moja kwa moja au moja kwa moja juu ya ionization iliyoundwa na mionzi, kama ni madhara ya mionzi juu ya vifaa hai na inert.

faharasa

alpha rays

moja ya aina ya mionzi iliyotokana na kiini cha atomi

mionzi ya beta

moja ya aina ya mionzi iliyotokana na kiini cha atomi

mionzi ya gamma

moja ya aina ya mionzi iliyotokana na kiini cha atomi

mionzi ionizing

mionzi (kama nyuklia katika asili au la) kwamba inazalisha ionization kama nyuklia katika asili au la

mionzi nyukl

rays kwamba asili katika nuclei ya atomi, mifano ya kwanza ambayo walikuwa aligundua na Becquerel

mionzi

chafu ya mionzi kutoka nuclei ya atomi

mionzi

dutu au kitu kinachotoa mionzi ya nyuklia

mbalimbali ya mionzi

umbali kwamba mionzi inaweza kusafiri kwa njia ya vifaa

faharasa

• Template:ContribOpenStaxCollege