31.4: Uharibifu wa nyuklia na Sheria za Uhifadhi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza na kujadili kuoza nyuklia.
• Hali ya sheria ya uhifadhi.
• Eleza mzazi na binti kiini.
• Tumia nishati iliyotolewa wakati wa kuoza nyuklia.

Uozo wa nyuklia umetoa dirisha la kushangaza katika eneo la ndogo sana. Uozo wa nyuklia ulitoa dalili ya kwanza ya uhusiano kati ya wingi na nishati, na ulifunua kuwepo kwa majeshi mawili ya msingi katika asili. Katika sehemu hii, sisi kuchunguza njia kuu ya kuoza nyuklia; na, kama wale ambao kwanza kuchunguzwa yao, sisi kugundua ushahidi wa chembe awali haijulikani na sheria ya hifadhi.

Baadhi ya nuclides ni imara, inaonekana kuishi milele. Nuclides imara kuoza (yaani, ni mionzi), hatimaye kuzalisha nuclide imara baada ya kuoza nyingi. Tunaita nuclide ya awali mzazi na bidhaa zake za kuoza binti. Baadhi ya nuclides mionzi kuoza katika hatua moja kwa kiini imara. Kwa mfano,\(\ce{^{60}Co}\) ni imara na kuoza moja kwa moja kwa\(\ce{^{60}Ni}\), ambayo ni imara. Wengine, kama vile\(\ce{^{238}U}\), kuoza kwa nuclide nyingine imara, kusababisha mfululizo kuoza ambayo kila baadae nuclide kuoza mpaka nuclide imara hatimaye zinazozalishwa. Mfululizo wa kuoza unaoanza\(\ce{^{238}U}\) ni wa maslahi fulani, kwani hutoa isotopu za mionzi\(\ce{^{226}Ra}\) na\(\ce{^{210}Po}\), ambayo Curies iligundua kwanza (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Gesi ya Radon pia huzalishwa (\(\ce{^{222}Rn}\)katika mfululizo), hatari inayozidi kutambuliwa kwa kawaida. Kwa kuwa radon ni gesi yenye heshima, inatoka kwenye vifaa, kama vile udongo, iliyo na kiasi cha kufuatilia\(\ce{^{238}U}\) na inaweza kuvuta pumzi. Kuoza kwa radon na binti zake hutoa uharibifu wa ndani. Mfululizo wa\(\ce{^{238}U}\) kuoza unamalizika na\(\ce{^{206}Pb}\), isotopu imara ya risasi.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Mfululizo wa kuoza zinazozalishwa na isotopu\(^{238}U\) ya kawaida ya uranium. Nuclides ni graphed kwa namna ile ile kama katika chati ya nuclides. Aina ya kuoza kwa kila mwanachama wa mfululizo inavyoonyeshwa, pamoja na nusu ya maisha. Kumbuka kuwa baadhi ya nuclides kuoza kwa mode zaidi ya moja. Unaweza kuona kwa nini radium na polonium hupatikana katika madini ya uranium. Isotope imara ya risasi ni bidhaa ya mwisho ya mfululizo.

Kumbuka kuwa binti wa\(\alpha\) kuoza inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{1}\) daima kuwa protoni mbili wachache na nyutroni mbili wachache kuliko mzazi. Hii inaonekana kuwa ya busara, kwani tunajua kwamba\(\alpha\) kuoza ni chafu ya\(\ce{^4He}\) kiini, ambayo ina protoni mbili na nyutroni mbili. Binti za\(\beta\) kuoza wana neutroni moja chini na protoni moja zaidi kuliko mzazi wao. Beta kuoza ni kidogo zaidi ya hila, kama tutakavyoona. Hakuna\(\gamma\) uharibifu unaoonyeshwa kwenye takwimu, kwa sababu hawazalishi binti ambayo inatofautiana na mzazi.

alpha kuoza

Katika kuoza kwa alpha,\(\ce{^4He}\) kiini huvunja tu kutoka kiini cha mzazi, na kuacha binti na protoni mbili chache na nyutroni mbili chache kuliko mzazi (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Mfano mmoja wa\(\alpha\) kuoza ni inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kwa\(\ce{^{238}U}\). Nuclide nyingine ambayo inakabiliwa na\(\alpha\) kuoza ni\(^{239}Pu\). equations kuoza kwa nuclides hizi mbili ni

\[\ce{^{238}U \rightarrow ^{234}Th_{92} + ^4He}\]

\[\ce{^{239}Pu \rightarrow ^{235}U + ^4He}.\]

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Kuoza kwa Alpha ni kujitenga kwa\(^4He\) kiini kutoka kwa mzazi. Kiini cha binti kina protoni mbili chache na nyutroni mbili chache kuliko mzazi. Kuoza kwa Alpha hutokea kwa hiari tu ikiwa binti na\(\ce{^4He}\) kiini vina wingi mdogo wa jumla kuliko mzazi.

Kama kuchunguza meza ya mara kwa mara ya mambo, utapata kwamba Th ina\(Z = 90\), mbili chini ya U, ambayo ina\(Z = 92\). Vile vile, katika equation ya pili ya kuoza, tunaona kwamba U ina protoni mbili chache kuliko Pu, ambayo ina\(Z = 94\). Utawala wa jumla wa\(\alpha\) kuoza ni bora kuandikwa katika muundo\(_Z^AX_N\). Ikiwa nuclide fulani inajulikana\(\alpha\) kuoza (kwa ujumla habari hii inapaswa kuonekana juu katika meza ya isotopu, kama vile katika Kiambatisho B),\(\alpha\) decay equation ni

\[\ce{_{Z}^{A}X_N \rightarrow _{Z- 2}^{A -4} Y_{N - 2} + _2^4 He_2} \, (\alpha \, decay)\]

\(\ce{Y}\)wapi nuclide ambayo ina protoni mbili wachache kuliko\(\ce{X}\), kama vile\(\ce{Th}\) kuwa na mbili chini ya\(\ce{U}\). Hivyo kama waliambiwa kwamba\(^{239}Pu \, \alpha\) kuoza na waliulizwa kuandika kamili kuoza equation, ungependa kwanza kuangalia juu ambayo kipengele ina protons mbili chache (atomiki namba mbili chini) na kupata kwamba hii ni uranium. Kisha kwa kuwa nucleons nne zimevunjika mbali na asili 239, masi yake ya atomia ingekuwa 235.

Ni kufundisha kuchunguza sheria za uhifadhi kuhusiana na\(\alpha\) kuoza. Unaweza kuona kutoka equation

\[\ce{_{Z}^{A} X_N \rightarrow _{Z- 2}^{A -4}Y_{N - 2} + _2^4He_2}\]

kwamba malipo ya jumla ni kuhifadhiwa. Mwendo wa mstari na angular huhifadhiwa, pia. Ingawa kasi ya angular iliyohifadhiwa sio matokeo makubwa katika aina hii ya kuoza, uhifadhi wa kasi ya mstari una matokeo ya kuvutia. Ikiwa kiini kinapumzika wakati kinapoharibika, kasi yake ni sifuri. Katika kesi hiyo, vipande vinapaswa kuruka kwa njia tofauti na momenta ya ukubwa sawa ili kasi ya jumla iwe sifuri. Hii inasababisha\(\alpha\) chembe kubeba zaidi ya nishati, kama risasi kutoka bunduki nzito hubeba mbali zaidi ya nishati ya poda inayoteketezwa ili kuipiga risasi. Jumla ya wingi wa nishati pia huhifadhiwa: nishati zinazozalishwa katika kuoza hutoka kwa uongofu wa sehemu ya molekuli ya awali. Kama ilivyojadiliwa katika modele juu ya Fizikia ya Atomiki, uhusiano wa jumla ni

\[E = (\Delta m)c^2. \label{einstein1}\]

Hapa,\(E\) ni nishati ya majibu ya nyuklia (mmenyuko unaweza kuwa nyuklia kuoza au mmenyuko mwingine wowote), na\(\Delta m\) ni tofauti katika molekuli kati ya bidhaa za awali na za mwisho. Wakati bidhaa za mwisho na molekuli chini ya jumla,\(\Delta m\) ni chanya, na majibu releases nishati (ni exothermic). Wakati bidhaa zina wingi mkubwa wa jumla, mmenyuko ni endothermic (\(\Delta m\)ni hasi) na lazima uingizwe na pembejeo ya nishati. Kwa\(\alpha\) kuoza kuwa kwa hiari, bidhaa za kuoza lazima ziwe na molekuli ndogo kuliko mzazi.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Alpha Decay Energy Found from Nuclear Masses

Kupata nishati lilio katika\(\alpha\) kuoza kwa\(\ce{^{239}Pu}\).

Mkakati

Nishati ya majibu ya nyuklia, kama vile iliyotolewa katika kuoza α, inaweza kupatikana kwa kutumia equation\(E = (\Delta m)c^2\). Tunapaswa kwanza kupata\(\Delta m\), tofauti kati ya wingi kati ya kiini cha mzazi na bidhaa za kuoza. Hii inafanywa kwa urahisi kwa kutumia raia iliyotolewa katika Kiambatisho A.

Suluhisho

equation kuoza ilitolewa mapema kwa\(^{239}Pu\); ni

\[^{239}Pu \rightarrow \, ^{235}U + ^4He. \nonumber\]

Hivyo raia muhimu ni wale wa\(^{239}Pu\),\(^{235}U\), na\(\alpha\) chembe au\(^4He\), yote ambayo yameorodheshwa katika Kiambatisho A. Masi ya awali ilikuwa\(m(^{239}Pu) = 239.052157 \, u\). Masi ya mwisho ni jumla:

\(m(^{235}U) + m(^4He) = 235.043924 \, u + 4.002602 \, u = 239.046526 \, u.\)

Hivyo,

\[ \begin{align*} \Delta m &= m(^{239}Pu) - [m(^{235}U) + m(^4He)] \\[5pt] &= 239.052157 \, u - 239.046526 \, u \\[5pt] &= 0.0005631 \, u. \end{align*}\]

Sasa tunaweza kupata\(E\) kwa\(\Delta m\) kuingia katika Equation\ ref {einstein1}:

\[E = (\Delta m)c^2 = (0.005631 \, u)c^2. \nonumber \]

Tunajua\(1 \, u = 931.5 \, MeV/c^2\), na hivyo

\[E = (0.005631)(931.5 \, MeV/c^2)(c^2) = 5.25 \, MeV. \nonumber\]

Majadiliano

Nishati iliyotolewa katika\(\alpha\) kuoza hii iko katika\(MeV\) upeo, kuhusu\(10^6\) nyakati kubwa kama nguvu za mmenyuko wa kemikali, sambamba na majadiliano mengi ya awali. Wengi wa nishati hii inakuwa nishati ya kinetic ya\(\alpha\) chembe (au\(^4He\) kiini), ambayo huenda mbali kwa kasi. Nishati iliyochukuliwa na kupona kwa\(^{235}U\) kiini ni ndogo sana ili kuhifadhi kasi. \(^{235}U\)Kiini kinaweza kushoto katika hali ya msisimko ili baadaye kuondoa photons (\(\gamma\)rays). Uozo huu ni wa pekee na hutoa nishati, kwa sababu bidhaa zina chini ya wingi kuliko kiini cha mzazi. Swali la kwa nini bidhaa zina molekuli ndogo zitajadiliwa katika Nishati ya Binding. Kumbuka kwamba raia iliyotolewa katika Kiambatisho A ni raia wa atomiki wa atomi za neutral, ikiwa ni pamoja na elektroni zao. Uzito wa elektroni ni sawa kabla na baada ya\(α\) kuoza, na hivyo raia wao huondoa wakati wa kutafuta\(\Delta m\). Katika kesi hii, kuna elektroni 94 kabla na baada ya kuoza.

beta kuoza

Kuna kweli aina tatu za kuoza beta. Ya kwanza iliyogunduliwa ilikuwa “kawaida” kuoza beta na inaitwa\(\beta^-\) kuoza au chafu ya elektroni. Ishara\(\beta^-\) inawakilisha elektroni iliyotolewa katika kuoza beta nyuklia. Cobalt-60 ni nuclide\(\beta^-\) inayooza kwa njia ifuatayo:

\[\ce{^{60}Co \rightarrow ^{60}Ni + \beta^{-} + } \text{neutrino}.\]

Neutrino ni chembe iliyotolewa katika kuoza kwa beta iliyokuwa haijatarajiwa na ina umuhimu wa kimsingi. Neutrino haikupendekezwa hata katika nadharia hadi zaidi ya miaka 20 baada ya kuoza kwa beta ilijulikana kuhusisha uzalishaji wa elektroni. Neutrinos ni vigumu sana kuchunguza kwamba ushahidi wa kwanza wa moja kwa moja wao haukupatikana hadi 1953. Neutrinos ni karibu massless, hawana malipo, na wala kuingiliana na nucleons kupitia nguvu nguvu ya nyuklia. Kusafiri takriban kwa kasi ya mwanga, hawana muda mdogo wa kuathiri kiini chochote wanachokutana. Hii ni, kutokana na ukweli kwamba hawana malipo (na sio mawimbi ya EM), hawaingiliani kupitia nguvu ya EM. Wao huingiliana kupitia nguvu za nyuklia dhaifu na za muda mfupi sana. Kwa hiyo, neutrinos kutoroka karibu detector yoyote na kupenya karibu shielding yoyote. Hata hivyo, neutrinos hubeba nishati, kasi ya angular (ni fermions yenye spin nusu-muhimu), na kasi ya mstari mbali na kuoza kwa beta. Wakati vipimo sahihi vya kuoza kwa beta vilifanywa, ikawa dhahiri kwamba nishati, kasi ya angular, na kasi ya mstari hazikuhesabiwa na kiini cha binti na elektroni pekee. Labda chembe iliyokuwa haijafikiriwa hapo awali ilikuwa ikiwachukua mbali, au sheria tatu za uhifadhi zilivunjwa. Wolfgang Pauli alitoa pendekezo rasmi la kuwepo kwa neutrinos mwaka 1930. Mwanafizikia wa Marekani mzaliwa wa Italia Enrico Fermi (1901—1954) alitoa neutrinos jina lao, maana yake ni wadogo wasio na upande wowote, alipoanzisha nadharia ya kisasa ya kuoza kwa beta (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Sehemu ya nadharia ya Fermi ilikuwa utambulisho wa nguvu dhaifu ya nyuklia kama kuwa tofauti na nguvu kali za nyuklia na kwa kweli kuwajibika kwa kuoza kwa beta.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Enrico Fermi alikuwa karibu kipekee kati ya karne ya 20 fizikia - alifanya michango muhimu wote kama experimentalist na mwanadharia. Michango yake mingi katika fizikia ya kinadharia ilijumuisha utambulisho wa nguvu dhaifu ya nyukl Fermi (fm) inaitwa baada yake, kama ni darasa lote la chembe za subatomic (fermions), kipengele (Fermium), na maabara makubwa ya utafiti (Fermilab). Kazi yake ya majaribio ilijumuisha masomo ya radioactivity, ambayo alishinda Tuzo ya Nobel ya 1938 katika fizikia, na kuundwa kwa mmenyuko wa kwanza wa nyuklia. (mikopo: Idara ya Nishati ya Marekani, Ofisi ya Mambo ya Umma).

Neutrino pia inaonyesha sheria mpya ya uhifadhi. Kuna familia mbalimbali za chembe, moja ambayo ni familia ya elektroni. Tunapendekeza kwamba idadi ya wanachama wa familia ya elektroni ni mara kwa mara katika mchakato wowote au mfumo wowote uliofungwa. Katika mfano wetu wa kuoza kwa beta, hakuna wanachama wa familia ya elektroni waliopo kabla ya kuoza, lakini baada ya, kuna elektroni na neutrino. Hivyo elektroni hupewa idadi ya familia ya elektroni\(+1\). Neutrino katika\(\beta^-\) kuoza ni antineutrino ya elektroni, kutokana na alama\(\overline{\nu}_e\), wapi\(\nu\) herufi ya Kigiriki nu, na subscript e inamaanisha neutrino hii inahusiana na elektroni. Bar inaonyesha hii ni chembe ya antimatter. (Chembe zote zina wenzao wa antimater ambao ni karibu sawa isipokuwa kuwa wana malipo kinyume. Antimatter iko karibu kabisa mbali duniani, lakini inapatikana katika kuoza nyuklia na athari nyingine za nyuklia na chembe na pia katika anga la nje.) Antineutrino ya elektroni\(\overline{\nu}_e\), kuwa antimatter, ina idadi ya familia ya elektroni ya\(-1\). Jumla ni sifuri, kabla na baada ya kuoza. Sheria mpya ya uhifadhi, iliyotii katika hali zote, inasema kwamba jumla ya idadi ya familia ya elektroni ni mara kwa mara. Electroni haiwezi kuundwa bila pia kuunda mwanachama wa familia ya antimater. Sheria hii ni sawa na uhifadhi wa malipo katika hali ambapo malipo ya jumla awali ni sifuri, na kiasi sawa cha malipo chanya na hasi lazima iundwe katika mmenyuko wa kuweka jumla ya sifuri.

Ikiwa nuclide\(_Z^AX_N\) inajulikana\(\beta^-\) kuoza, basi equation yake ya\(\beta^-\) kuoza ni

\[_Z^AX_N \rightarrow _{Z+1}^AY_{N-1} + \beta^- + \overline{\nu}_e (\beta^- \, decay),\]

ambapo Y ni nuclide kuwa na proton moja zaidi kuliko X (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Hivyo kama unajua kwamba baadhi ya nuclide\(\beta^-\) kuoza, unaweza kupata binti kiini kwa kwanza kuangalia juu\(Z\) kwa ajili ya mzazi na kisha kuamua ambayo kipengele ina idadi atomiki\(Z + 1\). Katika mfano wa\(\beta^-\) kuoza kwa\(^{60}Co\) kupewa mapema, tunaona kwamba\(Z = 27\) kwa Co na\(Z = 28\) ni Ni. Ni kana kwamba moja ya nyutroni katika kiini mzazi huoza kuwa protoni, elektroni, na neutrino. Kwa kweli, nyutroni nje ya viini hufanya hivyo tu—wanaishi wastani wa dakika chache tu na\(\beta^-\) kuoza kwa namna ifuatayo:

\[n \rightarrow p + \beta^- + \overline{\nu}_e.\]

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Katika\(\beta^-\) kuoza, kiini cha mzazi hutoa elektroni na antineutrino. Kiini cha binti kina protoni moja zaidi na neutroni moja chini kuliko mzazi wake. Neutrinos kuingiliana hivyo dhaifu kwamba wao ni karibu kamwe moja kwa moja aliona, lakini wao kuwa na jukumu la msingi katika chembe fizikia.

Tunaona kwamba malipo yanahifadhiwa katika\(\beta^-\) kuoza, kwa kuwa malipo ya jumla ni\(Z\) kabla na baada ya kuoza. Kwa mfano, katika\(^{60}Co\) kuoza, malipo ya jumla ni 27 kabla ya kuoza, tangu cobalt ina\(Z = 27\). Baada ya kuoza, kiini cha binti ni Ni\(Z = 28\), ambacho kina, na kuna elektroni, ili malipo ya jumla pia\(28 + (-1)\) au 27. Kasi ya angular imehifadhiwa, lakini si wazi (unapaswa kuchunguza spins na momenta ya angular ya bidhaa za mwisho kwa undani ili kuthibitisha hili). Mwendo wa mstari pia umehifadhiwa, tena hutoa nishati nyingi za kuoza kwa elektroni na antineutrino, kwa kuwa ni za chini na zero, kwa mtiririko huo. Sheria nyingine mpya ya uhifadhi inatii hapa na mahali pengine katika asili. Idadi ya nucleons\(A\) imehifadhiwa. Katika\(^{60}Co\) kuoza, kwa mfano, kuna nucleons 60 kabla na baada ya kuoza. Kumbuka kuwa jumla pia\(A\) imehifadhiwa katika\(\alpha\) kuoza. Pia kumbuka kuwa jumla ya idadi ya protoni hubadilika, kama inavyofanya jumla ya neutroni, ili jumla\(Z\) na jumla\(N\) hazihifadhiwe katika\(\beta^-\) kuoza, kwa vile zinavyo katika\(\alpha\) kuoza. Nishati iliyotolewa katika\(\beta^-\) kuoza inaweza kuhesabiwa kutokana na raia wa mzazi na bidhaa.

Mfano\(\PageIndex{1}\): \(\beta^-\) Decay Energy from Masses

Kupata nishati lilio katika\(\beta^-\) kuoza kwa\(^{60}Co\).

Mkakati na Dhana

Kama ilivyo katika mfano uliopita, tunapaswa kwanza kupata\(\Delta m\), tofauti kati ya wingi kati ya kiini cha mzazi na bidhaa za kuoza, kwa kutumia raia iliyotolewa katika Kiambatisho A. Kisha nishati iliyotolewa imehesabiwa kama hapo awali, kwa kutumia\(E = (\Delta m)c^2\). Masi ya awali ni ile tu ya kiini cha mzazi, na molekuli ya mwisho ni ile ya kiini cha binti na elektroni iliyoundwa katika kuoza. Neutrino ni massless, au karibu hivyo. Hata hivyo, kwa kuwa raia zinazotolewa katika Kiambatisho A ni kwa atomi zisizo na upande, kiini cha binti kina elektroni moja zaidi kuliko mzazi, na hivyo molekuli ya ziada ya elektroni inayofanana na\(\beta^-\) ile imejumuishwa katika masi atomia ya Ni. Hivyo,\[ \Delta m = m(^{60}Co) - m(^{60}Ni ).\]

Suluhisho

equation\(\beta^-\) kuoza kwa\(^{60}Co\) ni

\[_{27}^{60}Co_{33} \rightarrow _{28}^{60}Ni_{32} + \beta^- + \overline{\nu}_e.\]

Kama niliona,

\[\Delta m = m(^{60}Co) - m(^{60}Ni ).\]

Kuingia raia kupatikana katika Kiambatisho A anatoa

\[\Delta m = 59.933820 \, u - 59.930789 \, u = 0.003031 \, u. \nonumber\]

Hivyo,

\[ E = (\Delta m)c^2 = (0.003031 \, u)c^2.\]Kutumia\(1 \, u = 031.5 \, MeV/c^2\)

na sisi kupata

\[E = (0.003031)(931.5 \, MeV/c^2)(c^2) = 2.82 \, MeV. \nonumber\]

Majadiliano na Athari

Labda jambo ngumu zaidi kuhusu mfano huu ni kushawishi mwenyewe kwamba\(\beta^-\) wingi ni pamoja na katika molekuli atomiki ya\(^{60}Ni\). Zaidi ya hayo ni matokeo mengine. Tena nishati ya kuoza iko katika aina ya MeV. Nishati hii inashirikiwa na bidhaa zote za kuoza. Katika\(^{60}Co\) kuoza nyingi, kiini cha binti\(^{60}Ni\) kinaachwa katika hali ya msisimko na hutoa photons (\ gamma\) rays). Nishati nyingi zilizobaki huenda kwa elektroni na neutrino, kwani nishati ya kinetic ya kupona ya kiini cha binti ni ndogo. Kumbuka moja ya mwisho: elektroni iliyotolewa katika\(\beta^-\) kuoza imeundwa katika kiini wakati wa kuoza.

Aina ya pili ya kuoza kwa beta haifai kawaida kuliko ya kwanza. Ni\(\beta^+\) kuoza. Baadhi ya nuclides kuoza na chafu ya elektroni chanya. Hii ni kuoza kwa antielectron au positron (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{5}\):\(\beta^+\) kuoza ni chafu ya positron ambayo hatimaye hupata elektroni kuangamiza, tabia ya kuzalisha gammas kwa njia tofauti.

Antielectron mara nyingi inawakilishwa na alama\(e^+\), lakini katika kuoza kwa beta imeandikwa kama\(\beta^+\) kuonyesha antielectron ilitolewa katika kuoza nyuklia. Antielectrons ni mwenzake antimater kwa elektroni, kuwa karibu kufanana, kuwa na molekuli sawa, spin, na kadhalika, lakini kuwa na malipo chanya na idadi ya familia ya elektroni\(-1\). Wakati positron inakabiliwa na elektroni, kuna uharibifu wa pamoja ambao wingi wote wa jozi ya antielectron-electron hubadilishwa kuwa nishati safi ya photon. (majibu\(e^+ + e^- \rightarrow \gamma + \gamma\), conserves elektroni familia idadi pamoja na mengine yote kiasi kuhifadhiwa.) Ikiwa nuclide\(_Z^AX_N\) inajulikana\(\beta^+\) kuoza, basi equation yake ya\(\beta^+\) kuoza ni

\[_Z^AX_N \rightarrow _{Z-1}^AY_{N+1} + \beta^+ + \nu_e (\beta^+ \, decay),\]

ambapo Y ni nuklidi kuwa na protoni moja chini kuliko X (kuhifadhi chaji) na\(\nu_e\) ni ishara kwa neutrino elektroni, ambayo ina idadi ya familia ya elektroni ya\(+1\). Kwa kuwa mwanachama wa antimater wa familia ya elektroni (the\(\beta^+\)) imeundwa katika kuoza, mwanachama wa suala la familia (hapa\(\nu_e\) lazima pia kuundwa. Kutokana, kwa mfano, kwamba\(^{22}Na \, \beta^+\) kuoza, unaweza kuandika equation yake kamili ya kuoza kwa kwanza kutafuta kwamba\(Z = 11\) kwa\(^{22}Na\), ili binti nuclide itakuwa na\(Z = 10\), idadi ya atomiki kwa neon. Hivyo equation\(\beta^+\) kuoza kwa\(^{22}Na\) ni

\[_{11}^{22}Na_{11} \rightarrow _{10}^{22}Ne_{12} + \beta^+ + \nu_e.\]

Katika\(\beta^+\) kuoza, ni kama moja ya protoni katika kiini cha mzazi huharibika kuwa neutroni, positroni, na neutrino. Protoni hazifanyi hivyo nje ya kiini, na hivyo kuoza ni kutokana na matatizo ya nguvu ya nyuklia. Kumbuka tena kwamba idadi ya nucleons ni mara kwa mara katika hili na majibu mengine yoyote. Ili kupata nishati iliyotolewa katika\(\beta^+\) kuoza, lazima tena uhesabu idadi ya elektroni katika atomi zisizo na upande, kwani raia wa atomiki hutumiwa. Binti ana elektroni moja chini kuliko mzazi, na molekuli moja ya elektroni huundwa katika kuoza. Hivyo, katika\(\beta^+\) kuoza,

\[\Delta m = m(parent) - [m(daughter) + 2m_e],\]

tangu sisi kutumia raia wa atomi neutral.

Kukamata elektroni ni aina ya tatu ya kuoza kwa beta. Hapa, kiini kinachukua elektroni ya ndani ya shell na hupata mmenyuko wa nyuklia ambao una athari sawa na\(\beta^+\) kuoza. Ukamataji wa elektroni wakati mwingine huashiria kwa barua EC. Tunajua ya kwamba elektroni haiwezi kuishi katika kiini, lakini hii ni mmenyuko wa nyuklia unaotumia elektroni na hutokea kwa hiari tu wakati bidhaa zina masi ndogo kuliko mzazi pamoja na elektroni. Ikiwa nuclide\(_Z^AX_N\) inajulikana kufanyiwa kukamata elektroni, basi equation yake ya kukamata elektroni ni

\[_Z^AX_N + e^- \rightarrow _{Z-1}^AY_{N+1} + \nu_e (electron \, capture, \, or \, EC).\]

Nuclide yoyote ambayo inaweza\(\beta^+\) kuoza pia inaweza kufanyiwa kukamata elektroni (na mara nyingi hufanya wote wawili). Sheria hizo za uhifadhi zinatibiwa kwa EC kama kwa\(\beta^+\) kuoza. Ni mazoezi mazuri ya kuthibitisha haya kwa ajili yako mwenyewe.

Aina zote za kuoza kwa beta hutokea kwa sababu nuclide mzazi ni imara na iko nje ya eneo la utulivu katika chati ya nuclides. Nuclides hizo ambazo zina nyutroni nyingi zaidi kuliko zile zilizo katika eneo la utulivu\(\beta^-\) zitaharibika ili kuzalisha binti mwenye neutroni chache, zimezalisha binti karibu na eneo la utulivu. Vilevile, nuclides hizo zilizo na protoni kiasi zaidi kuliko zile zilizo katika eneo la utulivu\(\beta^-\) zitaoza au kufanyiwa kukamatwa kwa elektroni ili kuzalisha binti mwenye protoni chache, karibu na eneo la utulivu.

Gamma kuoza

Kuoza kwa Gamma ni aina rahisi ya kuoza kwa nyuklia - ni chafu ya photons yenye nguvu na nuclei iliyoachwa katika hali ya msisimko na mchakato fulani wa awali. Protoni na nyutroni katika kiini cha msisimko ziko katika orbitali za juu, na huanguka kwa viwango vya chini kwa chafu ya fotoni (inayofanana na elektroni katika atomi za msisimko). Nuclear msisimko mataifa na maisha ya kawaida ya tu kuhusu\(10^{-14}\) s, dalili ya nguvu kubwa ya vikosi kuunganisha nucleons kwa mataifa ya chini. Equation ya\(\gamma\) kuoza ni tu

\[\ce{_{Z}^{A}X_{N}^{*} \rightarrow _{Z}^{A}X_N + \gamma_1 + \gamma_2 + . . .} (\gamma \, decay)\]

ambapo asterisk inaonyesha kiini iko katika hali ya msisimko. Kunaweza kuwa na moja au zaidi\(\gamma\) s lilio, kulingana na jinsi nuclide de-excites. Katika kuoza kwa mionzi,\(\gamma\) chafu ni ya kawaida na inatanguliwa na\(\gamma\) au\(\beta\) kuoza. Kwa mfano, wakati\(^{60}Co \, \beta^-\) unapoharibika, mara nyingi huacha kiini cha binti katika hali ya msisimko, iliyoandikwa\(\ce{^{60}Ni*}\). Kisha kiini cha nickel\(\gamma\) kinaharibika haraka na chafu ya\(\gamma\) s mbili zinazoingia.

\[\ce{^{60}Ni^{*} \rightarrow ^{60}Ni + \gamma_1 + \gamma_2.}\]

Hizi huitwa\(\gamma\) mionzi ya cobalt, ingawa zinatokana na nikeli—zinatumika kwa tiba ya saratani, kwa mfano. Ni tena kujenga kuthibitisha sheria ya uhifadhi kwa gamma kuoza. Hatimaye, tangu\(\gamma\) kuoza haibadiliki nuclide kwa aina nyingine, si maarufu featured katika chati za mfululizo kuoza, kama vile katika Kielelezo.

Kuna aina nyingine za kuoza nyuklia, lakini hutokea chini ya kawaida kuliko\(\alpha\),\(\beta\), na\(\gamma\) kuoza. Kupasuka kwa hiari ni muhimu zaidi ya aina nyingine za kuoza nyuklia kwa sababu ya matumizi yake katika nguvu za nyuklia na silaha. Inafunikwa katika sura inayofuata.

Muhtasari

• Wakati kiini cha mzazi kinapoharibika, kinazalisha kiini cha binti kufuatia sheria na sheria za uhifadhi. Kuna aina tatu kuu za kuoza nyuklia, zinazoitwa alpha (\(\alpha\)\(\beta\)) beta () na gamma (\(\gamma\)). equation\(\alpha\) kuoza ni\[_Z^AX_N \rightarrow _{Z-2}^{A-4}Y_{N-2} + _2^4He_2. \nonumber\]
• Uozo wa nyuklia releases kiasi cha nishati\(E\) kuhusiana na molekuli kuharibiwa\(\Delta m\) na\[E = (\Delta m)c^2. \nonumber\]
• Kuna aina tatu za kuoza kwa beta. equation\(\beta^-\) kuoza ni\[_Z^AX_N \rightarrow _{Z+1}^AY_{N-1} + \beta^- + \overline{\nu}_e. \nonumber\]
• equation\(\beta^+\) kuoza ni\[_Z^AX_N \rightarrow _{Z-1}^AY_{N+1} + \beta^+ + \nu_e. \nonumber\]
• Equation ya kukamata elektroni ni\[_Z^AX_N + e^- \rightarrow _{Z-1}^AY_{N+1} + \nu_e. \nonumber\]
• \(\beta^-\)ni elektroni,\(\beta^+\) ni antielektroni au positroni,\(\nu_e\) inawakilisha neutrino ya elektroni, na\(\overline{\nu}_e\) ni antineutrino ya elektroni. Mbali na sheria zote za uhifadhi zilizojulikana hapo awali, zile mbili mpya zinatokea - uhifadhi wa idadi ya familia ya elektroni na uhifadhi wa idadi ya nucleons. Equation ya\(\gamma\) kuoza\(\gamma\) ni\[_Z^AX*_N \rightarrow _Z^AX_N + \gamma_1 + \gamma_2 + . . . \nonumber\] wapi photon ya juu-nishati inayotokana na kiini.

faharasa

mzazi

hali ya awali ya kiini kabla ya kuoza

binti

kiini kilichopatikana wakati kiini cha mzazi kinaharibika na hutoa kiini kingine kinachofuata sheria na sheria za uhifadhi

positron

chembe kwamba matokeo ya kuoza chanya beta; pia inajulikana kama antielectron

kuoza

mchakato ambao kiini cha atomiki cha atomi isiyo imara hupoteza molekuli na nishati kwa kutoa chembe za ionizing

alpha kuoza

aina ya kuoza mionzi ambayo kiini atomiki hutoa chembe alpha

beta kuoza

aina ya kuoza mionzi ambayo kiini atomiki hutoa chembe beta

gamma kuoza

aina ya kuoza mionzi ambayo kiini atomiki hutoa chembe gamma

kuoza equation

equation ili kujua ni kiasi gani cha nyenzo za mionzi kinachoachwa baada ya kipindi fulani

majibu ya nyuklia nishati

nishati iliyoundwa katika mmenyuko wa nyuklia

neutrino

umeme neutral, dhaifu kuingiliana msingi subatomic chembe

antineutrino ya elektroni

antiparticle ya neutrino ya elektroni

positron kuoza

aina ya kuoza kwa beta ambayo protoni inabadilishwa kuwa neutroni, ikitoa positroni na neutrino

antielektroni

neno lingine kwa positron

mfululizo wa kuoza

mchakato ambapo baadae nuclides kuoza mpaka nuclide imara ni zinazozalishwa

neutrino ya elektroni

chembe ya msingi ya subatomic ambayo haina malipo ya umeme

antimatter

linajumuisha antiparticles

kukamata elektroni

mchakato ambao nuclide tajiri ya protoni inachukua elektroni ya atomiki ya ndani na wakati huo huo hutoa neutrino

elektroni kukamata equation

equation inayowakilisha kukamata elektroni