Radioaktiver Zerfall

Die meisten Kohlenstoffatome haben sechs Protonen und sechs Neutronen in ihrem Kern. Dieser Kohlenstoff wird als Kohlenstoff-12 bezeichnet (sechs Protonen + sechs Neutronen = 12). Sein Atomgewicht beträgt 12. Wenn ein Kohlenstoffatom zwei weitere Neutronen hat, ist es Kohlenstoff-14. Kohlenstoff-14 verhält sich chemisch wie anderer Kohlenstoff, denn die sechs Protonen und sechs Elektronen bestimmen seine chemischen Eigenschaften. Tatsächlich existiert Kohlenstoff-14 in allen Lebewesen; alle Pflanzen und Tiere enthalten Kohlenstoff-14. Kohlenstoff-14 ist jedoch radioaktiv. Er zerfällt durch Betazerfall zu Stickstoff-14. Kohlenstoff-14 ist in den kleinen Mengen, die man in der Natur über uns findet, harmlos. In der Archäologie wird diese Art von Kohlenstoff verwendet, um das Alter von Holz und anderen ehemals lebenden Dingen zu bestimmen. Die Methode wird als Radiokohlenstoffdatierung bezeichnet.

Ernest Rutherford fand heraus, dass es verschiedene Wege gibt, auf denen diese Teilchen die Materie durchdringen. Er fand zwei verschiedene Arten, die er Alphazerfall und Betazerfall nannte. Paul Villard entdeckte 1900 eine dritte Art. Rutherford nannte sie 1903 den Gamma-Zerfall.

Der Wechsel von radioaktivem Kohlenstoff-14 zu stabilem Stickstoff-14 ist ein radioaktiver Zerfall. Er tritt ein, wenn das Atom ein Alphateilchen abgibt. Ein Alphateilchen ist ein Energieimpuls, wenn ein Elektron oder Positron den Kern verlässt.

Andere Arten des Verfalls wurden später entdeckt. Die Arten des Zerfalls unterscheiden sich voneinander, weil verschiedene Zerfallsarten unterschiedliche Arten von Teilchen erzeugen. Der radioaktive Ausgangskern wird als Elternkern und der Kern, in den er sich verwandelt, als Tochterkern bezeichnet. Die von radioaktiven Materialien erzeugten hochenergetischen Teilchen werden als Strahlung bezeichnet.

Diese verschiedenen Arten des Zerfalls können in einer "Zerfallskette" sequentiell ablaufen. Eine Art von Kern zerfällt zu einer anderen Art, die wiederum zu einer anderen zerfällt und so weiter, bis sie zu einem stabilen Isotop wird und die Kette zu Ende geht.

Die Geschwindigkeit, mit der diese Veränderung stattfindet, ist für jedes Element unterschiedlich. Der radioaktive Zerfall wird vom Zufall bestimmt: Die Zeit, die im Durchschnitt die Hälfte der Atome einer Substanz benötigt, um sich zu verändern, wird Halbwertszeit genannt. Die Rate ist durch eine Exponentialfunktion gegeben. Zum Beispiel hat Jod (^131I) eine Halbwertszeit von etwa 8 Tagen. Die von Plutonium liegt zwischen 4 Stunden (^243Pu) und 80 Millionen Jahren (^244Pu).

Radioaktiver Zerfall verwandelt ein Atom von einem Atom mit höherer Energie im Kern in ein Atom mit niedrigerer Energie. Die Energieänderung des Kerns wird an die entstehenden Teilchen weitergegeben. Die durch den radioaktiven Zerfall freigesetzte Energie kann entweder durch eine elektromagnetische Gammastrahlung (eine Art Licht), ein Beta- oder ein Alphateilchen abgeführt werden. In all diesen Fällen wird die Energieänderung des Kerns mitgerissen. Und in all diesen Fällen summiert sich die Gesamtzahl der positiven und negativen Ladungen der Protonen und Elektronen des Atoms vor und nach der Änderung auf Null.

Beim Alphazerfall setzt der Atomkern ein Alphateilchen frei. Durch den Alphazerfall verliert der Kern zwei Protonen und zwei Neutronen. Beim Alphazerfall wandelt sich das Atom in ein anderes Element um, da das Atom zwei Protonen (und zwei Elektronen) verliert. Würde z.B. Americium durch den Alphazerfall gehen, würde es sich in Neptunium umwandeln, da Neptunium dadurch definiert ist, dass es zwei Protonen weniger als Americium hat. Alpha-Zerfall tritt normalerweise bei den schwersten Elementen wie Uran, Thorium, Plutonium und Radium auf.

Alphateilchen können nicht einmal ein paar Zentimeter Luft durchdringen. Alphastrahlung kann Menschen nicht schaden, wenn sich die Alphastrahlungsquelle außerhalb des menschlichen Körpers befindet, weil die menschliche Haut die Alphateilchen nicht durchlässt. Alphastrahlung kann sehr schädlich sein, wenn sich die Quelle im Inneren des Körpers befindet, z.B. wenn Menschen Staub oder Gase einatmen, die Materialien enthalten, die unter Aussendung von Alphateilchen (Strahlung) zerfallen.

Es gibt zwei Arten von Beta-Zerfall, Beta-Plus und Beta-Minus.

Beim Beta-Minus-Zerfall gibt der Kern ein negativ geladenes Elektron ab, und ein Neutron verwandelt sich in ein Proton:

n 0 → p + + e - + ν ¯ e {\Anzeigestil n^{0}\rechter Pfeil p^{+}+e^{-}+{\leiste {\nu }}}_{e}}} .

wo

n 0 {\Anzeigeart n^{0}}} ist das Neutron

  p + {\Anzeigestil \ p^{+}}} ist das Proton

e - {\Anzeigestil e^{-}} ist das Elektron

ν ¯ e {\e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} ist der Anti-Neutrino

Beta-minus-Zerfall geschieht in Kernreaktoren.

Beim Beta-plus-Zerfall setzt der Kern ein Positron frei, das einem Elektron gleicht, aber positiv geladen ist, und ein Proton verwandelt sich in ein Neutron:

  p + → n 0 + e + + + ν e {\Anzeigestil \ p^{+}\Rechtspfeil n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}} .

wo

  p + {\Anzeigestil \ p^{+}}} ist das Proton

n 0 {\Anzeigeart n^{0}}} ist das Neutron

e + {\darstellungsstil e^{+}} ist das Positron

ν e {\darstellungsstil {\nu }_{e}} ist das Neutrino

Beta-plus-Zerfall findet im Inneren der Sonne und in einigen Arten von Teilchenbeschleunigern statt.

Der Gammazerfall tritt ein, wenn ein Kern ein hochenergetisches Energiepaket namens Gammastrahlung erzeugt. Gammastrahlen haben keine elektrische Ladung, aber sie haben einen Drehimpuls. Gammastrahlen werden normalerweise von Kernen gleich nach anderen Zerfallsarten emittiert. Gammastrahlen können zum Durchschauen von Material, zur Abtötung von Bakterien in Nahrungsmitteln, zum Auffinden bestimmter Arten von Krankheiten und zur Behandlung bestimmter Krebsarten verwendet werden. Gammastrahlen haben die höchste Energie aller elektromagnetischen Wellen, und Gammastrahlenausbrüche aus dem Weltraum sind die energiereichsten bekannten Energiefreisetzungen.