Prečo dochádza k rádioaktívnemu rozkladu?

Rádioaktívny rozpad je spontánny proces, prostredníctvom ktorého je nestabilný atómové jadro sa rozpadá na menšie, stabilnejšie fragmenty. Premýšľali ste niekedy nad tým, prečo sa niektoré jadrá rozkladajú, zatiaľ čo iné nie?

Je to v podstate otázka termodynamiky. Každý atóm sa snaží byť čo najstabilnejší. V prípade rádioaktívneho rozpadu nastane nestabilita, keď je počet nevyvážených protóny a neutróny v atómovom jadre. Vo vnútri jadra je príliš veľa energie na to, aby boli všetky nukleóny pohromade. Stav elektróny atómu nezáleží na úpadku, hoci aj oni majú svoj vlastný spôsob, ako nájsť stabilitu. Ak je jadro atómu nestabilné, nakoniec sa rozpadne a stratí aspoň niektoré častice, ktoré ho robia nestabilným. Pôvodné jadro sa nazýva rodič, zatiaľ čo výsledné jadro alebo jadrá sa nazývajú dcéra alebo dcéry. Dcéry môžu stále byť rádioaktívny, prípadne sa rozdelia na viac častí, alebo môžu byť stabilné.

Existujú tri formy rádioaktívneho rozpadu: ktoré z nich prechádzajú atómovým jadrom závisí od povahy vnútornej nestability. Niektoré izotopy sa môžu rozpadať viac ako jednou cestou.

Pri rozpade alfa jadro vypustí alfa časticu, ktorá je v podstate jadrom hélia (dve protóny a dva neutróny), znižujúce atómové číslo rodiča o dva a hmotnostné číslo o štyri.

Pri beta rozpade sa prúd elektrónov, nazývaný beta častice, vytlačí z rodiča a neutrón v jadre sa premení na protón. Hmotnostné číslo nového jadra je rovnaké, ale atómové číslo sa zvyšuje o jedno.

Pri rozklade gama uvoľňuje atómové jadro nadbytočnú energiu vo forme vysokoenergetických fotónov (elektromagnetické žiarenie). Atómové číslo a hmotnostné číslo zostávajú rovnaké, ale výsledné jadro predpokladá stabilnejší energetický stav.

rádioaktívny izotop je taký, ktorý podlieha rádioaktívnemu rozkladu. Pojem „stabilný“ je nejednoznačný, pretože sa vzťahuje na prvky, ktoré sa z praktických dôvodov nerozpadnú po dlhú dobu. To znamená, že stabilné izotopy zahŕňajú tie, ktoré sa nikdy nerozbijú, napríklad protium (pozostáva z jedného protónu, takže už nič nezostáva) a rádioaktívne izotopy, napríklad telúr -128, ktorý má polčas 7,7 x 10²⁴ rokov. Rádioizotopy s krátkym polčasom rozpadu sa nazývajú nestabilné rádioizotopy.

Dalo by sa predpokladať, že jadro v stabilnej konfigurácii by malo rovnaký počet protónov ako neutróny. Pre mnoho ľahších prvkov je to pravda. Napríklad uhlík sa bežne vyskytuje v troch konfiguráciách protónov a neutrónov, ktoré sa nazývajú izotopy. Počet protónov sa nemení, pretože to určuje prvok, ale počet neutrónov áno: Uhlík-12 má šesť protónov a šesť neutrónov a je stabilný; uhlík-13 má tiež šesť protónov, ale má sedem neutrónov; uhlík-13 je tiež stabilný. Uhlík-14 so šiestimi protónmi a osem neutrónmi je však nestabilný alebo rádioaktívny. Počet neutrónov pre uhlíkové jadro 14 je príliš vysoký na to, aby ich silná príťažlivá sila udržiavala na neurčito.

Ale ako sa pohybujete k atómom, ktoré obsahujú viac protónov, izotopy sú stále stabilnejšie s prebytkom neutrónov. Je to tak preto, že nukleóny (protóny a neutróny) nie sú v jadre fixované, ale pohybujú sa okolo seba a protóny sa navzájom odpudzujú, pretože všetky nesú kladný elektrický náboj. Neutróny tohto väčšieho jadra pôsobia tak, že izolujú protóny od účinkov navzájom.

Pomer neutrónov k protónom alebo pomer N: Z je primárny faktor, ktorý určuje, či je atómové jadro stabilné alebo nie. Ľahšie prvky (Z <20) uprednostňujú rovnaký počet protónov a neutrónov alebo N: Z = 1. Ťažšie prvky (Z = 20 až 83) uprednostňujú pomer N: Z 1,5, pretože na izoláciu proti odpudivej sile medzi protónmi je potrebných viac neutrónov.

Existujú tiež tzv. Magické čísla, čo sú obzvlášť stabilné čísla nukleónov (buď protónov alebo neutrónov). Ak tieto hodnoty majú počet protónov aj neutrónov, situácia sa nazýva dvojité magické čísla. Môžete si myslieť, že toto je jadro ekvivalentné k oktetové pravidlo riadi stabilitu elektrónového obalu. Magické čísla sa mierne líšia pre protóny a neutróny:

• Protóny: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutróny: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Aby sa ďalej komplikovala stabilita, existujú stabilnejšie izotopy so sudými až sudými Z: N (162 izotopmi) ako párne až nepárne (53 izotopov), ako nepárne až párne (50) ako nepárne a nepárne hodnoty. (4).

Jedna posledná poznámka: Či už nejaké jadro podlieha rozpadu alebo nie, je úplne náhodná udalosť. Polčas izotopu je najlepšou predikciou pre dostatočne veľkú vzorku prvkov. Nemôže sa použiť na predpovedanie správania jedného jadra alebo niekoľkých jadier.

Môžete prejsť kvíz o rádioaktivite?