Proč dochází k radioaktivnímu rozkladu?

Radioaktivní rozpad je spontánní proces, jehož prostřednictvím je nestabilní atomové jádro se rozpadne na menší, stabilnější fragmenty. Přemýšleli jste někdy, proč se některá jádra rozpadají, zatímco jiná ne?

V zásadě jde o termodynamiku. Každý atom se snaží být co nejstabilnější. V případě radioaktivního rozpadu nastává nestabilita, když existuje nevyváženost v počtu protony a neutrony v atomovém jádru. V podstatě je uvnitř jádra příliš mnoho energie na to, aby všechny nukleony držely pohromadě. Stav elektrony atomu nezáleží na rozpadu, i když mají také vlastní způsob, jak najít stabilitu. Pokud je jádro atomu nestabilní, nakonec se rozpadne a ztratí alespoň částice, které jej činí nestabilním. Původní jádro se nazývá rodič, zatímco výsledné jádro nebo jádra se nazývá dcera nebo dcery. Dcéry by stále mohly být radioaktivní, nakonec se rozpadne na více částí, nebo by mohly být stabilní.

Existují tři formy radioaktivního rozpadu: které z nich atomové jádro podléhá povaze vnitřní nestability. Některé izotopy se mohou rozkládat více než jednou cestou.

Při rozpadu alfa jádro vypouští alfa částici, což je v podstatě jádro hélia (dvě protony a dva neutrony), snižující atomové číslo rodiče o dva a hmotnostní číslo o čtyři.

V beta rozpadu je proud elektronů, nazývaných beta částice, vypuzován z rodiče a neutron v jádru je přeměněn na proton. Hmotnostní číslo nového jádra je stejné, ale atomové číslo se zvyšuje o jedno.

Při rozpadu gama uvolňuje atomové jádro přebytek energie ve formě vysokoenergetických fotonů (elektromagnetické záření). Atomové číslo a hmotnostní číslo zůstávají stejné, ale výsledné jádro předpokládá stabilnější energetický stav.

A radioaktivní izotop je ten, který podléhá radioaktivnímu rozpadu. Termín „stabilní“ je nejednoznačný, protože se vztahuje na prvky, které se z praktických důvodů nerozdělují po dlouhou dobu. To znamená, že stabilní izotopy zahrnují ty, které se nikdy nerozbijí, jako protium (sestává z jednoho protonu, takže už nezbývá co ztratit) a radioaktivní izotopy, jako tellurium -128, který má poločas 7,7 x 10²⁴ let. Radioizotopy s krátkým poločasem se nazývají nestabilní radioizotopy.

Dalo by se předpokládat, že jádro ve stabilní konfiguraci by mělo stejný počet protonů jako neutrony. Pro mnoho lehčích prvků je to pravda. Například uhlík se běžně vyskytuje se třemi konfiguracemi protonů a neutronů, které se nazývají izotopy. Počet protonů se nemění, protože to určuje prvek, ale počet neutronů ano: Uhlík-12 má šest protonů a šest neutronů a je stabilní; uhlík-13 má také šest protonů, ale má sedm neutronů; uhlík-13 je také stabilní. Uhlík-14 se šesti protony a osmi neutrony je však nestabilní nebo radioaktivní. Počet neutronů pro jádro uhlíku-14 je příliš vysoký na to, aby je silná přitažlivá síla udržovala pohromadě neomezeně dlouho.

Ale jak se pohybujete k atomům, které obsahují více protonů, izotopy jsou stále více stabilní s přebytkem neutronů. Důvodem je, že nukleony (protony a neutrony) nejsou v jádru fixovány, ale pohybují se a protony se navzájem odpuzují, protože všechny nesou kladný elektrický náboj. Neutrony tohoto většího jádra izolují protony od vzájemných účinků.

Poměr neutronů k protonům nebo poměr N: Z je primární faktor, který určuje, zda je atomové jádro stabilní. Lehčí prvky (Z <20) dávají přednost tomu, aby měly stejný počet protonů a neutronů nebo N: Z = 1. Těžší prvky (Z = 20 až 83) dávají přednost poměru N: Z 1,5, protože k izolaci proti odpudivé síle mezi protony je potřeba více neutronů.

Existují také tzv. Magická čísla, což jsou čísla nukleonů (buď protonů nebo neutronů), které jsou zvláště stabilní. Pokud tyto hodnoty mají jak počet protonů, tak neutronů, pak se situace nazývá dvojitá magická čísla. Můžete si to představit jako jádro ekvivalentní s oktetové pravidlo řízení stability elektronového obalu. Magická čísla se mírně liší pro protony a neutrony:

• Protony: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutrony: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Pro další komplikování stability existují stabilnější izotopy se sudým až sudým Z: N (162 izotopů) než sudé až liché (53 izotopů), než liché na sudé (50) než liché na sudé hodnoty (4).

Jedna poslední poznámka: Zda nějaké jádro podléhá rozkladu nebo ne, je zcela náhodná událost. Poločas rozpadu izotopu je nejlepší předpovědí pro dostatečně velký vzorek prvků. Nelze použít k jakékoli predikci chování jednoho jádra nebo několika jader.

Dokážete projít kvíz o radioaktivitě?