Warum tritt radioaktiver Zerfall auf?

Radioaktiver Zerfall ist der spontane Prozess, durch den ein instabiler Atomkern zerbricht in kleinere, stabilere Fragmente. Haben Sie sich jemals gefragt, warum manche Kerne zerfallen, andere nicht?

Es ist im Grunde eine Frage der Thermodynamik. Jedes Atom versucht so stabil wie möglich zu sein. Im Falle eines radioaktiven Zerfalls tritt eine Instabilität auf, wenn ein Ungleichgewicht in der Anzahl von vorliegt Protonen und Neutronen im Atomkern. Grundsätzlich befindet sich im Kern zu viel Energie, um alle Nukleonen zusammenzuhalten. Der Status von die Elektronen eines Atoms spielt für den Zerfall keine Rolle, obwohl auch sie ihre eigene Art haben, Stabilität zu finden. Wenn der Kern eines Atoms instabil ist, bricht es schließlich auseinander und verliert zumindest einige der Teilchen, die es instabil machen. Der ursprüngliche Kern wird als Elternteil bezeichnet, während der resultierende Kern oder die resultierenden Kerne als Tochter oder Töchter bezeichnet werden. Die Töchter könnten noch radioaktiv sein, schließlich in mehr Teile zerbrechen, oder sie könnten stabil sein.

Es gibt drei Formen des radioaktiven Zerfalls: Welche davon ein Atomkern durchläuft, hängt von der Art der inneren Instabilität ab. Einige Isotope können über mehr als einen Weg zerfallen.

Beim Alpha-Zerfall stößt der Kern ein Alpha-Teilchen aus, das im Wesentlichen ein Heliumkern ist (zwei Protonen und zwei Neutronen), wobei die Ordnungszahl des Elternteils um zwei und die Massenzahl um verringert wird vier.

Beim Beta-Zerfall wird ein Elektronenstrom, Beta-Teilchen genannt, aus dem Elternteil ausgestoßen und ein Neutron im Kern in ein Proton umgewandelt. Die Massenzahl des neuen Kerns ist dieselbe, aber die Ordnungszahl erhöht sich um eins.

Beim Gamma-Zerfall setzt der Atomkern überschüssige Energie in Form von hochenergetischen Photonen (elektromagnetische Strahlung) frei. Die Ordnungszahl und die Massenzahl bleiben gleich, aber der resultierende Kern nimmt einen stabileren Energiezustand an.

EIN radioaktives Isotop ist eine, die radioaktiv zerfällt. Der Begriff "stabil" ist mehrdeutig, da er sich auf Elemente bezieht, die aus praktischen Gründen über einen langen Zeitraum nicht auseinander brechen. Dies bedeutet, dass stabile Isotope solche wie Protium (besteht aus einem Proton, sodass nichts mehr zu verlieren ist) und radioaktive Isotope wie Tellur -128, die niemals brechen, umfassen eine Halbwertszeit von 7,7 x 10²⁴ Jahre. Radioisotope mit kurzer Halbwertszeit werden als instabile Radioisotope bezeichnet.

Sie könnten annehmen, dass ein Kern in stabiler Konfiguration die gleiche Anzahl von Protonen wie Neutronen hat. Für viele leichtere Elemente gilt dies. Beispielsweise wird Kohlenstoff üblicherweise in drei Konfigurationen von Protonen und Neutronen gefunden, die als Isotope bezeichnet werden. Die Anzahl der Protonen ändert sich nicht, da dies das Element bestimmt, aber die Anzahl der Neutronen: Kohlenstoff-12 hat sechs Protonen und sechs Neutronen und ist stabil; Kohlenstoff-13 hat auch sechs Protonen, aber sieben Neutronen; Kohlenstoff-13 ist ebenfalls stabil. Kohlenstoff-14 mit sechs Protonen und acht Neutronen ist jedoch instabil oder radioaktiv. Die Anzahl der Neutronen für einen Kohlenstoff-14-Kern ist zu hoch, als dass die starke Anziehungskraft ihn auf unbestimmte Zeit zusammenhalten könnte.

Wenn Sie sich jedoch zu Atomen bewegen, die mehr Protonen enthalten, werden Isotope mit einem Überschuss an Neutronen zunehmend stabiler. Dies liegt daran, dass die Nukleonen (Protonen und Neutronen) nicht im Kern fixiert sind, sondern sich bewegen und die Protonen sich gegenseitig abstoßen, weil sie alle eine positive elektrische Ladung tragen. Die Neutronen dieses größeren Kerns isolieren die Protonen voneinander.

Das Verhältnis von Neutronen zu Protonen oder das N: Z-Verhältnis ist der Hauptfaktor, der bestimmt, ob ein Atomkern stabil ist oder nicht. Leichtere Elemente (Z <20) bevorzugen die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen oder N: Z = 1. Schwerere Elemente (Z = 20 bis 83) bevorzugen ein N: Z-Verhältnis von 1,5, da mehr Neutronen benötigt werden, um gegen die Abstoßungskraft zwischen den Protonen zu isolieren.

Es gibt auch sogenannte magische Zahlen, dh Zahlen von Nukleonen (entweder Protonen oder Neutronen), die besonders stabil sind. Wenn sowohl die Anzahl der Protonen als auch die Neutronen diese Werte haben, wird die Situation als doppelte magische Zahlen bezeichnet. Sie können sich dies als den Kern vorstellen, der dem entspricht Oktettregel Regulierung der Stabilität der Elektronenhülle. Die magischen Zahlen unterscheiden sich geringfügig für Protonen und Neutronen:

• Protonen: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutronen: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Um die Stabilität weiter zu verkomplizieren, gibt es stabilere Isotope mit geraden bis geraden Z: N (162 Isotope) als gerade bis ungerade (53 Isotope) als ungerade bis gerade (50) als ungerade bis ungerade Werte (4).

Eine letzte Anmerkung: Ob ein Kern zerfällt oder nicht, ist ein völlig zufälliges Ereignis. Die Halbwertszeit eines Isotops ist die beste Vorhersage für eine ausreichend große Stichprobe der Elemente. Es kann nicht verwendet werden, um eine Vorhersage über das Verhalten eines Kerns oder einiger Kerne zu treffen.

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