Zakaj nastane radioaktivno razpadanje?

Radioaktivno razpadanje je spontani proces, skozi katerega nestabilen atomsko jedro razbije na manjše, bolj stabilne drobce. Ste se že kdaj vprašali, zakaj nekatera jedra razpadajo, druga pa ne?

V bistvu gre za termodinamiko. Vsak atom želi biti čim bolj stabilen. Pri radioaktivnem razpadu nestabilnost nastane, kadar je neravnovesje v številu protoni in nevtroni v atomskem jedru. V bistvu je v jedru preveč energije, da bi vse nukleon zdržali skupaj. Status elektroni atoma ni pomembno za razpad, čeprav imajo tudi oni svoj način iskanja stabilnosti. Če je jedro atoma nestabilno, se bo sčasoma razpadlo in izgubilo vsaj delce, zaradi katerih je nestabilen. Izvirno jedro imenujemo matično, medtem ko nastalo jedro ali jedra imenujemo hči ali hčera. Hčere morda še vedno biti radioaktivni, sčasoma se zlomi na več delov ali pa so stabilni.

Obstajajo tri oblike radioaktivnega razpada: katera od teh atomskega jedra je odvisna od narave notranje nestabilnosti. Nekateri izotopi lahko razpadajo po več kot eni poti.

Pri razpadu alfe jedro izloči alfa delček, ki je v bistvu helijino jedro (dve protoni in dva nevtrona), s čimer se zmanjša atomsko število matičnega za dva in masno število za štiri.

Pri razpadu beta se tok elektronov, imenovan beta delci, izloči iz matičnega in nevtron v jedru se pretvori v proton. Masno število novega jedra je enako, vendar se atomsko število poveča za eno.

Pri razpadu gama atomsko jedro sprošča odvečno energijo v obliki visokoenergijskih fotonov (elektromagnetno sevanje). Atomsko število in masno število ostajata enaka, vendar nastalo jedro prevzame bolj stabilno energijsko stanje.

A radioaktivni izotop je radioaktivno razpadanje. Izraz "stabilen" je bolj dvoumen, saj velja za elemente, ki se v praktičnih namene ne razpadajo v daljšem časovnem obdobju. To pomeni, da med stabilne izotope spadajo tisti, ki se nikoli ne zlomijo, kot protium (sestavljen iz enega protona, zato ni preostalo drugega, kot da izgubimo), in radioaktivne izotope, kot je telur -128, ki ima razpolovna doba od 7,7 x 10²⁴ let. Radioizotopi s kratko razpolovno dobo se imenujejo nestabilni radioizotopi.

Lahko domnevate, da bi imelo jedro v stabilni konfiguraciji enako število protonov kot nevtroni. Za številne lažje elemente to drži. Ogljik na primer najdemo s tremi konfiguracijami protonov in nevtronov, imenovanimi izotopi. Število protonov se ne spreminja, saj to določa element, število nevtronov pa: Ogljik-12 ima šest protonov in šest nevtronov in je stabilen; ogljik-13 ima tudi šest protonov, vendar ima sedem nevtronov; ogljik-13 je tudi stabilen. Vendar je ogljik-14 s šestimi protoni in osmimi nevtroni nestabilen ali radioaktiven. Število nevtronov za jedro ogljika-14 je previsoko, da bi ga močna privlačna sila držala skupaj v nedogled.

Ko pa se premikate k atomom, ki vsebujejo več protonov, so izotopi vse bolj stabilni s presežkom nevtronov. To je zato, ker nukleoni (protoni in nevtroni) niso postavljeni na mestu v jedru, ampak se gibljejo, protoni pa se odbijajo, ker vsi nosijo pozitiven električni naboj. Nevroni tega večjega jedra delujejo tako, da protone izolirajo med seboj.

Razmerje nevtronov proti protonom ali razmerje N: Z je glavni dejavnik, ki določa, ali je atomsko jedro stabilno ali ne. Lažji elementi (Z <20) imajo raje enako število protonov in nevtronov ali N: Z = 1. Težji elementi (Z = 20 do 83) imajo raje razmerje N: Z 1,5, ker je za izolacijo pred odbojno silo med protoni potrebno več nevtronov.

Obstajajo tudi tako imenovana magična števila, ki so števila nukleonov (bodisi protonov bodisi nevtronov), ki so še posebej stabilna. Če imata tako število protonov kot nevtronov, se situacija imenuje dvojna čarobna števila. To si lahko predstavljate kot jedro, ki je enakovredno pravilo okteta uravnavanje stabilnosti elektronske lupine. Čarobna števila se pri protonih in nevtronih nekoliko razlikujejo:

• Protoni: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Nevtroni: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Za nadaljnjo otežitev stabilnosti obstajajo bolj stabilni izotopi z enakomernimi enakomernimi Z: N (162 izotopi) kot enakomerni (enakomerni) (53 izotopov), od neparnih do enakomernih (50) od vrednosti neparnih ali neparnih (4).

Končna opomba: ali se katerokoli jedro podvrže razpadu ali ne, je povsem naključen dogodek. Razpolovni čas izotopa je najboljša napoved za dovolj velik vzorec elementov. Ni ga mogoče uporabiti za napovedovanje vedenja enega jedra ali nekaj jeder.

Lahko prenesete kviz o radioaktivnosti?