Varför inträffar radioaktivt förfall?

Radioaktivt förfall är den spontana processen genom vilken en instabil atomkärnan bryts upp i mindre, mer stabila fragment. Har du någonsin undrat varför vissa kärnor förfaller medan andra inte gör det?

Det handlar i princip om termodynamik. Varje atom försöker vara så stabil som möjligt. Vid radioaktivt förfall uppstår instabilitet när det finns en obalans i antalet protoner och neutroner i atomkärnan. I grund och botten finns det för mycket energi inuti kärnan för att hålla alla nukleonerna samman. Status för elektronerna av en atom spelar ingen roll för förfall, även om de också har sitt eget sätt att hitta stabilitet. Om kärnan i en atom är instabil kommer den så småningom att gå sönder för att förlora åtminstone några av partiklarna som gör den instabil. Den ursprungliga kärnan kallas föräldern, medan den resulterande kärnan eller kärnorna kallas dotter eller döttrar. Döttrarna kanske fortfarande vara radioaktiv, så småningom bryter i fler delar, eller så kan de vara stabila.

Det finns tre former av radioaktivt förfall: vilken av dessa en atomkärna genomgår beror på arten av den interna instabiliteten. Vissa isotoper kan förfalla via mer än en väg.

Vid alfa-sönderfall kastar kärnan ut en alfapartikel, som i huvudsak är en heliumkärna (två protoner och två neutroner), vilket minskar moderantalets atomantal med två och massantalet med fyra.

Vid beta-sönderfall matas en ström av elektroner, kallad beta-partiklar, från föräldern och en neutron i kärnan omvandlas till en proton. Massantalet för den nya kärnan är detsamma, men atomantalet ökar med en.

Vid gammafördelning frigör atomkärnan överskottsenergi i form av högenergi-fotoner (elektromagnetisk strålning). Atomantalet och massantalet förblir desamma, men den resulterande kärnan antar ett mer stabilt energitillstånd.

EN radioaktiv isotop är en som genomgår radioaktivt förfall. Termen "stabil" är mer tvetydig, eftersom det gäller element som i praktiska syften inte bryter isär över en lång tidsperiod. Detta innebär att stabila isotoper inkluderar sådana som aldrig bryts, som protium (består av en proton, så det finns inget kvar att förlora), och radioaktiva isotoper, som tellur -128, som har en halveringstid av 7,7 x 10²⁴ år. Radioisotoper med kort halveringstid kallas instabila radioisotoper.

Du kan anta att en kärna i stabil konfiguration skulle ha samma antal protoner som neutroner. För många lättare element är detta sant. Till exempel finns kol vanligtvis med tre konfigurationer av protoner och neutroner, kallade isotoper. Antalet protoner förändras inte, eftersom detta bestämmer elementet, men antalet neutroner gör: Carbon-12 har sex protoner och sex neutroner och är stabilt; kol-13 har också sex protoner, men den har sju neutroner; kol-13 är också stabil. Emellertid är kol-14, med sex protoner och åtta neutroner, instabil eller radioaktiv. Antalet neutroner för en koldioxid-14-kärna är för högt för att den starka attraktiva kraften kan hålla den tillsammans på obestämd tid.

Men när du flyttar till atomer som innehåller fler protoner, är isotoperna allt stabilare med ett överskott av neutroner. Detta beror på att nukleonerna (protoner och neutroner) inte är fixerade på plats i kärnan, utan rör sig runt, och protonerna avvisar varandra eftersom de alla har en positiv elektrisk laddning. Neutronerna i denna större kärna verkar för att isolera protonerna från effekterna av varandra.

Förhållandet mellan neutroner och protoner, eller N: Z-förhållandet, är den primära faktorn som avgör om en atomkärna är stabil eller inte. Lättare element (Z <20) föredrar att ha samma antal protoner och neutroner eller N: Z = 1. Tyngre element (Z = 20 till 83) föredrar ett N: Z-förhållande på 1,5 eftersom fler neutroner behövs för att isolera mot den avvisande kraften mellan protonerna.

Det finns också vad som kallas magiska nummer, som är antal nukleoner (antingen protoner eller neutroner) som är särskilt stabila. Om både antalet protoner och neutroner har dessa värden benämns situationen dubbla magiska nummer. Du kan tänka på detta som att det är kärnan motsvarande oktettregel reglerande elektronskalstabilitet. De magiska siffrorna är något olika för protoner och neutroner:

• Protoner: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• Neutroner: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

För att ytterligare komplicera stabiliteten finns det mer stabila isotoper med jämnt till jämnt Z: N (162 isotoper) än jämnt till udda (53 isotoper), än udda till jämnt (50) än udda till udda värden (4).

En sista anmärkning: Huruvida någon kärna genomgår förfall eller inte är en helt slumpmässig händelse. Halveringstiden för en isotop är den bästa förutsägelsen för ett tillräckligt stort prov av elementen. Det kan inte användas för att göra någon form av förutsägelse om beteendet hos en kärna eller några kärnor.

Kan du passera en frågesport om radioaktivitet?