18 просмотров

7.3: Спонтанный ядерный распад

Химия LibreTexts

Нестабильные ядра спонтанно излучают излучение в виде частиц и энергии. Обычно это изменяет количество протонов и/или нейтронов в ядре, что приводит к более стабильному нуклиду. Одним из видов ядерной реакции является радиоактивный распад, реакция, при которой ядро ​​спонтанно распадается на несколько более легкое ядро, сопровождающееся испусканием частиц, энергии или того и другого.. Ниже показан пример, в котором ядро ​​атома полония радиоактивно распадается на ядро ​​свинца.

Обратите внимание, что в сбалансированном ядерном уравнении сумма атомных чисел (нижние индексы) и сумма массовых чисел (верхние индексы) должны быть равны в обеих частях уравнения. Откуда мы знаем, что продуктом реакции является (ce^Th>)? Мы используем модифицированный тип закон сохранения материи, что говорит о том, что у нас должно быть одинаковое количество протонов и нейтронов с обеих сторон химического уравнения. Если наше ядро ​​урана теряет 2 протона от альфа-частицы, то остается 90 протонов, что идентифицирует элемент как торий. Более того, если мы потеряем 4 ядерные частицы из исходных 235, останется 231. Таким образом, мы используем вычитание для идентификации изотопа атома тория — в данном случае (ce<^_Th>).

Поскольку количество протонов изменяется в результате этой ядерной реакции, меняется и сущность элемента. трансмутация это изменение идентичности ядра в результате изменения числа протонов. Существует несколько различных типов естественного радиоактивного распада, и мы рассмотрим каждый из них отдельно.

Статья в тему:  Какая экологическая опасность непосредственно связана с производством атомной энергии

Альфа-распад

Ан альфа-частица (left( alpha right)) представляет собой ядро ​​гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Альфа-частицы испускаются при некоторых видах радиоактивного распада. Суммарный заряд альфа-частицы равен (2+), а ее масса примерно равна (4 : text). Символ альфа-частицы в ядерном уравнении обычно (ce), хотя иногда используется (alpha). Альфа-распад обычно происходит для очень тяжелых ядер, в которых ядра нестабильны из-за большого количества нуклонов. Для ядер, которые претерпевают альфа-распад, их стабильность увеличивается за счет вычитания двух протонов и двух нейтронов. Например, уран-238 распадается на торий-234 путем испускания альфа-частицы (см. рисунок ниже).

Пример (PageIndex): Радон-222

Напишите ядерное уравнение, описывающее радиоактивный распад радона-222 с испусканием альфа-частиц, и определите дочерний изотоп.

Решение

Радон имеет атомный номер 86, поэтому исходный изотоп представлен как (ce_Rn>). Мы представляем альфа-частицу как (ce_He>) и используем вычитание (222 − 4 = 218 и 86 − 2 = 84), чтобы идентифицировать дочерний изотоп как изотоп полония, (mathrm_Po>):

Упражнение (PageIndex): полоний-209

Напишите ядерное уравнение, описывающее радиоактивный распад полония-209 с испусканием альфа-частиц, и определите дочерний изотоп.

Отвечать

Бета-распад

Ядра выше полосы стабильности нестабильны из-за слишком высокого отношения нейтронов к протонам. Чтобы уменьшить это отношение, нейтрон в ядре способен превратиться в протон и электрон. Электрон немедленно выбрасывается с большой скоростью из ядра. А бета-частица (слева(бетасправа)) представляет собой высокоскоростной электрон, вылетающий из ядра атома при некоторых видах радиоактивного распада. (см. рисунок ниже). Символом бета-частицы в уравнении является либо (beta), либо (cee>). Углерод-14 подвергается бета-распаду, превращаясь в ядро ​​азота-14.

Статья в тему:  Какой электрон во фторе наиболее защищен от ядерного заряда?

Обратите внимание, что бета-распад увеличивает атомный номер на единицу, но массовое число остается прежним.

Пример (PageIndex): Бор-12

Напишите ядерное уравнение, описывающее радиоактивный распад бора-12 с испусканием бета-частиц, и определите дочерний изотоп. Гамма-луч испускается одновременно с бета-частицами.

Решение

Родительским изотопом является (ce_B>), а одним из продуктов является электрон, (ce_e>). Чтобы масса и атомные номера имели одинаковое значение с обеих сторон, массовое число дочернего изотопа должно быть равно 12, а его атомный номер должен быть равен 6. Элементом, имеющим атомный номер 6, является углерод. Таким образом, полное ядерное уравнение выглядит следующим образом:

[ceBстрелка вправо , _6^C + , _^0e + gamma> nonnumber]

Дочерний изотоп — (ce_6 C>).

Упражнение (PageIndex): Йод-131

Напишите ядерное уравнение, описывающее радиоактивный распад йода-131 с испусканием бета-частиц, и определите дочерний изотоп. Гамма-луч испускается одновременно с бета-частицами.

Отвечать

[ceIстрелка вправо , _54^Xe + , _^0e + gamma> nonnumber]

Позитронная эмиссия

Ядра ниже полосы стабильности нестабильны, потому что их отношение нейтронов к протонам слишком низкое. Один из способов увеличить это соотношение состоит в том, чтобы протон в ядре превратился в нейтрон и другую частицу, называемую позитроном. А позитрон частица с такой же массой, как у электрона, но с положительным зарядом. Как и бета-частица, позитрон сразу же выбрасывается из ядра при его образовании. Символ позитрона в уравнении — (cee>). Например, калий-38 испускает позитрон, превращаясь в аргон-38.

Статья в тему:  Насколько места быстрого питания способствуют глобальному потеплению

Позитронная эмиссия уменьшает атомный номер на единицу, но массовое число остается прежним.

Электронный захват

Альтернативный способ для нуклида увеличить отношение нейтронов к протонам — это явление, называемое захватом электронов.При электронном захвате электрон с внутренней орбитали захватывается ядром атома и объединяется с протоном, образуя нейтрон. Например, серебро-106 подвергается захвату электронов, превращаясь в палладий-106.

Обратите внимание, что общий результат захвата электрона идентичен испусканию позитрона. Атомный номер уменьшается на единицу, а массовое число остается прежним.

Гамма-излучение

Гамма-лучи (left( gamma right)) электромагнитные волны очень высокой энергии, испускаемые ядром. Гамма-лучи испускаются ядром, когда ядерные частицы совершают переходы между уровнями ядерной энергии. Это аналогично электромагнитному излучению, испускаемому, когда возбужденные электроны переходят с более высоких энергетических уровней на более низкие; разница только в том, что ядерные переходы испускают гораздо более энергичное излучение. Гамма-излучение часто сопровождает распад нуклида другими способами.

Испускание гамма-излучения не влияет на атомный номер или массовое число продуктов, но снижает их энергию.

Краткое изложение ядерной радиации

В таблице ниже приведены основные типы ядерного излучения, включая заряд, массу, символ и проникающую способность. Проникающая способность относится к относительной способности излучения проходить через обычные материалы. Излучение с высокой проникающей способностью потенциально более опасно, поскольку оно может проникать через кожу и вызывать повреждение клеток.

Таблица (PageIndex) Краткое описание видов ядерных излучений.

ТипСимволМассовое числоОбвинениеСила проникновенияЭкранирование
Альфа-частица(ce) или (alpha )4(2+)НизкийБумага, кожа
Бета-частица(cee>) или (бета)(1-)УмеренныйПлотная ткань, пластик
Позитрон(ce) или (бета^+ )(1+)УмеренныйПлотная ткань, пластик
Гамма-луч(гамма) или (^0_0гамма)ВысокаяСвинец, бетон
нейтрон(се)1ВысокаяВода, свинец
Статья в тему:  Что вызывает глобальное потепление?

Напишите сбалансированное ядерное уравнение для описания каждой реакции.

  1. бета-распад (^_textrm)
  2. распад (^_textrm) за счет электронного захвата
  3. распад (^_textrm) с испусканием позитронов

Данный: радиоактивный нуклид и способ распада

Попросил о: сбалансированное ядерное уравнение

Стратегия:

А Определите реагенты и продукты из предоставленной информации.

Б Используйте значения А а также Z для определения любых недостающих компонентов, необходимых для балансировки уравнения.

Решение

А Мы знаем тождества реагента и одного из продуктов (β-частицы). Поэтому мы можем начать с написания уравнения, которое показывает реагент и один из продуктов, а неизвестный продукт обозначается как (^_textrm): [^_textrmrightarrow,^_textrm+,^_ бетаномер]

Б Поскольку в ядерной реакции должны сохраняться и протоны, и нейтроны, неизвестное вещество должно иметь массовое число А = 35 − 0 = 35 и атомный номер Z = 16 − (−1) = 17. Элемент с Z = 17 — это хлор, поэтому сбалансированное ядерное уравнение выглядит следующим образом: [^_textrmrightarrow,^_textrm+,^_beta nonumber]

А Мы знаем названия обоих реагентов: (^_textrm) и внутреннего электрона, (^_textrm). Реакция следующая: [^_textrm+,^_textrm erightarrow,^_textrm nonumber]

Б И протоны, и нейтроны сохраняются, поэтому массовое число продукта должно быть А = 201 + 0 = 201, а атомный номер продукта должен быть Z = 80 + (-1) = 79, что соответствует элементу золота. Таким образом, сбалансированное ядерное уравнение имеет вид [^_textrm+,^_textrm erightarrow,^_textrm nonumber]

А Как и в части (а), нам даны тождества реагента и одного из продуктов — в данном случае позитрона. Таким образом, несбалансированное ядерное уравнение имеет вид [^_textrmrightarrow,^_textrm+,^_beta nonumber]

Статья в тему:  Какие материалы защищают от ядерного излучения

Б Массовое число второго продукта А = 30 — 0 = 30, а его атомный номер Z = 15 − 1 = 14, что соответствует кремнию. Сбалансированное ядерное уравнение реакции выглядит следующим образом: [^_textrmrightarrow,^_textrm+,^_beta nonumber]

Напишите сбалансированное ядерное уравнение для описания каждой реакции.

  1. (^_textrm) по эмиссии позитронов
  2. бета-распад молибдена-99
  3. испускание α-частицы с последующим гамма-излучением из (^_textrm)

Ответ д

Ответ с

Предскажите, каким ядерным изменениям подвергается каждый нестабильный нуклид при распаде.

Данный: нуклид

Попросил о: тип ядерного распада

Стратегия:

На основании отношения нейтронов к протонам и значения Z, предсказать тип реакции ядерного распада, которая приведет к образованию более стабильного нуклида.

Решение

  1. Этот нуклид имеет отношение нейтронов к протонам всего 1,05, что намного меньше требований стабильности для элемента с атомным номером в этом диапазоне. Ядра с низким отношением нейтронов к протонам распадаются, превращая протон в нейтрон. Есть две возможности: испускание позитрона, которое превращает протон в нейтрон и позитрон, и захват электрона, который превращает протон и основной электрон в нейтрон. В этом случае наблюдаются оба явления: испускание позитронов происходит примерно в 86% случаев, а захват электронов — примерно в 14% случаев.
  2. ядра с Z > 83 слишком тяжелы, чтобы быть стабильными, и обычно подвергаются альфа-распаду, который уменьшает как массовое число, так и атомный номер. Таким образом, ожидается, что (^_textrm) распадется за счет альфа-излучения.
  3. Этот нуклид имеет отношение нейтронов к протонам 1,4, что очень много для легкого элемента. Ядра с высоким отношением нейтронов к протонам распадаются, превращая нейтрон в протон и электрон. Электрон испускается в виде β-частицы, а протон остается в ядре, вызывая увеличение атомного номера без изменения массового числа. Поэтому мы предсказываем, что (^_textrm) подвергнется бета-распаду.
  4. Это массивный нуклид с атомным номером 100 и массовым числом намного больше 200. Нуклиды с А ≥ 200 имеют тенденцию к распаду с альфа-излучением, и даже более тяжелые ядра имеют тенденцию к спонтанному делению.Поэтому мы предсказываем, что (^_textrm) будет распадаться в результате одного или обоих этих двух процессов. Фактически, он распадается как путем спонтанного деления, так и путем альфа-излучения в соотношении 97:3.
Статья в тему:  Какая самая большая атомная подводная лодка

Предскажите, каким ядерным изменениям подвергается каждый нестабильный нуклид при распаде.

Ответ д

эмиссия позитронов или захват электронов

Ответ с

Авторы и атрибуция

  • Эллисон Сульт, доктор философии (Кафедра химии, Университет Кентукки)

7.3: Спонтанный ядерный распад распространяется по лицензии CC BY-NC-SA, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.

  1. Вернуться к вершине
    • 7.2: Стабильные и нестабильные изотопы
    • 7.4: Ионизирующее излучение
  • Эта статья была полезной?
  • Да
  • Нет

Рекомендуемые статьи

  1. Тип статьи Раздел или страница Лицензия CC BY-NC-SA Показать страницу Содержание № на странице
  2. Теги
    1. источник[1]-chem-86254
    2. источник[2]-chem-86254
    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:

0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x