2ο Λύκειο Αγίας Βαρβάρας ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ

Το 1896 ο Henri Becquerel παρατήρησε ότι ένα ορυκτό που περιείχε ουράνιο εξέπεμπε αόρατη ακτινοβολία . Η ακτινοβολία αυτή ήταν εξαιρετικά διεισδυτική , διαπερνούσε το μαύρο χαρτί - περιτύλιγμα του ορυκτού- και αμαύρωνε την φωτογραφική πλάκα.

Έπρεπε να προέρχεται από τον πυρήνα του ατόμου. Η ακτινοβολία αυτή εκπεμπόταν αυθόρμητα (χωρίς καμία διέγερση του υλικού ) ,είχε μεγάλη ενέργεια και ήταν άγνωστη. Έπρεπε να προέρχεται από τον πυρήνα του ατόμου.

Οι περισσότεροι από τους πυρήνες που υπάρχουν στη φύση ή φτιάχτηκαν στους αντιδραστήρες , είναι ασταθείς ( μικρή ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο ) Διασπώνται λοιπόν σε άλλους πυρήνες σταθερότερους ( μεγάλη ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο ) . Το φαινόμενο κατά το οποίο ένας πυρήνας μετατρέπεται σε άλλον διαφορετικού στοιχείου ονομάζεται μεταστοιχείωση. Όταν ένας πυρήνας μετατρέπεται αυθόρμητα σε άλλον εκλύεται ενέργεια και εκπέμπεται ακτινοβολία.Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ραδιενέργεια.

Γιατί όμως οι πυρήνες είναι ασταθείς ; Φανταστείτε τον πυρήνα του Ηλίου. Τα πρωτόνια απωθούνται ( δυνάμεις Coulomb ) Όμως δεν απομακρύνονται λόγω των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων.

Σε έναν όμως πυρήνα με πολλά πρωτόνια αυξάνονται οι ηλεκτρικές απώσεις Όταν οι ηλεκτρικές δυνάμεις υπερισχύουν των πυρηνικών, ο πυρήνας διασπάται.

Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία αποτελείται από : Σωμάτια α Σωμάτια β Ακτίνες γ Τα σωμάτια α έχουν θετικό φορτίο, τα σωμάτια β έχουν αρνητικό φορτίο και οι ακτίνες γ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Τα παραπάνω μπορούμε να δείξουμε με το εξής πείραμα : Αν οι τρεις ακτινοβολίες περάσουν από το εικονιζόμενο μαγνητικό πεδίο τότε :

Διάσπαση α Τα σωμάτια α είναι πυρήνες Ηλίου Όταν γίνεται διάσπαση α ένας βαρύς πυρήνας ( ο μητρικός ) διασπάται σε έναν μικρότερο ( θυγατρικός ) και ένα σωμάτιο α .

Δηλαδή : + ή Προσέξτε ότι ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίδιος αριστερά και δεξιά ( Διατήρηση φορτίου ) Επίσης διατηρείται ο αριθμός των νουκλεονίων. ( Α = [Α – 4] + 4 )

Η μάζα του μητρικού πυρήνα είναι μεγαλύτερη από το άθροισμα των μαζών θυγατρικού πυρήνα και σωματίου α . Έτσι εκλύεται ενέργεια , η οποία εμφανίζεται ως κινητική ενέργεια του θυγατρικού πυρήνα και του σωματίου α . Κατά την διάσπαση διατηρείται η ορμή , δηλαδή :

Λόγω του ότι mθ >> mα Επειδή ο θυγατρικός πυρήνας έχει μικρή ταχύτητα , έχει μικρή κινητική ενέργεια και σχεδόν όλη η εκλυόμενη ενέργεια γίνεται ενέργεια του σωματίου α .

Διασπάσεις α

Διάσπαση β Κατά τη διάσπαση β εκπέμπεται από τον πυρήνα ένα ηλεκτρόνιο ( διάσπαση β- ) ή ένα ποζιτρόνιο ( διάσπαση β+ ) Το ποζιτρόνιο , e+, είναι το αντισωμάτιο του ηλεκτρονίου.Είναι όμοιο με το ηλεκτρόνιο αλλά έχει θετικό φορτίο. Ανακαλύφθηκε το 1932 από τον Anderson.

Διάσπαση β-

Διάσπαση β-

Δηλαδή : +

Σαν παράδειγμα: 6 8 7 +

Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια δεν προϋπάρχουν στον πυρήνα. Η δημιουργία τους επιβάλλεται από την αρχή διατήρησης του φορτίου. Έχουν ταχύτητες της τάξης του 99,9 % της ταχύτητας του φωτός. Η εκπομπή του αντινετρίνου εξασφαλίζει την διατήρηση της ενέργειας και της ορμής. Τα αντινετρίνα αλληλεπιδρούν ασθενικά με την ύλη και η παρατήρησή τους είναι δύσκολη. Αρχικά δεν είχαν ανιχνευθεί στις πρώτες διασπάσεις β και την ύπαρξή τους πρότεινε ο Pauli το 1930. Η παρατήρησή τους έγινε το 1950.

Διάσπαση β+

Διάσπαση β+

Δηλαδή : +

Σαν παράδειγμα: 6 5 +

Παρατηρήσατε ότι ο μαζικός αριθμός δεν αλλάζει ενώ ο ατομικός μειώνεται κατά 1.

Ένα νετρίνο μπορεί να περάσει μέσα από τη Γη σαν αυτή να μην υπάρχει.

Διάσπαση γ Οι ακτίνες γ είναι φωτόνια πολύ υψηλής συχνότητας τα οποία εκπέμπονται όταν ένας πυρήνας μεταπίπτει από διηγερμένη ενεργειακή στάθμη σε άλλη χαμηλότερης ενέργειας.

Παράδειγμα : Διάσπαση α Ο πυρήνας βρίσκεται σε διηγερμένη στάθμη και κολουθεί η αποδιέγερση : Εκπομπή γ

Αντιστοιχεί στην αποδιέγερση : Η : Αντιστοιχεί στην αποδιέγερση : 0,186 ΜeV

Ένα άλλο παράδειγμα 90,5 ΚeV 46 ΚeV

Πολλές φορές σε μια διάσπαση ο θυγατρικός πυρήνας είναι ασταθής και διασπάται με την σειρά του. Ακολουθεί μια σειρά α και β διασπάσεων μέχρι να καταλήξουν σε σταθερό πυρήνα.

Τεχνητή ραδιενέργεια Πολλές φορές σε πυρηνικές αντιδράσεις παράγονται πυρήνες μη σταθεροί. Αυτοί είναι ισότοπα σταθερών στοιχείων. Ονομάζονται ραδιοϊσότοπα ή ραδιενεργά ισότοπα. Τα ραδιοϊσότοπα διασπώνται προς σταθερούς πυρήνες. Σαν παράδειγμα αναφέρουμε τον ραδιοάνθρακα Αυτός είναι ισότοπος με τους υπάρχοντες στην φύση σταθερούς και Παράγεται : Διασπάται :

Διεισδυτική ικανότητα των σωματιδίων α , β και γ Τα σωμάτια α μόλις που διαπερνούν ένα φύλλο χαρτί. Τα σωμάτια β διαπερνούν φύλλο αλουμινίου πάχους μερικών εκατοστών. Τα σωματίδια γ διαπερνούν αρκετά εκατοστά μολύβδου. Τα σωμάτια α και β αλληλεπιδρούν ηλεκτρικά με την ύλη χάνοντας σταδιακά την ενέργειά τους. Τα φωτόνια γ είτε απορροφώνται είτε περνούν ανεπηρέαστα.

Διαχωρισμός των α ,β ,γ

Ρυθμός διάσπασης Όταν ρίχνουμε ένα ζάρι δεν είναι σίγουρο ότι θα έρθει τρία. Απλά είναι πιθανό να έρθει τρία. Έτσι δεν είναι δεδομένο ότι ένας συγκεκριμένος πυρήνας θα διασπαστεί , απλώς είναι πιθανό αυτό να συμβεί. Η πιθανότητα να έρθει τρία είναι Αυτό σημαίνει ότι αν ρίξουμε έναν μεγάλο αριθμό ζαριών , το πηλίκον των ζαριών με τρία προς τον ολικό αριθμό των ζαριών θα ισούται περίπου με ,δηλαδή την πιθανότητα να έρθει τρία.

Έστω ότι έχουμε Ν αδιάσπαστους πυρήνες. Η πιθανότητα να διασπαστεί ένας πυρήνας σε χρόνο dt είναι P. Η πιθανότητα P είναι ανάλογη του χρόνου dt και εξαρτάται από το υλικό. Δηλαδή : P = λ.dt Έστω τώρα ότι σε χρόνο dt διασπώνται dΧ πυρήνες δηλαδή μεταβάλλεται ο αριθμός των αδιάσπαστων κατά -dΧ ( dN = - dX ). Κατ’ αναλογία με τα ζάρια ισχύει : Το λ ονομάζεται σταθερά διάσπασης , ενώ η απόλυτη τιμή του ρυθμού μεταβολής ονομάζεται ενεργότητα του δείγματος. Η ενεργότητα δηλαδή είναι : Η ενεργότητα μετράται σε Becquerel ( 1 Bq )

Όμως : ( Παράγωγος σύνθετης συνάρτησης. ) Άρα : Βάζω και έχω :

Υπολογισμός του Κ Αν αρχικά έχω Νο πυρήνες ( Ν(0) = Νο ) , τότε η σχέση : γίνεται : και τελικά :

Χρόνος υποδιπλασιασμού ή ημιζωή Χρόνος υποδιπλασιασμού ή ημιζωή ονομάζεται ο χρόνος στον οποίο από τους αρχικούς πυρήνες έχουν μείνει αδιάσπαστοι οι μισοί. Δηλαδή :

Όσο μεγαλύτερη είναι η σταθερά διάσπασης , τόσο μικρότερος ο χρόνος υποδιπλασιασμού. Οι χρόνοι υποδιπλασιασμού κυμαίνονται από 10-20 s έως 1025 χρόνια. Για τον είναι 5730 χρόνια.