Φυσική Γ’ Λυκείου Γενικής Παιδείας Η ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ http://users.dra.sch.gr/filplatakis

Κάποιοι πυρήνες στη φύση είναι σταθεροί, κάποιοι (οι περισσότεροι) είναι ασταθείς. π.χ. Σταθεροί πυρήνες Ασταθείς πυρήνες

Γενικά στους πυρήνες η Ισχυρή Πυρηνική δύναμη μεταξύ των νουκλεονίων προσπαθεί να εξουδετερώσει την απωστική δύναμη Coulomb μεταξύ των πρωτονίων. Συνεπώς, όσο μεγαλώνει στους πυρήνες ο αριθμός των νουκλεονίων, τα πρωτόνια λιγοστεύουν σε σχέση με τα νετρόνια, ώστε η Ισχυρή Πυρηνική Δύναμη να μπορεί να «τιθασεύσει» τη δύναμη Coulomb. π.χ. στους πυρήνες του άνθρακα και οξυγόνου έχουμε: Ν/Ζ = 1. Ενώ στους πυρήνες του Ράδιου και Ουράνιου είναι: 138/88 = 1,57 και 146/92 = 1,59 αντίστοιχα.

Η διαδικασία κατά την οποία ένας πυρήνας μετατρέπεται σε έναν άλλο διαφορετικού στοιχείου ονομάζεται: μεταστοιχείωση. Όταν ένας πυρήνας μετατρέπεται αυθόρμητα σε άλλο πυρήνα, εκλύεται ενέργεια με ταυτόχρονη εκπομπή ακτινοβολίας. Το φαινόμενο ονομάζεται ραδιενέργεια. Τα είδη της ακτινοβολίας είναι: 1) Ακτινοβολία α (πυρήνες Ηλίου: 24Ηe) 2) Ακτινοβολία β (ηλεκτρόνια: e- ή e+) 3) Ακτινοβολία γ (φωτόνια)

Διάσπαση α Έχουμε την εκπομπή ενός πυρήνα Ηλίου 24He με αποτέλεσμα να μειώνεται στον θυγατρικό πυρήνα ο μαζικός αριθμός κατά 4, και ο ατομικός αριθμός κατά 2: X + + σωμάτιο α Y + +

Διάσπαση α π.χ.: α Ra Rn + + + Παρατηρούμε: 88 = 86 + 2 (διατηρείται ο αριθμός των πρωτονίων) 226 = 222 + 4 (διατηρείται ο αριθμός των νουκλεονίων)

Διάσπαση β Έχουμε την εκπομπή από τον πυρήνα ενός ηλεκτρονίου (διάσπαση β-) ή ενός ποζιτρονίου (διάσπαση β+). Η διάσπαση β οφείλεται στην ύπαρξη της Ασθενούς Πυρηνικής Δύναμης που μετατρέπει ένα πρωτόνιο του πυρήνα σε νετρόνιο και το ανάποδο. X Y X Y + + + e+ + e- + + νετρίνο αντινετρίνο

Διάσπαση β- Διάσπαση β+ π.χ.: π.χ.: Παρατηρούμε: 6 = 7 - 1 (διατηρείται το συνολικό φορτίο) 14 = 14 + 0 (διατηρείται ο αριθμός των νουκλεονίων) Διάσπαση β+ π.χ.: Παρατηρούμε: 6 = 5 +1 (διατηρείται το συνολικό φορτίο) 11 = 11 + 0 (διατηρείται ο αριθμός των νουκλεονίων)

Νετρίνο - Αντινετρίνο 1) Τα νετρίνα και αντινετρίνα είναι πολύ μικρά σωματίδια που αντιδρούν ελάχιστα με την ύλη (πρέπει να περάσουν δισεκατομμύρια φορές μέσα από την υδρόγειο για να αλληλεπιδράσουν με κάποιο σωματίδιο της). 2) Πρωτοπροτάθηκαν από το Pauli το 1930 για να ισχύει η αρχή διατήρησης ενέργειας και ορμής στη διάσπαση του 14C και επιβεβαιώθηκαν πειραματικά το 1950. 3) Κανείς δεν γνωρίζει με σιγουριά αν έχουν μάζα τα νετρίνα. Τελευταίες μετρήσεις δίνουν μάζα της τάξης του ενός δισεκατομμυριοστού της μάζας του πρωτονίου (0,05 eV). Αν επαληθευτούν, ίσως τα νετρίνα λύσουν το μυστήριο της σκοτεινής ύλης.

Διάσπαση γ Κάποιες φορές ένας πυρήνας μπορεί να βρεθεί σε διεγερμένη κατάσταση (όπως ακριβώς βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση το άτομο του Υδρογόνου). Αυτό συμβαίνει συχνά μετά από μια διάσπαση α ή β. Το αποτέλεσμα είναι ο πυρήνας να εκπέμπει ένα φωτόνιο και να αποδιεγείρεται. π.χ.: (0 αστερίσκος (*) δηλώνει διεγερμένη κατάσταση)

Διάσπαση γ Τα φωτόνια που εκπέμπονται από τις αποδιεγέρσεις του πυρήνα ονομάζονται ακτίνες γ ή φωτόνια γ και έχουν πολύ υψηλές ενέργειες σε σχέση με τις ενέργειες των φωτονίων του ορατού φωτός. (Ας σημειωθεί κατά την εκπομπή ακτινοβολίας γ δεν αλλάζει ούτε το Ζ, ούτε το Α του πυρήνα)

Διεισδυτικότητα των ακτινοβολιών α, β και γ 1) Tα σωματίδια α μόλις που διαπερνούν ένα φύλλο χαρτιού. 2) Tα σωματίδια β (σαν μικρότερα που είναι) διαπερνούν φύλλα αλουμινίου πάχους λίγων εκατοστών. 3) Tα φωτόνια γ έχουν πολύ μεγάλη διεισδυτικότητα και μπορούν να διαπεράσουν αρκετά εκατοστά μολύβδου.

Διαχωρισμός των σωματιδίων α, β και γ Τα σωματίδια α, β και γ μπορούν να διαχωριστούν με τη βοήθεια ενός μαγνητικού πεδίου. Τα φορτισμένα α και β επηρεάζονται από το μαγνητικό πεδίο, ενώ τα φωτόνια γ περνούν ανεπηρέαστα.

Η διάσπαση ενός δείγματος Ν ατόμων ραδιενεργού υλικού είναι ένα φαινόμενο καθαρά στατιστικό. Αυτό σημαίνει: α) Δεν έχουμε καμιά δυνατότητα να ξέρουμε πότε θα διασπαστεί ένας συγκεκριμένος πυρήνας. β) Επειδή το πλήθος των ατόμων είναι γενικά πολύ μεγάλο, οι εξισώσεις της στατιστικής επαληθεύονται με πολύ μεγάλη ακρίβεια από το πείραμα.

Ο ρυθμός ΔΝ/Δt με τον οποίο διασπάται ένα ραδιενεργό υλικό εξαρτάται: α) Από το αρχικό πλήθος Ν των αδιάσπαστων ατόμων (και προφανώς όσο μεγαλύτερο αριθμό έχουμε, τόσο περισσότεροι πυρήνες θα διασπώνται σε κάθε s). β) Από το πόσο ασταθές είναι το ραδιενεργό υλικό.

(όπου λ: σταθερά διάσπασης του δείγματος) Τα προηγούμενα εκφράζονται με τη σχέση: (όπου λ: σταθερά διάσπασης του δείγματος)  Επειδή ο αριθμός των πυρήνων μειώνεται, ο ρυθμός διάσπασης είναι αρνητικός Η απόλυτη τιμή του ρυθμού διάσπασης ΔΝ/Δt  ονομάζεται ενεργότητα δείγματος και μετριέται σε Becquerel (Bq)

Ο χρόνος που απαιτείται ώστε ο αριθμός των ραδιενεργών πυρήνων να μειωθεί στο μισό του αρχικού αριθμού ονομάζεται: χρόνος υποδιπλασιασμού (Τ1/2) ή ημιζωή Ν Ν0 Ν0/2 Ν0/4 Ν0/8 t Τ1/2 2Τ1/2 3Τ1/2 Για t = 0 έχουμε Ν0 αδιάσπαστους πυρήνες Για t = Τ1/2 θα έχουμε Ν0/2 αδιάσπαστους πυρήνες Για t = 2Τ1/2 έχουμε Ν0/4 αδιάσπαστους πυρήνες Για t = 3Τ1/2 έχουμε Ν0/8 αδιάσπαστους πυρήνες

Η μαθηματική μορφή της καμπύλης είναι εκθετική της μορφής: Ν = Ν0e-λΤ t Ν0 Ν0/2 Ν0/4 Ν0/8 Τ1/2 2Τ1/2 3Τ1/2 Για t = Τ1/2 θα έχουμε Ν = Ν0/2. Οπότε: ή και καταλήγουμε:

Παραδείγματα ημιζωής ραδιενεργών πυρήνων Ραδιενεργό Ημιζωή 134Xe 5 μs 175Αu 0,1 s 100Ag 2 min 54Mg 312 d 55Fe 2,73 y 204Th 3,78 y 133Βα 10,7 y 14C 5730 y 238U 4,5·109 y