Ραδιενέργεια
Ραδιενέργεια είναι ο αυθόρμητος μετασχηματισμός ασταθούς πυρήνα. Η στιγμή διάσπασης ενός συγκεκριμένου πυρήνα είναι θεμελιωδώς πιθανοκρατική, αλλά ένας μεγάλος πληθυσμός ακολουθεί πολύ προβλέψιμη εκθετική συμπεριφορά που χαρακτηρίζεται από σταθερά διάσπασης και χρόνο ημιζωής.
Οπτικό μοντέλο
Διαδραστικό μοντέλο
Άλφα, βήτα και γάμμα μεταβολές
Στην άλφα διάσπαση εκπέμπεται πυρήνας ⁴₂He, οπότε ο μητρικός πυρήνας χάνει 4 από το A και 2 από το Z. Στη βήτα-μείον διάσπαση ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο με εκπομπή ηλεκτρονίου και αντινετρίνου: το A μένει ίδιο και το Z αυξάνεται κατά 1.
Η γάμμα εκπομπή είναι φωτόνιο που απομακρύνει περίσσεια πυρηνικής διέγερσης χωρίς αλλαγή A ή Z. Η εξισορρόπηση μαζικού και ατομικού αριθμού είναι ο γρηγορότερος έλεγχος της ταυτότητας του θυγατρικού νουκλιδίου.
Νόμος διάσπασης και χρόνος ημιζωής
Για μεγάλο σύνολο πυρήνων ισχύει N(t) = N₀e^(−λt). Ο χρόνος ημιζωής είναι T₁/₂ = ln2/λ και είναι ο χρόνος για να μειωθεί κατά το μισό ο αναμενόμενος αριθμός αδιάσπαστων πυρήνων. Μετά από δύο ημιζωές απομένει 1/4, μετά από τρεις 1/8.
Ο χρόνος ημιζωής δεν είναι «διάρκεια ζωής» ενός συγκεκριμένου πυρήνα. Ένας πυρήνας μπορεί να διασπαστεί νωρίς ή πολύ αργότερα. Η εκθετική καμπύλη προκύπτει από σταθερή πιθανότητα διάσπασης ανά μονάδα χρόνου για κάθε αδιάσπαστο πυρήνα.
Ενεργότητα και becquerel
Η ενεργότητα είναι A_act = λN, δηλαδή ο αναμενόμενος αριθμός διασπάσεων ανά δευτερόλεπτο. 1 becquerel (Bq) ισούται με μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο. Η ενεργότητα εξαρτάται τόσο από τον αριθμό ασταθών πυρήνων όσο και από τη λ.
Η ενεργότητα δεν είναι το ίδιο με την ένδειξη ανιχνευτή, την απορροφούμενη δόση ή τον βιολογικό κίνδυνο. Ο ανιχνευτής καταγράφει μόνο μέρος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας και η δόση εξαρτάται από ενέργεια, απορρόφηση, γεωμετρία και είδος ιστού.
Νόμοι διατήρησης
Σε κάθε πυρηνική μεταβολή διατηρούνται το ηλεκτρικό φορτίο, η συνολική ενέργεια και η ορμή· επίσης πρέπει να τηρούνται οι σχετικοί νόμοι στροφορμής. Η συνεχής κατανομή ενεργειών των ηλεκτρονίων βήτα οδήγησε στην ανάγκη νετρίνου ή αντινετρίνου για πλήρη ενεργειακή και ορμητική ισορροπία.
Αυτή η λογική είναι ισχυρότερη από την απομνημόνευση εξισώσεων. Ελέγχοντας A, Z, ενέργεια και σωματίδια μπορούμε να εντοπίσουμε αδύνατη πυρηνική εξίσωση ακόμη κι αν τα ονόματα των νουκλιδίων φαίνονται σωστά.
Ακτινοβολία, διείσδυση και κίνδυνος
Άλφα σωματίδια έχουν μικρή διεισδυτικότητα αλλά υψηλή πυκνότητα ιονισμού. Μπορεί να σταματούν στο εξωτερικό του σώματος, αλλά εσωτερικός άλφα πομπός μπορεί να αποθέσει έντονα ενέργεια σε μικρό όγκο. Γάμμα φωτόνια διεισδύουν περισσότερο και απαιτούν διαφορετική θωράκιση.
Δεν υπάρχει απλή κατάταξη «ποια ακτινοβολία είναι πιο επικίνδυνη» χωρίς διαδρομή έκθεσης, ενέργεια, ενεργότητα, χρόνο, βιολογική κατανομή και απόσταση. Πηγή, ακτινοβολία και ανιχνευτής πρέπει να διακρίνονται: πτώση μετρήσεων μπορεί να οφείλεται σε διάσπαση, θωράκιση, γεωμετρία ή απόδοση ανίχνευσης.
Ασκήσεις
Άσκηση 1
Το ²³⁸₉₂U υφίσταται άλφα διάσπαση. Ποιο είναι το θυγατρικό νουκλίδιο;
Λύση: A = 238 − 4 = 234 και Z = 92 − 2 = 90: ²³⁴₉₀Th.
Άσκηση 2
Το ¹⁴₆C υφίσταται βήτα-μείον διάσπαση. Τι προκύπτει;
Λύση: Το A παραμένει 14 και Z γίνεται 7: ¹⁴₇N, μαζί με e⁻ και αντινετρίνο.
Άσκηση 3
Αν λ = 2,0×10⁻⁵ s⁻¹ και N = 3,0×10⁸, ποια είναι η ενεργότητα;
Λύση: A_act = λN = 6,0×10³ s⁻¹ = 6,0×10³ Bq.