Читать книгу Fascynująca chemia - Sylvia Feil - Страница 15

Aby zmaksymalizować swoją energię wiązania, jądra atomowe próbują osiągnąć wyważony stosunek protonów do neutronów oraz średnią liczbę łączną nukleonów (protonów i neutronów). Mogą to osiągnąć na wiele sposobów, począwszy od fuzji jąder we wnętrzu gwiazd, a skończywszy na zjawisku znanym nam jako rozpad promieniotwórczy.

Bardzo ciężkie jądra atomowe chętnie pozbywają się nukleonów, ponieważ wówczas wzrasta energia wiązania pozostałych nukleonów w jądrze. Mogłyby one za to odpychać pojedyncze protony i neutrony, jednak jest to energetycznie niekorzystne i udaje się to tylko tym jądrom, które mają ekstremalną nadwyżkę protonów i neutronów. O wiele korzystniej jest od razu odepchnąć całą paczkę nukleonów mającą jak największą energię wiązania. Taką paczką jest jądro helu-4, zwane również cząstką alfa i składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Związany z tym proces rozpadu promieniotwórczego nazywa się odpowiednio rozpadem alfa. Jeśli taka paczka jest większa, mówimy o rozszczepieniu jądra atomowego.

Drugim ważnym procesem rozpadu jest rozpad beta. Za jego pomocą jądro może przemieniać neutrony w protony lub na odwrót, aby w ten sposób osiągnąć korzystniejszy stosunek protonów do neutronów.

Prototyp rozpadu beta minus można znaleźć wśród wolnych neutronów. Wolny neutron o czasie połowicznego rozpadu wynoszącym około dziesięciu minut rozpada się na proton, elektron i tzw. antyneutrino elektronowe, wyzwalając energię. Nie jest też tak, że elektron czy antyneutrino istniały już we wnętrzu neutronu – one wówczas dopiero powstają!

Proces ten jest możliwy z energetycznego punktu widzenia tylko dlatego, że masa neutronu jest o ok. 0,14% większa niż masa protonu – odpowiada to 2,5 masom elektronu. Podczas rozpadu na proton, elektron i niemalże niemające masy antyneutrino, pozostaje ok. 1,5 mas elektronu, które zgodnie ze stworzonym przez Einsteina wzorem E = m ⋅ c² mogą przekształcić się w energię. Masa nie jest bowiem niczym innym jak uwięzioną energią. Każde uwolnienie energii jest związane ze stratą masy, a każde przyjęcie energii – z przyrostem masy. Na przykład podczas tworzenia jądra helu-4 jako energia uwalniane jest 0,8% całkowitej masy – jest to również nazywane ubytkiem masy. Zasada ta obowiązuje nie tylko w fizyce jądrowej, lecz także w chemii, jednak nie jest wówczas tak zauważalna, ponieważ energia podczas reakcji chemicznych jest wiele milionów razy słabsza niż podczas procesów jądrowych.

Podczas rozpadu neutronu w jego wnętrzu zachodzi przemiana kwarku dolnego w kwark górny, w ramach której wysyłany jest krótkotrwały bozon W^–. Ten natychmiast rozpada się na elektron i na antyneutrino elektronowe. Upływ czasu na diagramie (diagram Feynmana) jest oznaczony strzałką wskazującą do góry, a antycząstki zostały przedstawione za pomocą strzałki wskazującej w kierunku przeciwnym do kierunku upływu czasu

Neutrony potrafią się przemieniać w protony podczas rozpadu beta również we wnętrzu jąder atomu, przy czym nowo powstały elektron i antyneutrino z dużą energią szukają jak największego zasięgu. Neutrony w jądrze mogą być jednak też stabilne, jeśli łączny bilans energetyczny wszystkich biorących udział w procesie jąder podczas przemiany neutronów w protony miałby pochłonąć energię.

Wolne protony – w przeciwieństwie do wolnych neutronów – są stabilne, ponieważ są nieco lżejsze niż neutrony, a ich przemiana w neutrony kosztowałaby energię. Jednakże jako elementy składowe jąder mogą stać się one niestabilne, jeśli w tym procesie miałaby łącznie zostać uwolniona energia. Rozpadają się wówczas w tzw. rozpadzie beta plus na jeden neutron, pozytron (antycząstkę elektronu) oraz na jedno neutrino elektronowe, w wyniku czego dany proton przekształca się w neutron.

Poza rozpadem alfa i beta często spotykany jest również rozpad gamma – najczęściej jako zjawisko im towarzyszące. Rozpad gamma zachodzi, gdy w wyniku procesów jądrowych powstaje jądro atomowe w stanie wzbudzonym, które promieniuje swoją energią w postaci wysokoenergetycznego fotonu, określanego również jako kwant gamma.

Rodzaje rozpadów promieniotwórczych poszczególnych jąder atomowych (nuklidów)