Was ist der radioaktiver Zerfall – Definition

Zusätzliche wichtige Zerfallsmodi:

• Elektroneneinfang. Das Einfangen von Elektronen  ist ein Prozess, bei dem ein Elternkern eines seiner Orbitalelektronen einfängt und ein Neutrino emittiert. Das Einfangen von Elektronen , auch als  inverser Beta-Zerfall bekannt,  wird manchmal als eine Art  Beta-Zerfall bezeichnet , da der grundlegende Kernprozess, der durch die schwache Wechselwirkung vermittelt wird, der gleiche ist.
• Innere Konversion. Innere Konversion  ist ein elektromagnetischer Prozess, bei dem ein angeregter Kernzustand durch direkte Emission  eines seiner  Atomelektronen zerfällt . Die innere Konversion  konkurriert mit der  Gamma-Emission, aber in diesem Fall führen die elektromagnetischen Multipolfelder des  Kerns  nicht zur Emission eines Gammastrahls, sondern die Felder interagieren direkt mit Atomelektronen. Im Gegensatz zum  Beta-Zerfall , der von einer  schwachen Kraft bestimmt wird , wird das  Elektron  vom radioaktiven Atom emittiert, nicht aber vom Kern.
• Neutronenemission. Die Neutronenemission ist eine Art radioaktiver Zerfall von Kernen, die überschüssige Neutronen (insbesondere Spaltprodukte) enthalten, bei denen ein Neutron einfach aus dem Kern ausgestoßen wird. Diese Art von Strahlung spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung von Kernreaktoren , da diese Neutronen verzögerte Neutronen sind .
• Protonenemission. Die Protonenemission ist eine seltene Art des radioaktiven Zerfalls von Kernen, die überschüssige  Protonen enthalten , bei denen ein Proton einfach aus dem Kern ausgestoßen wird .
• Spontane Spaltung . Die spontane Spaltung (SF) ist eine Form des radioaktiven Zerfalls, die nur in sehr schweren chemischen Elementen vorkommt.

Physikalische Grundlagen

Wie geschrieben wurde, bestehen Atomkerne aus Protonen und Neutronen, die sich durch die Kernkraft gegenseitig anziehen , während sich Protonen aufgrund ihrer positiven Ladung über die elektromagnetische Kraft gegenseitig abstoßen . Diese beiden Kräfte konkurrieren miteinander, was zu einer unterschiedlichen Stabilität der Kerne führt. Es gibt nur bestimmte Kombinationen von Neutronen und Protonen, die stabile Kerne bilden . Neutronen stabilisieren den Kern , weil sie sich und Protonen anziehen, was dazu beiträgt, die elektrische Abstoßung zwischen Protonen auszugleichen. Infolgedessen wird mit zunehmender Anzahl von Protonen ein zunehmendes Verhältnis von Neutronen zu Protonen benötigt , um einen stabilen Kern zu bilden. Wenn es zu viele gibt (Neutronen gehorchen auch dem Pauli-Ausschlussprinzip ) oder zu wenig Neutronen für eine bestimmte Anzahl von Protonen, der resultierende Kern ist nicht stabil und zerfällt radioaktiv . Die meisten in der Natur vorkommenden Atome sind stabil und emittieren keine Partikel oder Energie, die sich im Laufe der Zeit verändern. Von den ersten 82 Elementen im Periodensystem haben 80 Isotope, die als stabil angesehen werden. Technetium, Promethium und alle Elemente mit einer Ordnungszahl über 82 sind instabil und zersetzen sich durch radioaktiven Zerfall. Instabile Isotope zerfallen spontan über verschiedene radioaktive Zerfallswege , am häufigsten Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall, Gamma-Zerfall oder Elektroneneinfang. Viele andere seltene Arten des Zerfalls, wie spontane Spaltung oder Neutronenemission, sind bekannt.

Naturschutzgesetze im nuklearen Zerfall

Bei der Analyse von Kernreaktionen wenden wir die vielen Erhaltungsgesetze an . Kernreaktionen unterliegen den klassischen Erhaltungsgesetzen für Ladung, Impuls, Drehimpuls und Energie (einschließlich Ruheenergien). Zusätzliche Erhaltungsgesetze, die von der klassischen Physik nicht erwartet werden, sind:

• Gesetz zur Erhaltung der Lepton-Zahl
• Gesetz zur Erhaltung der Baryonenzahl
• Gesetz zur Erhaltung der elektrischen Ladung

Bestimmte dieser Gesetze werden unter allen Umständen eingehalten, andere nicht. Wir haben die Erhaltung von Energie und Dynamik akzeptiert. In allen Beispielen nehmen wir an, dass die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Neutronen getrennt erhalten bleiben. Wir werden Umstände und Bedingungen finden, unter denen diese Regel nicht wahr ist. Wenn wir nicht-relativistische Kernreaktionen betrachten, ist dies im Wesentlichen wahr. Wenn wir jedoch relativistische Kernenergien oder solche mit schwachen Wechselwirkungen betrachten, werden wir feststellen, dass diese Prinzipien erweitert werden müssen.

Einige Erhaltungsprinzipien sind aus theoretischen Überlegungen hervorgegangen, andere sind nur empirische Beziehungen. Ungeachtet dessen wird jede Reaktion, die nicht ausdrücklich durch die Erhaltungsgesetze verboten ist, im Allgemeinen auftreten, wenn auch nur langsam. Diese Erwartung basiert auf der Quantenmechanik. Sofern die Barriere zwischen dem Anfangs- und dem Endzustand nicht unendlich hoch ist, besteht immer eine Wahrscheinlichkeit ungleich Null, dass ein System den Übergang zwischen ihnen vollzieht.

Zur Analyse nicht-relativistischer Reaktionen genügt es, vier der Grundgesetze zu beachten, die diese Reaktionen regeln.

1. Erhaltung der Nukleonen . Die Gesamtzahl der Nukleonen vor und nach einer Reaktion ist gleich.
2. Ladungserhaltung . Die Summe der Ladungen aller Partikel vor und nach einer Reaktion ist gleich
3. Impulserhaltung . Der Gesamtimpuls der wechselwirkenden Teilchen vor und nach einer Reaktion ist der gleiche.
4. Energieeinsparung . Energie, einschließlich Ruhemassenenergie, bleibt bei Kernreaktionen erhalten.

Referenz: Lamarsh, John R. Einführung in die Nukleartechnik 2. Auflage

Aktivität – Spezifische Aktivität

Ein Maß für die Radioaktivität (Aktivität) basiert auf der Zählung der Zerfälle pro Sekunde . Die SI- Aktivitätseinheit ist das Becquerel (Bq), das einer reziproken Sekunde entspricht. Die Aktivität hängt nur von der Anzahl der Zerfälle pro Sekunde ab, nicht von der Art des Zerfalls, der Energie der Zerfallsprodukte oder den biologischen Auswirkungen der Strahlung. Es kann verwendet werden, um die Emissionsrate ionisierender Strahlung zu charakterisieren. Spezielle Aktivitätist die Aktivität pro Menge eines Radionuklids, daher ist die spezifische Aktivität definiert als die Aktivität pro Menge von Atomen eines bestimmten Radionuklids. Es wird normalerweise in Einheiten von Bq / g angegeben, aber eine andere häufig verwendete Aktivitätseinheit ist der Curie (Ci), der die Definition der spezifischen Aktivität in Ci / g ermöglicht.

Aktivitätseinheiten (Curie und Becquerel) können auch verwendet werden, um eine Gesamtmenge kontrollierter oder versehentlicher Freisetzungen radioaktiver Atome zu charakterisieren .

Aktivitätseinheiten

• Becquerel . Das Becquerel ist eine1974 definierte SI-Einheit der Radioaktivität . Es wurde zu Ehren von Henri Becquerel benannt, einem französischen Physiker, der 1896 die Radioaktivität entdeckte. Ein Becquerel (1Bq) entspricht 1 Zerfall pro Sekunde .
• Curie . Der Curie ist eine1910 definierteNicht-SI- Einheit der Radioaktivität. Sie wurde ursprünglich als äquivalent zu der Anzahl der Zerfälle definiert, die ein Gramm Radium-226 in einer Sekunde erfahren wird. Derzeit ist ein Curie definiert als 1Ci = 3,7 x 10 ¹⁰ Zerfälle pro Sekunde .
• Rutherford . Rutherford (Symbol Rd ) ist auch eine Nicht-SI-Einheit, definiert als die Aktivität einer Menge radioaktiven Materials, in der eine Million Kerne pro Sekunde zerfallen .

Zerfallsgesetz

Berechnungen des Zerfalls radioaktiver Kerne sind relativ einfach, da es nur ein Grundgesetz gibt, das den gesamten Zerfallsprozess regelt. Dieses Gesetz besagt, dass die Wahrscheinlichkeit pro Zeiteinheit, dass ein Kern zerfällt, unabhängig von der Zeit konstant ist. Diese Konstante wird als Abklingkonstante bezeichnet und mit λ, „Lambda“, bezeichnet. Der radioaktive Zerfall einer bestimmten Anzahl von Atomen (Masse) ist zeitlich exponentiell.

Zerfallsgesetz: Zerfall: N = Ne- ^λt

Die Rate des nuklearen Zerfalls wird auch als Halbwertszeit gemessen . Die Halbwertszeit ist die Zeit, die ein bestimmtes Isotop benötigt, um die Hälfte seiner Radioaktivität zu verlieren. Wenn ein Radioisotop eine Halbwertszeit von 14 Tagen hat, ist die Hälfte seiner Atome innerhalb von 14 Tagen zerfallen. In weiteren 14 Tagen wird die Hälfte der verbleibenden Hälfte verfallen und so weiter. Die Halbwertszeiten reichen von Millionstelsekunden für hochradioaktive Spaltprodukte bis zu Milliarden von Jahren für langlebige Materialien (wie natürlich vorkommendes Uran ). Beachte dasKurze Halbwertszeiten gehen mit großen Zerfallskonstanten einher. Radioaktives Material mit einer kurzen Halbwertszeit ist (zum Zeitpunkt der Herstellung) viel radioaktiver, verliert jedoch offensichtlich schnell seine Radioaktivität. Unabhängig davon, wie lang oder kurz die Halbwertszeit ist, bleibt nach Ablauf von sieben Halbwertszeiten weniger als 1 Prozent der ursprünglichen Aktivität übrig.

Das Gesetz über den radioaktiven Zerfall kann auch für Aktivitätsberechnungen oder Massenberechnungen für radioaktives Material abgeleitet werden:

(Anzahl der Kerne) N = Ne- ^λt     (Aktivität) A = Ae- ^λt      (Masse) m = me- ^λt

wobei N (Anzahl der Partikel) die Gesamtzahl der Partikel in der Probe ist, A (Gesamtaktivität) die Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit einer radioaktiven Probe ist, m die Masse des verbleibenden radioaktiven Materials ist.

Halbwertszeit und Zerfallskonstante

Bei der Berechnung der Radioaktivität muss einer von zwei Parametern ( Zerfallskonstante  oder  Halbwertszeit ) bekannt sein, die die Zerfallsrate charakterisieren. Es gibt eine Beziehung zwischen der Halbwertszeit (t _1/2 ) und der Abklingkonstante λ. Die Beziehung kann aus dem Zerfallsgesetz abgeleitet werden, indem N = ½ N _{o gesetzt wird} . Das gibt:

wobei  ln 2  (das natürliche log von 2) gleich 0,693 ist. Wenn die Abklingkonstante (λ) angegeben ist, ist es einfach, die Halbwertszeit zu berechnen und umgekehrt.

Zerfallskette

In der Physik ist eine  radioaktive Zerfallskette  eine Folge  instabiler Atomkerne  und ihrer  Zerfallsmodi , die zu einem stabilen Kern führt. Die Quellen dieser instabilen Kerne sind unterschiedlich, aber die meisten Ingenieure befassen sich mit  natürlich vorkommenden radioaktiven Zerfallsketten,  die als  radioaktive Reihen bekannt sind . Es ist zu beachten, dass es in  Kernreaktoren viele Arten von Zerfallsketten von  Spaltfragmenten gibt . Spaltfragmente sind  sehr instabil  (radioaktiv) und zerfallen weiter  radioaktiv  , um sich zu  stabilisieren .

Siehe auch: Radioaktive Zerfallskette

Zerfallswärme im Reaktor

Wenn ein Reaktor abgeschaltet wird, hört die Spaltung im Wesentlichen auf, aber es   wird immer noch Zerfallsenergie erzeugt. Die nach dem Abschalten erzeugte Energie wird als  Zerfallswärme bezeichnet . Die Menge der Zerfallswärmeerzeugung nach dem Abschalten wird direkt von der  Leistungshistorie  (Ansammlung von Spaltprodukten) des Reaktors vor dem Abschalten und vom Grad der  Brennstoffverbrennung beeinflusst (Anhäufung von Aktiniden – insbesondere bei der Handhabung abgebrannter Brennelemente). Ein Reaktor, der vor dem Abschalten 10 Tage lang mit voller Leistung betrieben wurde, hat eine viel höhere Abklingwärmeerzeugung als ein Reaktor, der im gleichen Zeitraum mit niedriger Leistung betrieben wurde. Wenn andererseits der Reaktor seine Leistung von 50% auf 100% der vollen Leistung ändert, sinkt das Verhältnis von Zerfallswärme zu Neutronenleistung auf ungefähr die Hälfte seines vorherigen Niveaus und baut sich dann langsam auf, wenn sich der Bestand an Spaltprodukten an die anpasst neue Kraft.

Die nach einem Abschalten des Reaktors bei voller Leistung erzeugte Abklingwärme entspricht zunächst etwa  6 bis 7%  der Nennwärmeleistung. Da  radioaktive Zerfall  ist  ein zufälliger Prozess  auf der Ebene der einzelnen Atom, wird es durch das geregelten  radioaktive Zerfallsgesetz . Beachten Sie, dass bestrahlter Kernbrennstoff eine große Anzahl verschiedener Isotope enthält, die zur  Zerfallswärme beitragen und alle dem Gesetz über den radioaktiven Zerfall unterliegen. Daher muss ein Modell, das die Abklingwärme beschreibt, die  Abklingwärme  als eine  Summe von Exponentialfunktionen betrachten mit unterschiedlichen Abklingkonstanten und anfänglichem Beitrag zur Heizrate. Spaltfragmente mit einer kurzen Halbwertszeit sind (zum Zeitpunkt der Herstellung) viel radioaktiver und tragen erheblich zum Zerfall der Wärme bei, verlieren jedoch offensichtlich schnell ihren Anteil. Andererseits sind Spaltfragmente und transuranische Elemente mit einer langen Halbwertszeit (zum Zeitpunkt der Herstellung) weniger radioaktiv und erzeugen weniger Zerfallswärme, verlieren jedoch offensichtlich langsamer ihren Anteil. Diese Abklingwärmeerzeugungsrate verringert sich ungefähr  eine Stunde  nach dem Abschalten auf  etwa 1%  .