Alpha-Zerfall (oder α-Zerfall und auch Alpha-Radioaktivität ) repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms. Dieser Übergang kann charakterisiert werden als:
Wie aus der Figur ersichtlich ist, werden Alpha-Teilchen beim Alpha-Zerfall emittiert. Alpha-Teilchen sind energetische Heliumkerne . Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alpha-Teilchen sind relativ groß und tragen eine doppelt positive Ladung. Sie sind nicht sehr durchdringend und ein Stück Papier kann sie aufhalten. Sie reisen nur wenige Zentimeter, legen aber ihre ganze Energie auf ihren kurzen Wegen ab.
In der Praxis wurde diese Art des Zerfalls nur bei Nukliden beobachtet, die erheblich schwerer als Nickel sind, wobei die leichtesten bekannten Alpha-Emitter die leichtesten Isotope (Massenzahlen 106–110) von Tellur (Element 52) sind. In Kernreaktoren tritt Alpha-Zerfall beispielsweise im Brennstoff auf (Alpha-Zerfall schwerer Kerne). Alpha-Partikel werden üblicherweise von allen in der Natur vorkommenden schweren radioaktiven Kernen ( Uran , Thorium oder Radium) sowie von den transuranischen Elementen (Neptunium, Plutonium oder Americium) emittiert .
Theorie des Alpha-Zerfalls – Quantentunneln
Unter den verschiedenen Kanälen, in denen ein Kern zerfällt, war der Alpha-Zerfall einer der am meisten untersuchten. Der Alpha-Zerfallskanal in schweren und superschweren Kernen hat Informationen über die grundlegenden Eigenschaften von Kernen geliefert, die weit von der Stabilität entfernt sind, wie z. B. ihre Grundzustandsenergien und die Struktur ihrer Kernniveaus.
Alpha-Zerfall ist ein Quantentunnelprozess . Um emittiert zu werden, muss das Alpha-Teilchen eine Potentialbarriere durchdringen. Dies ähnelt dem Clusterzerfall , bei dem ein Atomkern einen kleinen „Cluster“ von Neutronen und Protonen emittiert (z . B. 12 C).
Die Höhe der Coulomb-Barriere für Kerne von A «200 beträgt etwa 20-25 MeV . Die beim Zerfall des Kerns emittierten Alpha-Teilchen haben typische Energien von etwa 5 MeV. Einerseits wird ein ankommendes 5-MeV-Alpha-Teilchen von einem schweren Kern gestreut und kann die Coulomb-Barriere nicht durchdringen und sich dem Kern ausreichend nähern, um über die starke Kraft zu interagieren. Andererseits kann ein 5-MeV-Alpha-Teilchen, das in einer nuklearen Potentialwanne gebunden ist, dieselbe Coulomb-Barriere tunneln.
Bis 1928 hatte George Gamow (und unabhängig von Ronald Gurney und Edward Condon ) die Theorie des Alpha-Zerfalls durch Quantentunnelung gelöst. Sie nahmen an, dass das Alpha-Teilchen und der Tochterkern vor seiner Dissoziation im Elternkern existieren, nämlich vor dem Zerfall quasistationärer Zustände (QS). Ein quasistationärer Zustand ist definiert als ein langlebiger Zustand, der schließlich zerfällt. Anfänglich schwingt der Alpha-Cluster im Potential des Tochterkerns, wobei das Coulomb-Potential deren Trennung verhindert. Das Alpha-Teilchen wird vom Kern in einer Potentialwanne gefangen. Klassisch ist es verboten zu entkommen, aber nach den (damals) neu entdeckten Prinzipien der Quantenmechanik hat es eine winzige (aber nicht Null) Wahrscheinlichkeit, durch die Barriere zu „tunneln“ und auf der anderen Seite zu erscheinen, um dem Kern zu entkommen . Unter Verwendung des Tunnelmechanismus berechneten Gamow, Condon und Gurney die Durchdringbarkeit des Tunnelns von α-Partikeln durch die Coulomb-Barriere. Finden der Lebensdauern einiger α-emittierender Kerne. Der Haupterfolg dieses Modells war die Reproduktion des semi-empirischen Geiger-Nuttall-Gesetzes, das die Lebensdauer der α-Emitter in Bezug auf die Energien der freigesetzten α-Teilchen ausdrückt. Es muss beachtet werden, dass andere übliche Formen des Zerfalls (z. B. Beta-Zerfall) durch das Zusammenspiel sowohl der Kernkraft als auch der elektromagnetischen Kraft bestimmt werden.
Besondere Referenz: WSC Williams. Kern- und Teilchenphysik. Clarendon Press; 1 Ausgabe, 1991, ISBN: 978-0198520467.
Der Beta-Zerfall oder β-Zerfall repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Beta-Partikels. Dieser Übergang ( β – Zerfall ) kann charakterisiert werden als:
Wenn ein Kern ein Beta-Teilchen emittiert, verliert er ein Elektron (oder Positron). In diesem Fall bleibt die Massenzahl des Tochterkerns gleich, aber der Tochterkern bildet ein anderes Element.
Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen größeren Penetrationsbereich als Alpha-Partikel, aber immer noch viel weniger als Gammastrahlen . Die emittierten Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Es gibt die folgenden Formen des Beta-Zerfalls:
- Negativer Beta-Zerfall – Elektronenzerfall. In Elektronen Zerfalls emittiert eine neutronenreichen Kern ein hochenergetischer Elektronen (β – Teilchen). Die Elektronen sind negativ geladene, fast masselose Teilchen. Aufgrund des Gesetzes zur Erhaltung der elektrischen Ladung muss sich die Kernladung um eine Einheit erhöhen. In diesem Fall kann der Prozess dargestellt werden durch:
- Positiver Beta-Zerfall – Positronen-Zerfall. Beim Zerfall von Positronen emittiert ein protonenreicher Kern ein Positron (Positronen sind Antiteilchen von Elektronen und haben die gleiche Masse wie Elektronen, aber eine positive elektrische Ladung) und reduziert dadurch die Kernladung um eine Einheit. In diesem Fall kann der Prozess dargestellt werden durch: Eine Vernichtung tritt auf, wenn ein niederenergetisches Positron mit einem niederenergetischen Elektron kollidiert.
- Inverser Beta-Zerfall – Elektroneneinfang . 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. In diesem Prozess kann ein protonenreicher Kern auch seine Kernladung um eine Einheit reduzieren, indem er ein Atomelektron absorbiert.
Theorie des Beta-Zerfalls – Schwache Interaktion
Der Beta-Zerfall wird durch die schwache Wechselwirkung bestimmt . Während der Beta – Zerfall eines von zwei nach unten Quark Veränderungen in einen up Quark durch einen W Emittieren – Bosonen (wegträgt , eine negative Ladung). Das W – Boson zerfällt dann in ein Beta – Teilchen und ein Antineutrino . Dieser Prozess entspricht dem Prozess, bei dem ein Neutrino mit einem Neutron interagiert.
Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ändert die schwache Wechselwirkung einen Quarkgeschmack in einen anderen. Beachten Sie, dass das Standardmodell sechs Geschmacksrichtungen von Quarks und sechs Geschmacksrichtungen von Leptonen zählt. Die schwache Wechselwirkung ist der einzige Prozess, bei dem ein Quark zu einem anderen Quark oder ein Lepton zu einem anderen Lepton wechseln kann (Geschmacksänderung). Weder die starke Wechselwirkung noch elektromagnetischGeschmacksänderung zulassen. Diese Tatsache ist bei vielen Zerfällen von Kernteilchen von entscheidender Bedeutung. Bei dem Fusionsprozess, der beispielsweise die Sonne antreibt, interagieren zwei Protonen über die schwache Kraft zu einem Deuteriumkern, der weiter reagiert und Helium erzeugt. Ohne die schwache Wechselwirkung würde das Diproton durch Protonenemission in zwei ungebundene Wasserstoff-1-Protonen zurückfallen. Infolgedessen würde die Sonne ohne sie nicht brennen, da die schwache Wechselwirkung die Transmutation p -> n verursacht.
Im Gegensatz zum Alpha-Zerfall existieren weder das Beta-Teilchen noch das zugehörige Neutrino vor dem Beta-Zerfall im Kern, sondern entstehen beim Zerfall. Durch diesen Prozess erhalten instabile Atome ein stabileres Verhältnis von Protonen zu Neutronen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Nuklid aufgrund von Beta und anderen Formen des Zerfalls zerfällt, wird durch seine Kernbindungsenergie bestimmt. Damit eine Elektronen- oder Positronenemission energetisch möglich ist, muss die Energiefreisetzung (siehe unten) oder der Q-Wert positiv sein.
Energiespektrum des Beta-Zerfalls
Sowohl beim Alpha- als auch beim Gamma-Zerfall weist das resultierende Teilchen ( Alpha-Teilchen oder Photon ) eine enge Energieverteilung auf , da das Teilchen die Energie aus der Differenz zwischen dem Anfangs- und dem Endkernzustand trägt. Wenn beispielsweise im Fall eines Alpha-Zerfalls ein Elternkern spontan zerfällt und einen Tochterkern und ein Alpha-Teilchen ergibt, entspricht die Summe der Masse der beiden Produkte nicht ganz der Masse des ursprünglichen Kerns (siehe Massendefekt ). . Aufgrund des Energieerhaltungsgesetzes tritt dieser Unterschied in Form der kinetischen Energie des Alpha-Teilchens auf. Da bei jedem Abbau eines bestimmten Elternkerns dieselben Partikel als Produkte auftreten, sollte die Massendifferenz immer gleich sein , und die kinetische Energie der Alpha-Partikel sollte auch immer gleich sein. Mit anderen Worten, der Strahl von Alpha-Partikeln sollte monoenergetisch sein .
Es wurde erwartet, dass die gleichen Überlegungen für einen Elternkern gelten würden, der in einen Tochterkern und ein Beta-Teilchen zerfällt . Da nur das Elektron und der rückprallende Tochterkern Beta-Zerfall beobachtet wurden, wurde zunächst angenommen, dass der Prozess ein Zweikörperprozess ist , der dem Alpha-Zerfall sehr ähnlich ist. Es erscheint vernünftig anzunehmen, dass die Beta-Partikel auch einen monoenergetischen Strahl bilden würden .
Um zu demonstrieren , Energetik von Zwei-Körper – Beta – Zerfall, betrachten den Beta – Zerfall , in der ein Elektron emittiert wird , und der Mutterkern im Ruhezustand ist , c onservation Energie erfordert:
Da das Elektron ein viel leichteres Teilchen ist, wurde erwartet, dass es den größten Teil der freigesetzten Energie abführt , die einen einzigartigen Wert T e- haben würde .
Aber die Realität sah anders aus . Das von Lise Meitner und Otto Hahn 1911 und von Jean Danysz 1913 gemessene Spektrum von Beta-Partikeln zeigte jedoch mehrere Linien auf einem diffusen Hintergrund. Darüber hinaus haben praktisch alle emittierten Beta-Partikel Energien, die unter denen liegen, die durch Energieeinsparung bei Zweikörperzerfällen vorhergesagt werden. Die beim Beta-Zerfall emittierten Elektronen haben eher ein kontinuierliches als ein diskretes Spektrum , was der Energieerhaltung zu widersprechen scheint, unter der damals aktuellen Annahme, dass der Beta-Zerfall die einfache Emission eines Elektrons aus einem Kern ist. Als dies zum ersten Mal beobachtet wurde, schien es das Überleben eines der wichtigsten Naturschutzgesetze in der Physik zu gefährden !
Um diese Energiefreisetzung zu erklären, schlug Pauli (1931) vor, dass beim Zerfall ein weiteres Teilchen emittiert wurde , das später von Fermi als Neutrino bezeichnet wurde . Es war klar, dass dieses Teilchen stark durchdringen muss und dass die Erhaltung der elektrischen Ladung erfordert, dass das Neutrino elektrisch neutral ist. Dies würde erklären, warum es so schwierig war, dieses Teilchen zu erkennen. Der Begriff Neutrino kommt aus dem Italienischen und bedeutet „kleines neutrales“. Neutrinos werden mit dem griechischen Buchstaben ν (nu) bezeichnet . Während des Beta-Zerfalls trägt das Neutrino die fehlende Energie und auch in diesem Prozess bleibt das Gesetz der Energieerhaltung gültig .
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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.
