Was ist Radioaktivität – Kernzerfall – Definition

Arten der Radioaktivität

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.

Zerfallsmodi

Der nukleare Zerfall (radioaktiver Zerfall) tritt auf, wenn ein instabiles Atom durch Emission ionisierender Strahlung Energie verliert . Der radioaktive Zerfall ist ein zufälliger Prozess auf der Ebene einzelner Atome, da es nach der Quantentheorie unmöglich ist, vorherzusagen, wann ein bestimmtes Atom zerfallen wird. Mit anderen Worten, ein Kern eines Radionuklids hat kein „Gedächtnis“. Ein Kern „altert“ nicht im Laufe der Zeit. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit seines Zusammenbruchs nicht mit der Zeit, sondern bleibt konstant, egal wie lange der Kern existiert. Während seines unvorhersehbaren Zerfalls zersetzt sich dieser instabile Kern spontan und zufälligeinen anderen Kern (oder einen anderen Energiezustand – Gamma-Zerfall) zu bilden, der Strahlung in Form von Atompartikeln oder hochenergetischen Strahlen abgibt. Dieser Zerfall erfolgt mit einer konstanten, vorhersagbaren Rate, die als Halbwertszeit bezeichnet wird. Ein stabiler Kern wird dieser Art von Zerfall nicht unterliegen und ist daher nicht radioaktiv. Es gibt viele Arten des radioaktiven Zerfalls:

• 

  Alpha-Radioaktivität . Alpha-Zerfall ist die Emission von Alpha-Partikeln (Heliumkernen). Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Aufgrund seiner sehr großen Masse (mehr als das 7000-fache der Masse des Beta-Partikels) und seiner Ladung ionisiert es das Material schwer und hat eine sehr kurze Reichweite .

• Beta-Radioaktivität . Beta-Zerfall ist die Emission von Beta-Partikeln . Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen größeren Durchdringungsbereich 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. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet.
• Gammaradioaktivität . Gammaradioaktivität besteht aus Gammastrahlen. Gammastrahlen sind elektromagnetische Strahlung (hochenergetische Photonen) mit einer sehr hohen Frequenz und einer hohen Energie. Sie entstehen durch den Zerfall von Kernen, wenn sie von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie übergehen, der als Gamma-Zerfall bekannt ist. Die meisten Kernreaktionen gehen mit einer Gamma-Emission einher.
• 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 .

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