AlegsaOnline.com

Radioaktyvusis skilimas — kas tai, atradimas ir veikimo principas

Sužinokite, kas yra radioaktyvusis skilimas, jo atradimą Bekerelio ir Kiurių, veikimo principus bei poveikį atomams ir cheminių elementų stabilumui.

Autorius: Leandro Alegsa

25-12-2025

Radioaktyvusis skilimas vyksta su kai kuriais cheminiais elementais. Dauguma cheminių elementų yra stabilūs. Cheminiai elementai sudaryti iš atomų. Stabilių elementų atomas išlieka toks pat. Net vykstant cheminei reakcijai patys atomai niekada nesikeičia. Tačiau branduolio lygmenyje — protonų ir neutronų sandaroje — gali vykti pokyčiai: nestabilūs branduoliai savaime skyla, persiskirsto dalimis arba išspinduliuoja energiją. Šis procesas keičia ne chemines savybes (elektroninį sluoksnį), o pačio elemento branduolio sandarą, todėl gali atsirasti kitas elementas arba kita izotopinė forma.

XIX a. Henris Bekerelis atrado, kad kai kurių cheminių elementų atomai kinta. 1898 m. Marie ir Pierre'as Curie šį reiškinį pavadino radioaktyviuoju skilimu. Už šį atradimą Bekerelis ir Kiuri 1903 m. buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija. Tyrimai atskleidė, jog radioaktyvūs procesai vyksta gamtoje (pvz., uranas, radis, polonis) ir gali būti sukeliami dirbtinai branduolių reakcijų metu.

Kas tai yra radioaktyvusis skilimas?

Radioaktyvusis skilimas — tai spontaniškas nestabilaus atomo branduolio pokytis, kurio metu branduolys išskiria daleles arba elektromagnetinę spinduliuotę ir dažnai virsta kitu elementu arba kitu izotopu. Skilimo metu išsiskirianti energija gali būti pavojinga gyvoms ląstelėms, todėl radioaktyvumas reikalauja atsargumo.

Skilimo tipai

Alfa (α) skilimas: branduolys išskiria alfa dalelę — tai helio branduolys (2 protonai ir 2 neutronai). Po alfa skilimo elementas sumažina savo atominių skaičių dvejais (pavyzdžiui, urano-238 → torio-234).
Beta (β) skilimas: būna dviejų rūšių:
- β− (elektronas): neutronas branduolyje pavirsta protonu, išspinduliuojant elektroną ir antineutrino.
- β+ (pozitronas): protonas virsta neutronu, išspinduliuojant pozitroną ir neutrino.
Gama (γ) spinduliuotė: tai didelės energijos elektromagnetinė spinduliuotė, kuri dažnai seka alfa arba beta skilimą, kai branduolys pereina į mažesnės energetinės būsenos lygį.
Kitokie procesai: alfa, beta ir gama yra pagrindiniai, bet kartais vyksta ir kiti branduoliniai perėjimai (pvz., elektronų sugėrimas, fisioniniai ar fuzijos procesai didelėse energijose).

Pusperiodis ir skilimo dėsnis

Kiekvienas radioaktyvus izotopas turi pusperiodį (T1/2) — tai laikas, per kurį pusė pradinio radioaktyviųjų branduolių skaičiaus sureaguoja. Radioaktyvumas mažėja eksponentiškai, ir skaičiuojant likusių branduolių kiekį galima naudoti formulę N = N0 · 2^(−t/T1/2), kur N0 yra pradinis branduolių skaičius, t — praėjęs laikas. Pusperiodis gali būti nuo labai trumpų laikotarpių (milisekundės) iki milijonų metų.

Radioaktyvumo intensyvumas matuojamas aktyvumo vienetais: Becquereliai (Bq) — vienas skilimas per sekundę, taip pat istorinis vienetas Curie (Ci).

Taikymas ir reikšmė

Medicina: diagnostikoje (tomo-scintigrafija, PET) ir terapijoje (radioaktyvūs izotopai navikų gydymui).
Mokslas ir datavimas: radiokarbono metodas (C-14) leidžia datuoti organinius radinius; kiti izotopai naudojami geologijoje ir archeologijoje.
Energetika: branduolinė energetika remiasi valdomomis fisiono grandininėmis reakcijomis.
Pramonė: medžiagų kontrolė, storio matavimas, šaltiniai defektų aptikimui.

Sauga ir apsauga nuo spinduliuotės

Radiacinė apsauga remiasi trimis pagrindiniais principais: laikas (mažinti buvimo laiką šalia šaltinio), atstumas (didinti atstumą nuo šaltinio) ir uždengimas (tinkamas šarvas — svoris priklauso nuo spinduliuotės rūšies). Skaidrumo kontrolei naudojami dozimetrai, Geigerio–Müllerio skaitikliai ir kiti prietaisai. Pavojus kyla ne tik nuo aukštos dozės, bet ir nuo užteršimo — radionuklidų patekimo į organizmą (įkvėpus, prarijus ar per žaizdas).

Natūralūs ir dirbtiniai šaltiniai

Radioaktyvumas yra gamtos reiškinys — Žemėje yra natūralių radioaktyvių izotopų (pvz., uranas, toris, radonas, anglis-14). Taip pat radioaktyvūs izotopai gali būti sukuriami dirbtiniais būdais dalelių greitintuvuose arba reaktoriuose (pvz., technetas-99m medicinoje).

Apibendrinant: radioaktyvusis skilimas — tai branduolio lygmenyje vykstantis procesas, kurio supratimas leidžia taikyti jį medicinoje, pramonėje ir moksle, bet kartu reikalauja atsargumo bei geros apsaugos praktikos.

Drebulės simbolis naudojamas radioaktyviosioms medžiagoms žymėti.

Pavyzdys

Daugumos anglies atomų branduolyje yra šeši protonai ir šeši neutronai. Tokia anglis vadinama anglis-12s (šeši protonai + šeši neutronai = 12). Jos atominė masė yra 12. Jei anglies atomas turi dviem neutronais daugiau, jis yra anglis-14. Anglis-14 chemiškai veikia kaip ir kitos anglies, nes šeši protonai ir šeši elektronai lemia jos chemines savybes. Iš tikrųjų anglies-14 yra visose gyvose būtybėse; anglies-14 yra visuose augaluose ir gyvūnuose. Tačiau anglis-14 yra radioaktyvi. Ji skyla beta skilimo būdu ir tampa azotu-14. Anglis-14, kurios nedideli kiekiai aptinkami gamtoje, yra nekenksminga. Archeologijoje šios rūšies anglis naudojama medienos ir kitų anksčiau gyvų daiktų amžiui nustatyti. Šis metodas vadinamas radiokarboniniu datavimu.

Įvairios skilimo rūšys

Ernestas Rutherfordas nustatė, kad šios dalelės į materiją skverbiasi įvairiais būdais. Jis nustatė du skirtingus skilimo būdus, kuriuos pavadino alfa skilimu ir beta skilimu. 1900 m. Paulas Villardas atrado trečią rūšį. 1903 m. Rutherfordas ją pavadino gama skilimu.

Radioaktyvioji anglis-14 virsta stabiliuoju azotu-14, tai yra radioaktyvusis skilimas. Jis įvyksta, kai atomas išspinduliuoja alfa dalelę. Alfa dalelė - tai energijos impulsas, kai elektronas arba pozitronas palieka branduolį.

Vėliau buvo aptikta ir kitų puvimo rūšių. Skilimo rūšys skiriasi viena nuo kitos, nes skirtingų rūšių skilimo metu susidaro skirtingų rūšių dalelės. Pradinis radioaktyvusis branduolys vadinamas pradiniu branduoliu, o branduolys, į kurį jis virsta, vadinamas dukteriniu branduoliu. Didelės energijos dalelės, kurias išskiria radioaktyviosios medžiagos, vadinamos radiacija.

Šie įvairūs irimo procesai gali vykti nuosekliai, sudarydami "irimo grandinę". Vienos rūšies branduoliai skyla į kitos rūšies branduolius, kurie vėl skyla į kitos rūšies branduolius ir taip toliau, kol tampa stabiliais izotopais ir grandinė baigiasi.

Skilimo greitis

Kiekvienas elementas keičiasi skirtingu greičiu. Radioaktyvųjį skilimą lemia atsitiktinumas: Laikas, per kurį vidutiniškai pasikeičia pusė medžiagos atomų, vadinamas pusėjimo trukme. Greitį nusako eksponentinė funkcija. Pavyzdžiui, jodo (¹³¹ I) pusėjimo trukmė yra maždaug 8 dienos. Plutonio pusamžis svyruoja nuo 4 valandų (²⁴³ Pu) iki 80 milijonų metų (²⁴⁴ Pu).

Branduoliniai virsmai ir energija

Radioaktyviojo skilimo metu atomas iš atomo, kurio branduolyje yra didesnė energija, virsta atomu, kurio energija yra mažesnė. Branduolio energijos pokytis suteikiamas susidariusioms dalelėms. Radioaktyviojo skilimo metu išsiskyrusi energija gali būti pernešama gama spindulių elektromagnetine spinduliuote (šviesos rūšis), beta dalelėmis arba alfa dalelėmis. Visais šiais atvejais pernešama pasikeitusi branduolio energija. Ir visais tais atvejais bendras atomo protonų ir elektronų teigiamų ir neigiamų krūvių skaičius prieš pokytį ir po jo yra lygus nuliui.

Alfa skilimas

Alfa skilimo metu atomo branduolys išskiria alfa dalelę. Alfa skilimo metu branduolys netenka dviejų protonų ir dviejų neutronų. Dėl alfa skilimo atomas virsta kitu elementu, nes praranda du protonus (ir du elektronus). Pavyzdžiui, jei americiui įvyktų alfa skilimas, jis virstų neptūnu, nes neptūnas turi dviem protonais mažiau nei americius. Alfa skilimas paprastai vyksta sunkiausiuose elementuose, pavyzdžiui, urane, torijuje, plutonyje ir radijuje.

Alfa dalelės negali prasiskverbti net pro kelis centimetrus oro. Alfa spinduliuotė negali pakenkti žmogui, kai alfa spinduliuotės šaltinis yra už žmogaus kūno ribų, nes žmogaus oda nepraleidžia alfa dalelių. Alfa spinduliuotė gali būti labai kenksminga, jei jos šaltinis yra organizmo viduje, pavyzdžiui, kai žmonės kvėpuoja dulkėmis ar dujomis, kuriose yra medžiagų, kurios skyla skleisdamos alfa daleles (spinduliuotę).

Beta skilimas

Yra dvi beta skilimo rūšys: beta plius ir beta minus.

Beta-minus skilimo metu branduolys atiduoda neigiamą krūvį turintį elektroną, o neutronas virsta protonu:

n 0 → p + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}} $n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$ .

kur

n 0 {\displaystyle n^{0}} $n^{0}$ yra neutronas

p + {\displaystyle \ p^{+}} $\ p^{+}$ yra protonas

e - {\displaystyle e^{-}} $e^{-}$ yra elektronas

ν Ž e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} ${\bar {\nu }}_{e}$ yra antineutrinas

Beta-minus skilimas vyksta branduoliniuose reaktoriuose.

Beta plius skilimo metu branduolys išskiria pozitroną, kuris yra panašus į elektroną, bet turi teigiamą krūvį, o protonas virsta neutronu:

p + → n 0 + e + + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}}} $\ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}$ .

kur

p + {\displaystyle \ p^{+}} $\ p^{+}$ yra protonas

n 0 {\displaystyle n^{0}} $n^{0}$ yra neutronas

e + {\displaystyle e^{+}} $e^{+}$ yra pozitronas

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} ${\nu }_{e}$ yra neutrinas

Beta plius skilimas vyksta Saulėje ir kai kurių tipų dalelių greitintuvuose.

Gama skilimas

Gama skilimas vyksta, kai branduolys išskiria didelės energijos paketą, vadinamą gama spinduliuote. Gama spinduliai neturi elektrinio krūvio, bet turi kampinį momentą. Gama spinduliai paprastai išspinduliuojami iš branduolių iškart po kitų skilimo tipų. Gama spinduliai gali būti naudojami medžiagoms įžiūrėti, bakterijoms maiste naikinti, kai kurioms ligoms nustatyti ir kai kurioms vėžio rūšims gydyti. Gama spindulių energija yra didžiausia iš visų elektromagnetinių bangų, o iš kosmoso sklindantys gama spindulių pliūpsniai yra energingiausias žinomas energijos išsiskyrimas.