Radioaktivt avfall

Alfasönderfall av en kärna avger en alfapartikel av två neutroner och två protoner; även känd som en heliumkärna .

Radioaktivt sönderfall (även känt som kärnsönderfall , radioaktivitet , radioaktivt sönderfall eller nukleärt sönderfall ) är processen genom vilken en instabil atomkärna förlorar energi genom strålning . Ett material som innehåller instabila kärnor anses vara radioaktivt . Tre av de vanligaste typerna av sönderfall är alfa-sönderfall ( α-sönderfall ), beta-sönderfall ( β-sönderfall ) och gamma-sönderfall ( γ-sönderfall ), som alla involverar utsändning av en eller flera partiklar . Den svaga kraften är den mekanism som är ansvarig för beta-sönderfall, medan de andra två styrs av elektromagnetism och kärnkraft . En fjärde typ av vanlig sönderfall är elektroninfångning , där en instabil kärna fångar en inre elektron från ett av elektronskalen . Förlusten av den elektronen från skalet resulterar i att en kaskad av elektroner faller ner till det nedre skalet, vilket resulterar i emission av diskreta röntgenstrålar från övergångarna. Ett vanligt exempel är jod-125 som ofta används i medicinska miljöer.

Radioaktivt sönderfall är en stokastisk (dvs. slumpmässig) process på nivån av enskilda atomer. Enligt kvantteorin är det omöjligt att förutsäga när en viss atom kommer att sönderfalla, oavsett hur länge atomen har funnits. Men för ett betydande antal identiska atomer kan den totala sönderfallshastigheten uttryckas som en sönderfallskonstant eller som halveringstid . Halveringstiderna för radioaktiva atomer har en enorm räckvidd; från nästan ögonblicklig till mycket längre än universums ålder .

Den sönderfallande kärnan kallas förälderradionukliden . (eller förälderradioisotopen ) , och processen producerar åtminstone en dotternuklid Förutom gammasönderfall eller intern omvandling från ett nukleärt exciterat tillstånd , är sönderfallet en nukleär transmutation som resulterar i att en dotter innehåller ett annat antal protoner eller neutroner (eller båda). När antalet protoner ändras skapas en atom av ett annat kemiskt element .

Alfasönderfall uppstår när kärnan skjuter ut en alfapartikel (heliumkärna).
Beta-sönderfall sker på två sätt;
1. beta-minus sönderfall, när kärnan avger en elektron och en antineutrino i en process som förändrar en neutron till en proton.
2. beta-plus-sönderfall, när kärnan avger en positron och en neutrino i en process som ändrar en proton till en neutron, även känd som positronemission .
Vid gammasönderfall sönderfaller först en radioaktiv kärna genom utsläpp av en alfa- eller beta-partikel. Dotterkärnan som resulterar lämnas vanligtvis i ett exciterat tillstånd och den kan sönderfalla till ett lägre energitillstånd genom att sända ut en gammastrålefoton.
I neutronutsläpp förlorar extremt neutronrika kärnor, som bildas på grund av andra typer av förfall eller efter många på varandra följande neutronfångningar , energi genom neutronutsläpp, vilket resulterar i en förändring från en isotop till en annan av samma element.
I elektroninfångning kan kärnan fånga en elektron i kretslopp, vilket får en proton att omvandlas till en neutron. En neutrino och en gammastrålning sänds därefter ut.
I klusterförfall och kärnklyvning emitteras en kärna som är tyngre än en alfapartikel.

Däremot finns det radioaktiva sönderfallsprocesser som inte resulterar i en nukleär transmutation. Energin från en exciterad kärna kan sändas ut som en gammastråle i en process som kallas gammasönderfall , eller den energin kan gå förlorad när kärnan interagerar med en orbitalelektron som orsakar dess utstötning från atomen, i en process som kallas intern omvandling . En annan typ av radioaktivt sönderfall resulterar i produkter som varierar och uppträder som två eller flera "fragment" av den ursprungliga kärnan med en rad möjliga massor. Detta sönderfall, som kallas spontan fission , inträffar när en stor instabil kärna spontant splittras i två (eller ibland tre) mindre dotterkärnor, och leder i allmänhet till utsläpp av gammastrålar, neutroner eller andra partiklar från dessa produkter. Däremot kan sönderfallsprodukter från en kärna med spinn distribueras icke-isotropiskt med avseende på den spinnriktningen. Antingen på grund av en yttre påverkan såsom ett elektromagnetiskt fält , eller på grund av att kärnan producerades i en dynamisk process som begränsade riktningen för dess spin, kan anisotropin vara detekterbar. En sådan föräldraprocess kan vara ett tidigare sönderfall eller en kärnreaktion .

För en sammanfattande tabell som visar antalet stabila och radioaktiva nuklider, se radionuklid . Det finns 28 naturligt förekommande kemiska grundämnen på jorden som är radioaktiva, bestående av 34 radionuklider (6 grundämnen har 2 olika radionuklider) som daterar sig före tidpunkten för bildandet av solsystemet . Dessa 34 är kända som primordiala nuklider . Välkända exempel är uran och torium , men även naturligt förekommande långlivade radioisotoper, såsom kalium-40, ingår .

Ytterligare ett 50-tal kortlivade radionuklider som finns på jorden, såsom radium-226 och radon-222 , är produkter av sönderfallskedjor som började med urnukliderna, eller är produkten av pågående kosmogena processer, såsom produktion av kol- 14 från kväve-14 i atmosfären av kosmiska strålar . Radionuklider kan också produceras artificiellt i partikelacceleratorer eller kärnreaktorer , vilket resulterar i 650 av dessa med halveringstider på över en timme, och flera tusen fler med ännu kortare halveringstider. (Se Lista över nuklider för en lista över dessa sorterade efter halveringstid.)

Upptäcktshistoria

Pierre och Marie Curie i deras laboratorium i Paris, före 1907

Radioaktivitet upptäcktes 1896 av forskarna Henri Becquerel och Marie Curie , medan de arbetade med fosforescerande material. Dessa material lyser i mörker efter exponering för ljus, och han misstänkte att den glöd som produceras i katodstrålerör av röntgenstrålar kan vara associerad med fosforescens. Becquerel slog in en fotografisk platta i svart papper och placerade olika fosforescerande salter på den. Alla resultat var negativa tills han använde uransalter . Uransalterna orsakade en svärtning av plattan trots att plattan var inslagen i svart papper. Dessa strålningar fick namnet "Becquerel Rays".

Det stod snart klart att svärtningen av plattan inte hade något med fosforescens att göra, eftersom svärtningen även åstadkoms av icke-fosforescerande salter av uran och av metalliskt uran. Det blev tydligt från dessa experiment att det fanns en form av osynlig strålning som kunde passera genom papper och fick plattan att reagera som om den exponerades för ljus.

Till en början verkade det som om den nya strålningen liknade den då nyligen upptäckta röntgenstrålningen. Ytterligare forskning av Becquerel, Ernest Rutherford , Paul Villard , Pierre Curie , Marie Curie och andra visade att denna form av radioaktivitet var betydligt mer komplicerad. Rutherford var den första som insåg att alla sådana element sönderfaller i enlighet med samma matematiska exponentialformel. Rutherford och hans elev Frederick Soddy var de första som insåg att många förfallsprocesser resulterade i omvandlingen av ett element till ett annat. Därefter formulerades den radioaktiva förskjutningslagen för Fajans och Soddy för att beskriva produkterna av alfa- och beta-förfall .

De tidiga forskarna upptäckte också att många andra kemiska grundämnen , förutom uran, har radioaktiva isotoper . En systematisk sökning efter den totala radioaktiviteten i uranmalmer ledde också Pierre och Marie Curie att isolera två nya grundämnen: polonium och radium . Förutom radioaktiviteten hos radium gjorde den kemiska likheten mellan radium och barium dessa två grundämnen svåra att särskilja.

Marie och Pierre Curies studie av radioaktivitet är en viktig faktor inom vetenskap och medicin. Efter att deras forskning om Becquerels strålar ledde dem till upptäckten av både radium och polonium, myntade de termen "radioaktivitet" för att definiera emissionen av joniserande strålning från några tunga grundämnen. (Senare generaliserades termen till alla element.) Deras forskning om penetrerande strålar i uran och upptäckten av radium startade en era med användning av radium för behandling av cancer. Deras utforskning av radium kunde ses som den första fredliga användningen av kärnenergi och starten på modern nuklearmedicin .

Tidiga hälsofaror

Tar en röntgenbild med tidig Crookes- rörapparat 1896. Crookes-röret är synligt i mitten. Den stående mannen tittar på sin hand med en fluoroskopskärm ; detta var ett vanligt sätt att sätta upp röret. Inga försiktighetsåtgärder mot strålningsexponering vidtas; dess faror var inte kända vid den tiden.

Farorna med joniserande strålning på grund av radioaktivitet och röntgenstrålar upptäcktes inte omedelbart.

Röntgenstrålar

Upptäckten av röntgenstrålar av Wilhelm Röntgen 1895 ledde till omfattande experimenterande av forskare, läkare och uppfinnare. Många människor började berätta historier om brännskador, håravfall och värre i tekniska tidskrifter redan 1896. I februari samma år utförde professor Daniel och Dr. Dudley vid Vanderbilt University ett experiment som involverade röntgenbilder av Dudleys huvud som resulterade i att han tappade hår. . En rapport av Dr. HD Hawks, om hans lidande av svåra hand- och bröstbrännskador i en röntgendemonstration, var den första av många andra rapporter i Electrical Review .

Andra försöksledare, inklusive Elihu Thomson och Nikola Tesla , rapporterade också brännskador. Thomson exponerade medvetet ett finger för ett röntgenrör under en tid och fick smärta, svullnad och blåsor. Andra effekter, inklusive ultravioletta strålar och ozon, fick ibland skulden för skadan, och många läkare hävdade fortfarande att det inte fanns några effekter av röntgenexponering alls.

Trots detta förekom en del tidiga systematiska faroundersökningar och redan 1902 skrev William Herbert Rollins nästan förtvivlat att hans varningar om farorna med vårdslös användning av röntgenstrålar inte togs hänsyn, varken av industrin eller av hans kollegor. Vid det här laget hade Rollins bevisat att röntgenstrålar kunde döda försöksdjur, kunde få ett gravid marsvin att abortera och att de kunde döda ett foster. Han betonade också att "djur varierar i känslighet för den yttre verkan av röntgenljus" och varnade för att dessa skillnader beaktas när patienter behandlas med hjälp av röntgenstrålar. ^{[ citat behövs ]}

Radioaktiva ämnen

Radioaktivitet är karakteristisk för grundämnen med stort atomnummer. Element med minst en stabil isotop visas i ljusblått. Grönt visar element av vilka den mest stabila isotopen har en halveringstid mätt i miljoner år. Gult och orange är successivt mindre stabila, med halveringstider i tusentals eller hundratals år, ner mot en dag. Rött och lila visar mycket och extremt radioaktiva grundämnen där de mest stabila isotoperna uppvisar halveringstider uppmätt i storleksordningen en dag och mycket mindre.

De biologiska effekterna av strålning från radioaktiva ämnen var dock mindre lätta att mäta. Detta gav möjlighet för många läkare och företag att marknadsföra radioaktiva ämnen som patentläkemedel . Exempel var radiumlavemangsbehandlingar och radiuminnehållande vatten som skulle drickas som tonika. Marie Curie protesterade mot denna typ av behandling och varnade att "radium är farligt i otränade händer." Curie dog senare av aplastisk anemi , troligen orsakad av exponering för joniserande strålning. På 1930-talet, efter ett antal fall av bennekros och död för radiumbehandlingsentusiaster, hade radiuminnehållande läkemedel till stor del tagits bort från marknaden ( radioaktivt kvacksalveri) .

Strålskydd

Bara ett år efter Röntgens upptäckt av röntgenstrålar gav den amerikanske ingenjören Wolfram Fuchs (1896) vad som förmodligen är det första skyddsrådet, men det var först 1925 som den första internationella kongressen för radiologi (ICR) hölls och övervägdes att upprätta internationella skyddsstandarder. Effekterna av strålning på gener, inklusive effekten av cancerrisk, upptäcktes mycket senare. År 1927 Hermann Joseph Muller forskning som visade genetiska effekter och 1946 belönades han med Nobelpriset i fysiologi eller medicin för sina upptäckter.

Den andra ICR hölls i Stockholm 1928 och föreslog antagande av röntgenenheten, och Internationella röntgen- och radiumskyddskommittén ( IXRPC) bildades. Rolf Sievert utsågs till ordförande, men en drivande kraft var George Kaye från British National Physical Laboratory . Kommittén sammanträdde 1931, 1934 och 1937.

Efter andra världskriget ledde den ökade räckvidden och mängden radioaktiva ämnen som hanterades till följd av militära och civila kärnkraftsprogram till att stora grupper av yrkesarbetare och allmänheten potentiellt exponerades för skadliga nivåer av joniserande strålning. Detta övervägdes vid den första efterkrigstidens ICR som sammankallades i London 1950, när den nuvarande internationella kommissionen för strålskydd ( ICRP) föddes. Sedan dess har ICRP utvecklat det nuvarande internationella strålskyddssystemet som täcker alla aspekter av strålningsrisker.

År 2020, Hauptmann och andra 15 internationella forskare från åtta nationer, bland vilka: Institutes of Biostatistics, Registry Research, Centers of Cancer Epidemiology, Radiation Epidemiology, och sedan även US National Cancer Institute (NCI), International Agency for Research on Cancer (IARC) ) och Radiation Effects Research Foundation i Hiroshima studerade definitivt genom metaanalys skadorna till följd av de "låga doser" som har drabbat befolkningen av överlevande från atombombningarna av Hiroshima och Nagasaki och även i många olyckor med kärnkraftverk som har inträffat i världen. Dessa forskare rapporterade, i JNCI Monographs: Epidemiological Studies of Low Dose Ionizing Radiation and Cancer Risk, att de nya epidemiologiska studierna direkt stöder överdrivna cancerrisker från joniserande strålning i låg dos. År 2021 rapporterade den italienska forskaren Venturi de första sambanden mellan radiocesium och pankreascancer med cesiums roll i biologi och vid pankreatit och vid diabetes av pankreatiskt ursprung.

Enheter

Grafik som visar samband mellan radioaktivitet och detekterad joniserande strålning

Det internationella enhetssystemet (SI) enheten för radioaktiv aktivitet är becquerel (Bq), uppkallad efter vetenskapsmannen Henri Becquerel . En Bq definieras som en transformation (eller sönderfall eller sönderfall) per sekund.

En äldre enhet för radioaktivitet är curien , Ci, som ursprungligen definierades som "mängden eller massan av radiumemanation i jämvikt med ett gram radium (grundämne)". Idag definieras curie som 3,7 × 10 ¹⁰ sönderfall per sekund, så att 1 curie (Ci) = 3,7 × 10 ¹⁰ Bq . För strålskyddsändamål, även om United States Nuclear Regulatory Commission tillåter användningen av enheten curie vid sidan av SI-enheter, krävde EU:s europeiska måttenhetsdirektiv att dess användning för "folkhälsoändamål" skulle fasas ut senast den 31 december 1985.

Effekterna av joniserande strålning mäts ofta i enheter av grått för mekanisk eller sievert för skada på vävnad.

Typer

Alfa-partiklar kan stoppas helt av ett pappersark, beta-partiklar av aluminiumskärmning. Gammastrålar kan bara reduceras med mycket större massa, till exempel ett mycket tjockt lager av bly .

¹³⁷ Cs-sönderfallsschema som visar halveringstider, dotternuklider och typer och andel av strålning som emitteras

Tidiga forskare fann att ett elektriskt eller magnetiskt fält kunde dela upp radioaktiva utsläpp i tre typer av strålar. Strålarna fick namnen alfa , beta och gamma , i ökande ordning efter deras förmåga att penetrera materia. Alfasönderfall observeras endast i tyngre grundämnen med atomnummer 52 ( tellur ) och högre, med undantag för beryllium-8 (som sönderfaller till två alfapartiklar). De andra två typerna av förfall observeras i alla elementen. Bly, atomnummer 82, är det tyngsta grundämnet som har några isotoper stabila (till gränsen för mätning) mot radioaktivt sönderfall. Radioaktivt sönderfall ses i alla isotoper av alla element med atomnummer 83 ( vismut ) eller högre. Vismut-209 är dock endast mycket lite radioaktivt, med en halveringstid som är större än universums ålder; radioisotoper med extremt långa halveringstider anses vara effektivt stabila för praktiska ändamål.

Övergångsdiagram för sönderfallslägen för en radionuklid , med neutronnummer N och atomnummer Z (visas är α , β ^± , p ⁺ och n ⁰ emissioner, EC betecknar elektroninfångning ).

Typer av radioaktivt sönderfall relaterade till neutron- och protonantal

Vid analys av sönderfallsprodukternas natur var det uppenbart från riktningen av de elektromagnetiska krafter som applicerades på strålningen av externa magnetiska och elektriska fält att alfapartiklar bar en positiv laddning, beta-partiklar bar en negativ laddning och gammastrålar var neutrala. Från avböjningens storlek var det tydligt att alfapartiklar var mycket mer massiva än beta-partiklar . Att passera alfapartiklar genom ett mycket tunt glasfönster och fånga dem i ett urladdningsrör gjorde det möjligt för forskare att studera emissionsspektrumet för de fångade partiklarna, och till slut bevisade att alfapartiklar är heliumkärnor . Andra experiment visade att betastrålning, som härrör från sönderfall och katodstrålar , var höghastighetselektroner . Likaså visade sig gammastrålning och röntgenstrålning vara högenergisk elektromagnetisk strålning .

Sambandet mellan sönderfallstyperna började också undersökas: Till exempel visade sig gammasönderfall nästan alltid vara associerat med andra typer av sönderfall, och inträffade ungefär samtidigt, eller efteråt. Gammasönderfall som ett separat fenomen, med sin egen halveringstid (nu kallad isomerövergång ), visade sig i naturlig radioaktivitet vara ett resultat av gammasönderfallet av exciterade metastabila nukleära isomerer , som i sin tur skapades från andra typer av sönderfall.

Även om alfa-, beta- och gammastrålning var vanligast upptäcktes andra typer av utsläpp så småningom. Strax efter upptäckten av positronen i kosmiska strålprodukter insåg man att samma process som fungerar i klassiskt beta-sönderfall också kan producera positroner ( positronemission ), tillsammans med neutriner (klassiskt beta-sönderfall producerar antineutriner). I en mer vanlig analog process, kallad elektroninfångning , visade sig vissa protonrika nuklider fånga sina egna atomelektroner istället för att sända ut positroner, och därefter avger dessa nuklider endast en neutrino och en gammastråle från den exciterade kärnan (och ofta också Augerelektroner och karakteristiska röntgenstrålar , som ett resultat av omordningen av elektroner för att fylla platsen för den saknade fångade elektronen). Dessa typer av sönderfall involverar kärnfångst av elektroner eller emission av elektroner eller positroner, och verkar således för att flytta en kärna mot förhållandet mellan neutroner och protoner som har minst energi för ett givet totalt antal nukleoner . Detta ger följaktligen en mer stabil (lägre energi) kärna.

En hypotetisk process för positroninfångning, analog med elektroninfångning, är teoretiskt möjlig i antimateriaatomer, men har inte observerats, eftersom komplexa antimateriaatomer bortom antihelium inte är experimentellt tillgängliga. Ett sådant sönderfall skulle kräva antimateriaatomer som är minst lika komplexa som beryllium-7 , som är den lättaste kända isotopen av normal materia som genomgår sönderfall genom elektroninfångning.

Strax efter upptäckten av neutronen 1932 insåg Enrico Fermi att vissa sällsynta beta-sönderfallsreaktioner omedelbart ger neutroner som en ytterligare sönderfallspartikel, så kallad beta-fördröjd neutronemission . Neutronemission sker vanligtvis från kärnor som är i ett exciterat tillstånd, såsom den exciterade ¹⁷ O* som produceras från beta-sönderfallet av ¹⁷ N. Själva neutronemissionsprocessen styrs av kärnkraften och är därför extremt snabb, ibland kallad som "nästan omedelbar". Isolerad protonemission observerades så småningom i vissa element. Man fann också att vissa tunga grundämnen kan genomgå spontan klyvning till produkter som varierar i sammansättning. I ett fenomen som kallas klusterförfall , visade sig specifika kombinationer av neutroner och protoner andra än alfapartiklar (heliumkärnor) spontant emitteras från atomer.

Andra typer av radioaktivt sönderfall visade sig sända ut tidigare sett partiklar men via andra mekanismer. Ett exempel är intern omvandling , vilket resulterar i en initial elektronemission, och sedan ofta ytterligare karakteristiska röntgenstrålar och Auger-elektronemissioner , även om den interna omvandlingsprocessen varken involverar beta- eller gammasönderfall. En neutrino sänds inte ut och ingen av de elektroner och fotoner som emitteras har sitt ursprung i kärnan, även om energin för att sända ut dem alla har sitt ursprung där. Intern omvandlingssönderfall, som isomerisk övergångsgammasönderfall och neutronemission, involverar frigöring av energi av en exciterad nuklid, utan omvandling av ett element till ett annat.

Sällsynta händelser som involverar en kombination av två händelser av beta-decay-typ som inträffar samtidigt är kända (se nedan). Varje sönderfallsprocess som inte bryter mot bevarandet av energi eller momentumlagar (och kanske andra lagar för bevarande av partiklar) tillåts ske, även om inte alla har upptäckts. Ett intressant exempel som diskuteras i ett sista avsnitt är bundet tillstånd beta-sönderfall av rhenium-187 . I denna process åtföljs inte beta-elektronnedbrytningen av modernukliden av beta-elektronemission, eftersom beta-partikeln har fångats in i K-skalet av den emitterande atomen. En antineutrino avges, som vid alla negativa beta-sönderfall.

Radionuklider kan genomgå en rad olika reaktioner. Dessa sammanfattas i följande tabell. En kärna med massnummer A och atomnummer Z representeras som ( A , Z ). Kolumnen "Dotterkärna" anger skillnaden mellan den nya kärnan och den ursprungliga kärnan. Således betyder ( A − 1, Z ) att masstalet är en mindre än tidigare, men atomnumret är detsamma som tidigare.

Om energiförhållandena är gynnsamma kan en given radionuklid genomgå många konkurrerande typer av sönderfall, med vissa atomer som sönderfaller på en väg och andra sönderfaller på en annan. Ett exempel är koppar-64 , som har 29 protoner, och 35 neutroner, som sönderfaller med en halveringstid på 12,7004(13) timmar. Denna isotop har en oparad proton och en oparad neutron, så antingen protonen eller neutronen kan sönderfalla till den andra partikeln, som har motsatt isospin . Denna speciella nuklid (även om inte alla nuklider i denna situation) är mer sannolikt att sönderfalla genom beta plus sönderfall ( 61,52(26) %) än genom elektroninfångning ( 38,48(26) %). De exciterade energitillstånden som är ett resultat av dessa sönderfall som inte slutar i ett markenergitillstånd, producerar också senare intern omvandling och gammasönderfall i nästan 0,5 % av tiden.

Vanligare i tunga nuklider är konkurrens mellan alfa- och beta-sönderfall. Dotternukliderna kommer då normalt att sönderfalla genom beta respektive alfa för att hamna på samma plats.

Radioaktivt sönderfall resulterar i en minskning av den summerade vilomassan, när den frigjorda energin ( sönderfallsenergin ) har släppt på något sätt. Även om sönderfallsenergi ibland definieras som associerad med skillnaden mellan massan av modernuklidprodukterna och massan av sönderfallsprodukterna, gäller detta endast för mätningar av vilomassa, där en del energi har tagits bort från produktsystemet. Detta är sant eftersom sönderfallsenergin alltid måste bära massa med sig, var den än uppträder (se massa i speciell relativitet ) enligt formeln E = mc ² . Sönderfallsenergin frigörs initialt som energin från emitterade fotoner plus kinetisk energi för massiva emitterade partiklar (det vill säga partiklar som har vilomassa). Om dessa partiklar kommer till termisk jämvikt med sin omgivning och fotoner absorberas, så omvandlas sönderfallsenergin till termisk energi, som behåller sin massa.

Sönderfallsenergi förblir därför associerad med ett visst mått på sönderfallssystemets massa, kallad invariant massa , som inte förändras under sönderfallet, även om sönderfallsenergin är fördelad mellan sönderfallspartiklar. Fotonernas energi, den kinetiska energin hos emitterade partiklar och, senare, den omgivande materiens termiska energi, bidrar alla till systemets oföränderliga massa . Sålunda, medan summan av vilomassorna av partiklarna inte bevaras i radioaktivt sönderfall, bevaras systemmassan och systemets invarianta massa (och även systemets totala energi) under alla sönderfallsprocesser. Detta är en omformulering av motsvarande lagar för bevarande av energi och bevarande av massa .

Lista över förfallslägen

Förfallslägen i NUBASE2020
Läge	namn	Handling	Kärnförändringar
α	alfa-emission	En alfapartikel ( A = 4, Z = 2) som emitteras från kärnan	( A − 4, Z − 2)
sid	protonemission	En proton som kastas ut från kärnan	( A − 1, Z − 1)
2p	2-protonemission	Två protoner stöts ut från kärnan samtidigt	( A − 2, Z − 2)
n	neutronemission	En neutron som kastas ut från kärnan	( A − 1, Z )
2n	2-neutronemission	Två neutroner skjuts ut från kärnan samtidigt	( A − 2, Z )
ε	elektroninfångning	En kärna fångar en kretsande elektron och avger en neutrino; dotterkärnan lämnas i ett exciterat instabilt tillstånd	( A , Z − 1)
e+	positronemission	En kärnproton omvandlas till en neutron genom att sända ut en positron och en elektronneutrino	( A , Z − 1)
β ⁺ e + e ⁺	positronemission	I NUBASE2020 hänvisar ß ⁺ till den kombinerade hastigheten för elektroninfångning (ε) och positronemission (e ⁺ ): ß ⁺ = ε + e ⁺	( A , Z − 1)
β ⁻	β ⁻ sönderfall	En kärna avger en elektron och en elektron antineutrino	( A , Z + 1)
β ⁻ β ⁻ 2β ^-	dubbelt β-sönderfall	En kärna avger två elektroner och två antineutriner	( A , Z + 2)
β ⁺ β ⁺ 2β ⁺	dubbelt β-sönderfall	En kärna avger två positroner och två neutriner	( A , Z − 2)
β ⁻ n	β ⁻ -fördröjd neutronemission	En kärna sönderfaller genom β ⁻ emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger en neutron	( A − 1, Z + 1)
β ⁻ 2n	β ⁻ -fördröjd 2-neutronemission	En kärna sönderfaller genom β ⁻ emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger två neutroner	( A − 2, Z + 1)
β ⁻ 3n	β ⁻ -fördröjd 3-neutronemission	En kärna sönderfaller genom β ⁻ emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger tre neutroner	( A − 3, Z + 1)
β ⁺ p	β ⁺ -fördröjd protonemission	En kärna sönderfaller genom β ⁺ -emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger en proton	( A − 1, Z − 2)
β ⁺ 2p	β ⁺ -fördröjd 2-protonemission	En kärna sönderfaller genom β ⁺ -emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger två protoner	( A − 2, Z − 3)
β ⁺ 3p	β ⁺ -fördröjd 3-protonemission	En kärna sönderfaller genom β ⁺ -emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger tre protoner	( A − 3, Z − 4)
β ⁻ α	β ⁻ -fördröjd alfaemission	En kärna sönderfaller genom β ⁻ emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger en α partikel	( A − 4, Z − 1)
β ⁺ α	β ⁺ -fördröjd alfaemission	En kärna sönderfaller genom β ⁺ -emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger en partikel	( A − 4, Z − 3)
β ⁻ d	β ⁻ -fördröjd deuteronemission	En kärna sönderfaller genom β ⁻ emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger en deuteron	( A − 2, Z )
β ⁻ t	β ⁻ -fördröjd tritonemission	En kärna sönderfaller genom β ⁻ emission till ett exciterat tillstånd, som sedan avger en triton	( A − 3, Z )
CD 24Ne	klusterförfall	En kärna avger en specifik typ av mindre kärna ( A ₁ , Z ₁ ) som är större än en alfapartikel	( A − A ₁ , Z − Z ₁ ) & ( A ₁ , Z ₁ )
DEN	intern (isomer) övergång	En kärna i ett metastabilt tillstånd faller till ett lägre energitillstånd genom att sända ut en foton eller skjuta ut en elektron	( A , Z )
SF	spontan fission	En kärna sönderdelas till två eller flera mindre kärnor och andra partiklar, som alla kan variera med varje sönderfall	variabel
p ⁺ SF	β ⁺ -fördröjd fission	En kärna sönderfaller genom β ⁺ -emission till ett exciterat tillstånd, som sedan genomgår spontan fission	β+ & variabel
β ⁻ SF	β ⁻ -fördröjd fission	En kärna sönderfaller genom β ⁻ emission till ett exciterat tillstånd, som sedan genomgår spontan fission	β ⁻ & variabel

Priser

Nedbrytningshastigheten , eller aktiviteten , av ett radioaktivt ämne kännetecknas av följande tidsoberoende parametrar :

Halveringstiden , $t 1/2$ , är den tid det tar för aktiviteten av en given mängd av ett radioaktivt ämne att sönderfalla till hälften av dess initiala värde .
Avklingningskonstanten , $λ$ " lambda ", den reciproka av medellivslängden (i $s -1 )$ , ibland kallad förfallshastighet .
Medellivslängden , $τ$ " tau " , medellivslängden (1/ e liv) för en radioaktiv partikel före sönderfallet.

Även om dessa är konstanter, är de associerade med det statistiska beteendet hos populationer av atomer. Följaktligen är förutsägelser som använder dessa konstanter mindre exakta för små prover av atomer.

I princip kan en halveringstid, en tredje tid, eller till och med en (1/√2)-tid, användas på exakt samma sätt som halveringstid; men medellivslängden och halveringstiden $t 1/2$ har antagits som standardtider förknippade med exponentiellt förfall.

Dessa parametrar kan relateras till följande tidsberoende parametrar:

Total aktivitet , $A$ , är antalet sönderfall per tidsenhet för ett radioaktivt prov.
Antal partiklar , $N$ , är det totala antalet partiklar i provet.
Specifik aktivitet , $a$ , är antalet sönderfall per tidsenhet per mängd ämne i provet vid tidpunkten inställd på noll ( $t = 0$ ). "Mängd substans" kan vara massan, volymen eller molerna av det initiala provet.

Dessa är relaterade enligt följande:

{\begin{aligned}t_{1/2}&={\frac {\ln(2)}{\lambda }}=\tau \ln(2)\\[2pt] A&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}=\lambda N\\[2pt]S_{A}a_{0}&=-{\frac {\mathrm { d} N}{\mathrm {d} t}}{\bigg |}_{t=0}=\lambda N_{0}\end{aligned}}

₀ där N är den initiala mängden aktiv substans — substans som har samma andel instabila partiklar som när substansen bildades.

Matematik

Universell lag

Matematiken för radioaktivt sönderfall beror på ett centralt antagande att en kärna av en radionuklid inte har något "minne" eller något sätt att översätta sin historia till sitt nuvarande beteende. En kärna "åldras" inte med tidens gång. Sannolikheten för att den bryts ner ökar alltså inte med tiden utan förblir konstant, oavsett hur länge kärnan har funnits. Denna konstanta sannolikhet kan skilja sig mycket mellan en typ av kärna och en annan, vilket leder till de många olika observerade sönderfallshastigheterna. Men oavsett sannolikheten förändras den inte över tiden. Detta står i markant kontrast till komplexa föremål som visar åldrande, såsom bilar och människor. Dessa åldrande system har en risk för sammanbrott per tidsenhet som ökar från det ögonblick de börjar sin existens.

Aggregerade processer, som det radioaktiva sönderfallet av en klump av atomer, för vilka sannolikheten för enstaka händelser att förverkligas är mycket liten men där antalet tidsskivor är så stort att det ändå finns en rimlig takt av händelser, modelleras av Poisson -fördelningen , som är diskret. Radioaktivt sönderfall och kärnpartikelreaktioner är två exempel på sådana aggregatprocesser. Matematiken för Poisson-processer reduceras till lagen om exponentiellt förfall , som beskriver det statistiska beteendet hos ett stort antal kärnor, snarare än en enskild kärna. I följande formalism är antalet kärnor eller kärnpopulationen N naturligtvis en diskret variabel (ett naturligt tal ) - men för alla fysiska prov är N så stort att det kan behandlas som en kontinuerlig variabel. Differentialkalkyl används för att modellera beteendet hos kärnkraftsförfall.

En-förfallande process

Betrakta fallet med en nuklid $A$ som sönderfaller till en annan $B$ genom någon process $A \to B$ (emission av andra partiklar, som elektronneutriner
ν
_e och elektroner e ⁻ som i beta-sönderfall , är irrelevanta i det följande). Förfallet av en instabil kärna är helt slumpmässigt i tiden så det är omöjligt att förutsäga när en viss atom kommer att sönderfalla. Det är dock lika troligt att det förfaller när som helst. Därför, givet ett prov av en viss radioisotop, är antalet sönderfallshändelser $-d N$ som förväntas inträffa under ett litet tidsintervall $d t$ proportionell mot antalet närvarande atomer $N$ , dvs.

-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\propto N

Särskilda radionuklider sönderfaller i olika hastigheter, så var och en har sin egen sönderfallskonstant $λ$ . Det förväntade sönderfallet $-d N / N$ är proportionellt mot en ökning av tiden, $d t$ :

$-{\frac {\mathrm {d} N}{N}}=\lambda \mathrm {d} t$

Det negativa tecknet indikerar att $N$ minskar med tiden, eftersom sönderfallshändelserna följer efter varandra. Lösningen på denna första ordningens differentialekvation är funktionen :

N(t)=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}

där $N 0$ är värdet på $N$ vid tidpunkten $t$ = 0, med avklingningskonstanten uttryckt som $λ$

Vi har för all tid $t$ :

N_{A}+N_{B}=N_{\text{totalt}}=N_{A0},

där $N totalt$ är det konstanta antalet partiklar under hela sönderfallsprocessen, vilket är lika med det initiala antalet $A$ -nuklider eftersom detta är den ursprungliga substansen.

Om antalet icke sönderfallna $A-$ kärnor är:

N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}

då är antalet kärnor i $B$ (dvs antalet sönderfallna $A-$ kärnor).

N_{B}=N_{A0}-N_{A}=N_{A0}-N_{A0}e^{-\lambda t}=N_{A0}\left(1-e^{-\ lambda t}\höger).

Antalet sönderfall som observerats under ett givet intervall följer Poissons statistik . Om det genomsnittliga antalet sönderfall är $⟨ N ⟩ ,$ är sannolikheten för ett givet antal sönderfall $N$

P(N)={\frac {\langle N\rangle ^{N}\exp(-\langle N\rangle )}{N!}}.

Kedjeförfallsprocesser

Kedja av två sönderfall

Betrakta nu fallet med en kedja av två sönderfall: en nuklid $A$ sönderfaller till en annan $B$ genom en process, sedan $B$ sönderfaller till en annan $C$ genom en andra process, dvs $A \to B \to C$ . Den föregående ekvationen kan inte tillämpas på sönderfallskedjan, men kan generaliseras enligt följande. Eftersom $A$ sönderfaller till $B$ och sedan $B$ sönderfaller till $C$ , adderas aktiviteten av $A$ till det totala antalet $B$ -nuklider i föreliggande prov, innan dessa $B$ - nuklider sönderfaller och minskar antalet nuklider som leder till det senare provet. Med andra ord ökar antalet andra generationens kärnor B $som$ ett resultat av den första generationens kärnsönderfall av $A$ och minskar som ett resultat av dess eget sönderfall till tredje generationens kärnor $C.$ Summan av dessa två termer ger lagen för en sönderfallskedja för två nuklider:

{\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A}.

Förändringshastigheten för $N B$ , det vill säga $dNB / dt , är produceras$ relaterad till förändringarna i mängderna $A$ och $B$ , $N B$ kan öka när $B$ från $A$ och minska när $B$ producerar $C.$

Omskrivning med hjälp av tidigare resultat:

${\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}=-\ lambda _{B}N_{B}+\lambda _{A}N_{A0}e^{-\lambda _{A}t}$

Nedsänkningarna hänvisar helt enkelt till respektive nuklider, dvs $N A$ är antalet nuklider av typ $A$ ; $NA typ 0$ är det initiala antalet nuklider av $A$ ; $λ A$ är sönderfallskonstanten för $A$ – och på liknande sätt för nuklid $B$ . Att lösa denna ekvation för $NB ger$ :

N_{B}={\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B}-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{ A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right).

I fallet där $B$ är en stabil nuklid ( $λ B$ = 0), reduceras denna ekvation till föregående lösning:

\lim _{\lambda _{B}\högerpil 0}\left[{\frac {N_{A0}\lambda _{A}}{\lambda _{B} -\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-e^{-\lambda _{B}t}\right)\right]={\frac {N_{ A0}\lambda _{A}}{0-\lambda _{A}}}\left(e^{-\lambda _{A}t}-1\right)=N_{A0}\left(1- e^{-\lambda _{A}t}\right),

som visas ovan för ett förfall. Lösningen kan hittas genom integrationsfaktormetoden , där den integrerande faktorn är $e λ B t$ . Det här fallet är kanske det mest användbara eftersom det kan härleda både en-avklingningsekvationen (ovan) och ekvationen för flera sönderfallskedjor (nedan) mer direkt.

Kedja av valfritt antal sönderfall

För det allmänna fallet med valfritt antal på varandra följande sönderfall i en sönderfallskedja, dvs $A 1 \to A 2 \cdot\cdot\cdot \to A i \cdot\cdot\cdot \to A D$ , där $D$ är antalet sönderfall och $i$ är ett dummyindex ( $i = 1, 2, 3, ... D$ ), kan varje nuklidpopulation hittas i termer av den tidigare populationen. I detta fall $, N2 = 0$ , $3 N3 = 0$ , ... $N D =$ . Using the above result in a recursive form:

{\frac {\mathrm {d} N_{j}}{\mathrm {d} t}}=-\lambda _{j}N_{j}+\lambda _{j-1}N_{( j-1)0}e^{-\lambda _{j-1}t}.

Den allmänna lösningen på det rekursiva problemet ges av Batemans ekvationer :

"Batemans ekvationer"

${\begin{aligned }N_{D}&={\frac {N_{1}(0)}{\lambda _{D}}}\summa _{i=1}^{D}\lambda _{i}c_{i} e^{-\lambda _{i}t}\\[3pt]c_{i}&=\prod _{j=1,i\neq j}^{D}{\frac {\lambda _{j} }{\lambda _{j}-\lambda _{i}}}\end{aligned}}$

Alternativa lägen

I alla ovanstående exempel sönderfaller den initiala nukliden till bara en produkt. Betrakta fallet med en initial nuklid som kan sönderfalla till någon av två produkter, det vill säga $A \to B$ och $A \to C$ parallellt. Till exempel, i ett prov av kalium-40 , sönderfaller 89,3 % av kärnorna till kalcium-40 och 10,7 % till argon-40 . Vi har för all tid $t$ :

N=N_{A}+N_{B}+N_{C}

vilket är konstant, eftersom det totala antalet nuklider förblir konstant. Differentiera med avseende på tid:

{\begin{aligned}{\frac {\mathrm {d} N_{A}}{\mathrm {d} t}}&=-\left({\frac {\mathrm {d} N_{B}}{\mathrm {d} t}}+{\frac {\mathrm {d} N_{C}}{\mathrm {d} t}}\right)\\-\lambda N_{A}&=-N_{A}\left(\lambda _{B}+\ lambda _{C}\right)\\\end{aligned}}

definiera den totala avklingningskonstanten $λ$ i termer av summan av partiella avklingningskonstanter $λ B$ och $λ C$ :

\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}.

Att lösa denna ekvation för $N A$ :

N_{A}=N_{A0}e^{-\lambda t}.

där $N A 0$ är det initiala antalet nuklid A. När man mäter produktionen av en nuklid kan man bara observera den totala sönderfallskonstanten $λ$ . Avklingningskonstanterna $λ B$ och $λ C$ bestämmer sannolikheten för att sönderfallet resulterar i produkterna $B$ eller $C$ enligt följande:

N_{B}={\frac {\lambda _{B}}{\lambda }}N_{A0}\left(1- e^{-\lambda t}\right),

N_{C}={\frac {\lambda _{C}}{\lambda }}N_{A0}\left(1-e^{-\lambda t}\right).

eftersom fraktionen $λ B / λ$ av kärnorna sönderfaller till $B$ medan fraktionen $λ C / λ$ av kärnorna sönderfaller till $C$ .

Konsekvenser av lagar

Ovanstående ekvationer kan också skrivas med hjälp av kvantiteter relaterade till antalet nuklidpartiklar $N$ i ett prov;

Aktiviteten: $A = λN$ .
Mängden ämne : $n = N / N A.$ _
Massan : $m = Mn = MN / N A$ . _

där $N A$ = 6,022 140 76 × 10 ²³ mol ⁻¹ är Avogadro-konstanten , $M$ är ämnets molmassa i kg/mol och mängden av ämnet $n$ är i mol .

Förfallstidpunkt: definitioner och relationer

Tidskonstant och genomsnittligt liv

För ensönderfallslösningen $A \to B$ :

N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\ tau },\,\!

ekvationen indikerar att avklingningskonstanten $λ$ har enheterna $t -1$ , och kan därmed också representeras som 1/ $τ$ , där $τ$ är en karakteristisk tid för processen som kallas tidskonstanten .

I en radioaktiv sönderfallsprocess är denna tidskonstant också medellivslängden för sönderfallande atomer. Varje atom "lever" en begränsad tid innan den sönderfaller, och det kan visas att denna medellivslängd är det aritmetiska medelvärdet av alla atomernas livstid, och att det är $τ$ , vilket återigen är relaterat till sönderfallskonstanten som följer:

\tau ={\frac {1}{\lambda }}.

Denna form är också sant för processer med två avklingningar samtidigt $A \to B + C$ , genom att infoga ekvivalenta värden för avklingningskonstanter (enligt ovan)

\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}\,

in i sönderfallslösningen leder till:

{\frac {1}{\tau }}=\lambda =\lambda _{B}+\lambda _{C}= {\frac {1}{\tau _{B}}}+{\frac {1}{\tau _{C}}}\,

Simulering av många identiska atomer som genomgår radioaktivt sönderfall, som börjar med antingen 4 atomer (vänster) eller 400 (höger). Siffran överst anger hur många halveringstider som har förflutit.

Halveringstid

En mer vanligt förekommande parameter är halveringstiden $T 1/2$ . Givet ett prov av en viss radionuklid är halveringstiden den tid det tar för halva radionuklidens atomer att sönderfalla. För fallet med kärnreaktioner med ett sönderfall:

N=N_{0}\,e^{-{\lambda }t}=N_{0}\,e^{-t/\ tau },\,\!

halveringstiden är relaterad till sönderfallskonstanten enligt följande: sätt $0 N = N /2$ och $t$ = $T 1/2$ för att erhålla

t_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \ln 2.

Detta förhållande mellan halveringstiden och sönderfallskonstanten visar att högradioaktiva ämnen snabbt förbrukas, medan de som strålar svagt håller ut längre. Halveringstiderna för kända radionuklider varierar med nästan 54 storleksordningar, från mer än 2,25(9) × 10 ²⁴ år ( 6,9 × 10 ³¹ sek) för den mycket nästan stabila nukliden ¹²⁸ Te till 8,6(6) × 10 ^{−23 sekunder för den mycket} instabila nukliden ^5H .

Faktorn $ln(2)$ i ovanstående relationer härrör från det faktum att begreppet "halveringstid" bara är ett sätt att välja en annan bas än den naturliga basen $e$ för livstidsuttrycket. Tidskonstanten $τ$ är e −1 -livslängden, tiden tills endast 1/ e återstår, cirka 36,8 %, snarare än 50 % i halveringstiden för en radionuklid. Sålunda $τ$ längre än $t 1/2$ . Följande ekvation kan visas vara giltig:

N(t)=N_{0}\,e^{-t/\tau }=N_{0}\,2^{-t/t_{1/2}}.\,\!

Eftersom radioaktivt sönderfall är exponentiellt med en konstant sannolikhet, kan varje process lika gärna beskrivas med en annan konstant tidsperiod som (till exempel) gav sitt "(1/3)-liv" (hur lång tid tills bara 1/3 är kvar) eller "(1/10)-liv" (en tidsperiod tills endast 10 % är kvar) och så vidare. Sålunda är valet av $τ$ och $t 1/2$ för markörtider endast för bekvämlighets skull och från konventionen. De återspeglar en grundläggande princip endast i den mån de visar att samma andel av ett visst radioaktivt ämne kommer att sönderfalla, under vilken tidsperiod man väljer.

Matematiskt skulle det $n: te$ livet för ovanstående situation hittas på samma sätt som ovan – genom att sätta $0 N = N /n ,$ $t = T 1/ n$ och ersätta sönderfallslösningen för att erhålla

t_{1/n}={\frac {\ln n}{\lambda }}=\tau \ln n.

Exempel för kol-14

Kol-14 har en halveringstid på 5700(30) år och en sönderfallshastighet på 14 sönderfall per minut (dpm) per gram naturligt kol.

Om en artefakt visar sig ha en radioaktivitet på 4 dpm per gram av dess nuvarande C, kan vi hitta objektets ungefärliga ålder med hjälp av ekvationen ovan:

N=N_{0}\,e^{-t/\tau },

var:

{\begin{aligned}{\frac {N}{N_{0}}}&=4/14\approx 0.286,\\\tau &={\frac {T_{1/2}}{\ ln 2}}\approx 8267{\text{ år}},\\t&=-\tau \,\ln {\frac {N}{N_{0}}}\approx 10356{\text{ år}}. \end{aligned}}

Ändra priser

De radioaktiva sönderfallssätten för elektronfångning och intern omvandling är kända för att vara något känsliga för kemiska och miljömässiga effekter som förändrar atomens elektroniska struktur, vilket i sin tur påverkar närvaron av 1s och 2s elektroner som deltar i sönderfallsprocessen. Ett litet antal nuklider påverkas. Till exempel kemiska bindningar påverka hastigheten för elektroninfångning i liten grad (i allmänhet mindre än 1%) beroende på elektronernas närhet till kärnan. I ⁷ Be har en skillnad på 0,9 % observerats mellan halveringstider i metalliska och isolerande miljöer. Denna relativt stora effekt beror på att beryllium är en liten atom vars valenselektroner finns i 2s atomorbitaler , som är föremål för elektronfångning i ⁷ Be eftersom de (som alla s atomorbitaler i alla atomer) naturligt tränger in i kärnan.

År 1992, Jung et al. från Darmstadt Heavy-Ion Research-gruppen observerade ett accelererat β ^−- sönderfall av ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ . Även om neutral ¹⁶³ Dy är en stabil isotop, genomgår den helt joniserade ¹⁶³ Dy ⁶⁶⁺ β ⁻ sönderfall i K- och L-skalen till ¹⁶³ Ho ⁶⁶⁺ med en halveringstid på 47 dagar.

Rhenium-187 är ett annat spektakulärt exempel. ¹⁸⁷ Re genomgår normalt beta-sönderfall till ¹⁸⁷ Os med en halveringstid på 41,6 × 10 ⁹ år, men studier med helt joniserade ¹⁸⁷ Re- atomer (bara kärnor) har funnit att denna kan minska till endast 32,9 år. Detta tillskrivs " bundet tillstånd β ^- sönderfall " av den helt joniserade atomen - elektronen emitteras in i "K-skalet" ( 1s atomomloppsbana), vilket inte kan inträffa för neutrala atomer där alla lågt bundna tillstånd är ockuperade.

Exempel på dygns- och säsongsvariationer i gammastrålningsdetektorrespons.

Ett antal experiment har funnit att sönderfallshastigheter för andra former av artificiella och naturligt förekommande radioisotoper, till en hög grad av precision, är opåverkade av yttre förhållanden som temperatur, tryck, den kemiska miljön och elektriska, magnetiska eller gravitationsfält. Jämförelse av laboratorieexperiment under det senaste århundradet, studier av Oklos naturliga kärnreaktor (som exemplifierade effekterna av termiska neutroner på kärnsönderfall) och astrofysiska observationer av ljusstyrkans sönderfall av avlägsna supernovor (som inträffade långt borta så ljuset har tagit en mycket tid för att nå oss), till exempel, tyder starkt på att opåverkade avklingningshastigheter har varit konstanta (åtminstone inom gränserna för små experimentella fel) som en funktion av tiden också. ^{[ citat behövs ]}

Nya resultat tyder på möjligheten att sönderfallshastigheter kan ha ett svagt beroende av miljöfaktorer. Det har föreslagits att mätningar av sönderfallshastigheter för kisel-32 , mangan-54 och radium-226 uppvisar små säsongsvariationer (i storleksordningen 0,1%). Sådana mätningar är dock mycket känsliga för systematiska fel, och en efterföljande artikel har inte hittat några bevis för sådana korrelationer i sju andra isotoper ( ²² Na, ⁴⁴ Ti, ¹⁰⁸ Ag, ¹²¹ Sn, ¹³³ Ba, ²⁴¹ Am, ²³⁸ Pu) och sätter övre gränser för storleken på sådana effekter. Nedfallet av radon-222 rapporterades en gång uppvisa stora 4% topp-till-topp säsongsvariationer (se diagram), som föreslogs vara relaterade till antingen solflossaktivitet eller avståndet från solen, men detaljerad analys av experimentets designbrister, tillsammans med jämförelser med andra, mycket mer stränga och systematiskt kontrollerade experiment motbevisar detta påstående.

GSI-avvikelse

En oväntad serie experimentella resultat för sönderfallshastigheten för tunga högladdade radioaktiva joner som cirkulerar i en lagringsring har framkallat teoretisk aktivitet i ett försök att hitta en övertygande förklaring. Hastigheterna för svagt sönderfall av två radioaktiva arter med halveringstider på cirka 40 s och 200 s visar sig ha en betydande oscillerande modulering , med en period på cirka 7 s. Det observerade fenomenet är känt som GSI-anomali , eftersom lagringsringen är en anläggning vid GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Darmstadt , Tyskland . Eftersom sönderfallsprocessen producerar en elektronneutrino , åberopar några av de föreslagna förklaringarna för den observerade hastighetssvängningen neutrinoegenskaper. Inledande idéer relaterade till smaksvängningar möttes med skepsis. Ett nyare förslag involverar massskillnader mellan neutrinomas egentillstånd .

Teoretisk grund

De neutroner och protoner som utgör kärnor, såväl som andra partiklar som närmar sig tillräckligt nära dem, styrs av flera interaktioner. Kärnkraften (även känd som kvarvarande stark kraft ), som inte observeras på den välbekanta makroskopiska skalan , är den mest kraftfulla kraften över subatomära avstånd. Den elektrostatiska kraften är nästan alltid signifikant, och i fallet med beta-sönderfall är den svaga kärnkraften också inblandad.

De kombinerade effekterna av dessa krafter ger upphov till ett antal olika fenomen där energi kan frigöras genom omarrangering av partiklar i kärnan, eller genom förändring av en typ av partikel till andra. Dessa omarrangemang och omvandlingar kan hindras energiskt så att de inte inträffar omedelbart. I vissa fall är slumpmässiga kvantvakuumfluktuationer teoretiserade för att främja avslappning till ett lägre energitillstånd ("förfallet") i ett fenomen som kallas kvanttunneling . Radioaktivt sönderfallshalveringstid för för väte - ^{nuklider har uppmätts över tidsskalor av 54 storleksordningar, från 8,6(6) × 10-23} 7,10(28) × 10,31 ^sekunder ( 5 ) till sekunder (för tellur-128 ). Gränserna för dessa tidsskalor sätts endast av instrumenteringens känslighet, och det finns inga kända naturliga gränser för hur kort [ ^{citat behövs ]} eller lång halveringstid för sönderfall för radioaktivt sönderfall av en radionuklid kan vara.

Förfallsprocessen, som alla hindrade energiomvandlingar, kan analogiseras av ett snöfält på ett berg. Även om friktionen mellan iskristallerna kan stödja snöns vikt, är systemet i sig instabilt med avseende på ett tillstånd med lägre potentiell energi. En störning skulle således underlätta vägen till ett tillstånd av större entropi ; systemet kommer att röra sig mot grundtillståndet och producera värme, och den totala energin kommer att kunna fördelas över ett större antal kvanttillstånd vilket resulterar i en lavin . Den totala energin förändras inte i denna process, men på grund av termodynamikens andra lag har laviner bara observerats i en riktning och det är mot "grundtillståndet" - tillståndet med det största antalet sätt på vilka de tillgängliga energi skulle kunna distribueras.

En sådan kollaps (en gammastrålningshändelse ) kräver en specifik aktiveringsenergi . För en snölavin kommer denna energi som en störning utifrån systemet, även om sådana störningar kan vara godtyckligt små. I fallet med en exciterad atomkärna som sönderfaller av gammastrålning i en spontan emission av elektromagnetisk strålning, kommer den godtyckligt lilla störningen från kvantvakuumfluktuationer .

En radioaktiv kärna (eller något exciterat system inom kvantmekaniken) är instabilt och kan således spontant stabiliseras till ett mindre exciterat system. Den resulterande transformationen förändrar kärnans struktur och resulterar i emission av antingen en foton eller en höghastighetspartikel som har massa (som en elektron, alfapartikel eller annan typ).

Förekomst och tillämpningar

Enligt Big Bang-teorin producerades stabila isotoper av de lättaste tre grundämnena ( H , He och spår av Li ) mycket kort efter universums uppkomst, i en process som kallas Big Bang-nukleosyntes . Dessa lättaste stabila nuklider (inklusive deuterium ) överlever till idag, men alla radioaktiva isotoper av de lätta grundämnena som producerades i Big Bang (som tritium ) har för länge sedan sönderfallit. Isotoper av grundämnen tyngre än bor producerades inte alls i Big Bang, och dessa första fem grundämnen har inga långlivade radioisotoper. Således är alla radioaktiva kärnor därför relativt unga med avseende på universums födelse, efter att ha bildats senare i olika andra typer av nukleosyntes i stjärnor (särskilt supernovor ), och även under pågående interaktioner mellan stabila isotoper och energiska partiklar. Till exempel kol-14 , en radioaktiv nuklid med en halveringstid på endast 5700(30) år, ständigt i jordens övre atmosfär på grund av interaktioner mellan kosmiska strålar och kväve.

Nuklider som produceras genom radioaktivt sönderfall kallas radiogena nuklider , oavsett om de själva är stabila eller inte. Det finns stabila radiogena nuklider som bildades från kortlivade utdöda radionuklider i det tidiga solsystemet. Den extra närvaron av dessa stabila radiogena nuklider (såsom xenon-129 från utdöd jod-129 ) mot bakgrunden av primordiala stabila nuklider kan härledas på olika sätt.

Radioaktivt sönderfall har tagits i bruk i tekniken för radioisotopmärkning , som används för att spåra passagen av en kemisk substans genom ett komplext system (som en levande organism ). Ett prov av ämnet syntetiseras med en hög koncentration av instabila atomer. Förekomsten av ämnet i en eller annan del av systemet bestäms genom att detektera platserna för sönderfallshändelser.

På premissen att radioaktivt sönderfall verkligen är slumpmässigt (snarare än bara kaotiskt ), har det använts i hårdvarugeneratorer för slumptal . Eftersom processen inte tros variera nämnvärt i mekanism över tiden, är den också ett värdefullt verktyg för att uppskatta den absoluta åldern för vissa material. För geologiska material blir radioisotoperna och några av deras sönderfallsprodukter fångade när en sten stelnar, och kan sedan användas (med förbehåll för många välkända kvalifikationer) för att uppskatta datumet för stelnandet. Dessa inkluderar att kontrollera resultaten av flera samtidiga processer och deras produkter mot varandra, inom samma prov. På ett liknande sätt, och även med förbehåll för kvalificering, kan bildningshastigheten för kol-14 i olika epoker, datumet för bildning av organiskt material inom en viss period relaterad till isotopens halveringstid uppskattas, eftersom kol-14 fastnar när det organiska materialet växer och införlivar det nya kolet-14 från luften. Därefter minskar mängden kol-14 i organiskt material i enlighet med sönderfallsprocesser som också kan korskontrolleras oberoende på andra sätt (som t.ex. kontroll av kol-14 i enskilda trädringar).

Szilard-Chalmers-effekt

Szilard-Chalmers-effekten är brytandet av en kemisk bindning som ett resultat av en kinetisk energi som överförs från radioaktivt sönderfall. Den fungerar genom absorption av neutroner av en atom och efterföljande emission av gammastrålar , ofta med betydande mängder kinetisk energi. Denna kinetiska energi, enligt Newtons tredje lag, trycker tillbaka på den sönderfallande atomen, vilket får den att röra sig med tillräcklig hastighet för att bryta en kemisk bindning. Denna effekt kan användas för att separera isotoper med kemiska medel.

Szilard-Chalmers-effekten upptäcktes 1934 av Leó Szilárd och Thomas A. Chalmers. De observerade att efter bombardering av neutroner gjorde brytningen av en bindning i flytande etyljodid att radioaktiv jod kunde avlägsnas.

Ursprunget för radioaktiva nuklider

Radioaktiva primordiala nuklider som finns i jorden är rester från forntida supernovaexplosioner som inträffade före bildandet av solsystemet . De är fraktionen av radionuklider som överlevde från den tiden, genom bildandet av den ursprungliga solnebulosan, genom planettillväxt och fram till nutid. De naturligt förekommande kortlivade radiogena radionuklider som finns i dagens bergarter är döttrarna till dessa radioaktiva urnuklider . En annan mindre källa av naturligt förekommande radioaktiva nuklider är kosmogena nuklider , som bildas av kosmiskt strålbombardement av material i jordens atmosfär eller skorpa . Nedfallet av radionuklider i bergarter av jordens mantel och jordskorpa bidrar avsevärt till jordens interna värmebudget .

Förfallskedjor och flera lägen

Dotternukliden till en sönderfallshändelse kan också vara instabil (radioaktiv). I det här fallet kommer det också att förfalla och producera strålning. Den resulterande andra dotternukliden kan också vara radioaktiv. Detta kan leda till en sekvens av flera sönderfallshändelser som kallas en sönderfallskedja (se den här artikeln för specifika detaljer om viktiga naturliga sönderfallskedjor). Så småningom produceras en stabil nuklid. Alla sönderfallsdöttrar som är resultatet av ett alfasönderfall kommer också att resultera i att heliumatomer skapas.

Gammastrålningsenergispektrum för uranmalm (infälld). Gammastrålar emitteras av sönderfallande nuklider , och gammastrålningsenergin kan användas för att karakterisera sönderfallet (vilken nuklid som sönderfaller till vilken). Här har, med hjälp av gammastrålningsspektrumet, flera nuklider som är typiska för sönderfallskedjan av ²³⁸ U identifierats: ²²⁶ Ra, ²¹⁴ Pb, ²¹⁴ Bi.

Ett exempel är den naturliga sönderfallskedjan av ²³⁸ U:

Uran-238 sönderfaller, genom alfa-emission, med en halveringstid på 4,463(3) miljarder år till torium-234
som sönderfaller, genom beta-emission, med en halveringstid på 24,107(24) dagar till protactinium-234m
som sönderfaller, genom beta-emission, med en halveringstid på 1,159(11) minuter till uran-234
som sönderfaller, genom alfa-emission, med en halveringstid på 245,5(6) tusen år till torium-230
som sönderfaller, genom alfa-emission, med en halveringstid på 75,4(3) tusen år till radium-226
som sönderfaller, genom alfa-emission, med en halveringstid på 1 600(7) tusen år till radon-222
som sönderfaller, genom alfa-emission, med en halveringstid på 3,8215(2) dagar till polonium-218
som sönderfaller, genom alfa-emission, med en halveringstid på 3,097(12) minuter till bly-214
som sönderfaller, genom beta-emission, med en halveringstid på 27,06(7) minuter till vismut-214
som sönderfaller, genom beta-emission, med en halveringstid på 19,9(4) minuter till polonium-214
som sönderfaller, genom alfa-emission, med en halveringstid på 163,47(3) mikrosekunder till bly-210
som sönderfaller, genom beta-emission, med en halveringstid på 22,20(22) år till vismut-210
som sönderfaller, genom beta-emission, med en halveringstid på 5,012(5) dagar till polonium-210
som sönderfaller, genom alfa-emission, med en halveringstid på 138,376(2) dagar till bly-206 , som är en stabil nuklid.

Vissa radionuklider kan ha flera olika sönderfallsvägar. Till exempel 35,94(6) % av vismut-212 , genom alfa-emission, till tallium-208 medan 64,06(6) % av vismut-212 sönderfaller, genom beta-emission, till polonium-212 . Både tallium-208 och polonium-212 är radioaktiva dotterprodukter av vismut-212 , och båda sönderfaller direkt till stabilt bly-208 .

Faroskyltar

Trefoil-symbolen som används för att varna för närvaro av radioaktivt material eller joniserande strålning
2007 ISO- symbol för radioaktivitetsfara avsedd för IAEA:s kategori 1, 2 och 3 källor definierade som farliga källor som kan leda till dödsfall eller allvarliga skador
Klassificeringsskylten för transport av farligt gods för radioaktivt material