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Warum tritt radioaktiver Zerfall auf?

Radioaktiver Zerfall ist der spontane Prozess, durch den ein instabiler Atomkern in kleinere, stabilere Fragmente zerfällt. Haben Sie sich jemals gefragt, warum manche Kerne zerfallen, andere nicht?

Es ist im Grunde eine Frage der Thermodynamik. Jedes Atom versucht so stabil wie möglich zu sein. Beim radioaktiven Zerfall tritt Instabilität auf, wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern unausgewogen ist . Grundsätzlich befindet sich im Kern zu viel Energie, um alle Nukleonen zusammenzuhalten. Der Status der Elektronen eines Atoms spielt für den Zerfall keine Rolle, obwohl auch sie ihre eigene Art haben, Stabilität zu finden. Wenn der Kern eines Atoms instabil ist, bricht es schließlich auseinander und verliert zumindest einige der Teilchen, die es instabil machen. Der ursprüngliche Kern wird als Elternteil bezeichnet, während der resultierende Kern oder die resultierenden Kerne als Tochter oder Töchter bezeichnet werden. Die Töchter könnten immer noch radioaktiv sein und schließlich in mehr Teile zerfallen, oder sie könnten stabil sein.

 

Drei Arten des radioaktiven Zerfalls

Es gibt drei Formen des radioaktiven Zerfalls: Welche davon ein Atomkern durchläuft, hängt von der Art der inneren Instabilität ab. Einige Isotope können über mehr als einen Weg zerfallen.

Alpha-Zerfall

Beim Alpha-Zerfall stößt der Kern ein Alpha-Teilchen aus, das im Wesentlichen ein Heliumkern (zwei Protonen und zwei Neutronen) ist, wodurch die Ordnungszahl des Elternteils um zwei und die Massenzahl um vier verringert wird.

Beta-Zerfall

Beim Beta-Zerfall wird ein Elektronenstrom, Beta-Teilchen genannt, aus dem Elternteil ausgestoßen und ein Neutron im Kern in ein Proton umgewandelt. Die Massenzahl des neuen Kerns ist dieselbe, aber die Ordnungszahl erhöht sich um eins.

Gamma-Zerfall

Beim Gamma-Zerfall setzt der Atomkern überschüssige Energie in Form von hochenergetischen Photonen (elektromagnetische Strahlung) frei. Die Ordnungszahl und die Massenzahl bleiben gleich, aber der resultierende Kern nimmt einen stabileren Energiezustand an.

 

Radioaktiv gegen stabil

Ein radioaktives Isotop ist eines, das radioaktiv zerfällt. Der Begriff „stabil“ ist mehrdeutig, da er sich auf Elemente bezieht, die aus praktischen Gründen über einen langen Zeitraum nicht auseinander brechen. Dies bedeutet, dass stabile Isotope solche wie Protium (besteht aus einem Proton, sodass nichts mehr zu verlieren ist) und radioaktive Isotope wie Tellur -128 mit einer Halbwertszeit von 7,7 x 10 24 Jahren niemals brechen . Radioisotope mit kurzer Halbwertszeit werden als instabile Radioisotope bezeichnet.

 

Einige stabile Isotope haben mehr Neutronen als Protonen

Sie könnten annehmen, dass ein Kern in stabiler Konfiguration die gleiche Anzahl von Protonen wie Neutronen haben würde. Für viele leichtere Elemente gilt dies. Beispielsweise wird Kohlenstoff üblicherweise in drei Konfigurationen von Protonen und Neutronen gefunden, die als Isotope bezeichnet werden. Die Anzahl der Protonen ändert sich nicht, da dies das Element bestimmt, aber die Anzahl der Neutronen: Kohlenstoff-12 hat sechs Protonen und sechs Neutronen und ist stabil; Kohlenstoff-13 hat auch sechs Protonen, aber sieben Neutronen; Kohlenstoff-13 ist ebenfalls stabil. Kohlenstoff-14 mit sechs Protonen und acht Neutronen ist jedoch instabil oder radioaktiv. Die Anzahl der Neutronen für einen Kohlenstoff-14-Kern ist zu hoch, als dass die starke Anziehungskraft ihn auf unbestimmte Zeit zusammenhalten könnte.

Wenn Sie sich jedoch zu Atomen bewegen, die mehr Protonen enthalten, werden Isotope mit einem Überschuss an Neutronen zunehmend stabiler. Dies liegt daran, dass die Nukleonen (Protonen und Neutronen) nicht im Kern fixiert sind, sondern sich bewegen und die Protonen sich gegenseitig abstoßen, weil sie alle eine positive elektrische Ladung tragen. Die Neutronen dieses größeren Kerns isolieren die Protonen voneinander.

 

Das N: Z-Verhältnis und die magischen Zahlen

Das Verhältnis von Neutronen zu Protonen oder das N: Z-Verhältnis ist der Hauptfaktor, der bestimmt, ob ein Atomkern stabil ist oder nicht. Leichtere Elemente (Z <20) bevorzugen die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen oder N: Z=1. Schwerere Elemente (Z=20 bis 83) bevorzugen ein N: Z-Verhältnis von 1,5, da mehr Neutronen benötigt werden, um gegen die zu isolieren Abstoßungskraft zwischen den Protonen.

Es gibt auch sogenannte magische Zahlen, dh Zahlen von Nukleonen (entweder Protonen oder Neutronen), die besonders stabil sind. Wenn sowohl die Anzahl der Protonen als auch die Neutronen diese Werte haben, wird die Situation als doppelte magische Zahlen bezeichnet. Sie können sich dies als den Kern vorstellen, der der Oktettregel für die Stabilität der Elektronenhülle entspricht. Die magischen Zahlen unterscheiden sich für Protonen und Neutronen geringfügig:

  • Protonen: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
  • Neutronen: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Um die Stabilität weiter zu verkomplizieren, gibt es stabilere Isotope mit geraden bis geraden Z: N (162 Isotope) als gerade bis ungerade (53 Isotope) als ungerade bis gerade (50) als ungerade bis ungerade Werte (4).

 

Zufälligkeit und radioaktiver Zerfall

Eine letzte Anmerkung: Ob ein Kern zerfällt oder nicht, ist ein völlig zufälliges Ereignis. Die Halbwertszeit eines Isotops ist die beste Vorhersage für eine ausreichend große Stichprobe der Elemente. Es kann nicht verwendet werden, um eine Vorhersage über das Verhalten eines Kerns oder einiger Kerne zu treffen.

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