Fysik energi då en atomkärna sönderfaller
Betasönderfall
Betasönderfall, även β-sönderfall, existerar inom kärnfysiken en radioaktivtsönderfall liksom innebär för att enstaka atomkärna sönderfaller genom för att avge enstaka betapartikel, detta önskar yttra ett elektron alternativt positron. vilket regel hamnar dotterkärnan inom en exciterat tillåtelse samt avger därför omgående gammastrålning.
Den bakomliggande kraften mot betasönderfall existerar den svaga interaktion. nära betasönderfall förblir antalet nukleoner (protoner samt neutroner) konstant, medan fördelningen mellan protonerna samt neutronerna däremot ändras.
Atomkärnan kommer att sönderfalla via alfasönderfall, vilket innebär att vi får en dotterkärna som har 4 nukleoner färre, varav två är protonertillsammans andra mening existerar masstalet A konstant medan atomnumret Z ändras. Betasönderfall förekommer inom tre olika typer: beta minus-sönderfall (eller β−-sönderfall) likt innebär för att betapartikeln existerar ett elektron, beta plus-sönderfall (eller β+-sönderfall) liksom innebär för att betapartikeln existerar ett positron, samt elektroninfångning såsom innebär för att ett elektron ifrån atomen tillsammans tillsammans ett proton inom atomkärnan bildar ett neutron.
nära samtliga typer från betasönderfall avges enstaka neutrino alternativt antineutrino.
Historia
[redigera | redigera wikitext]Avgivandet från ett elektron ifrån atomkärnan fanns ett från dem inledande upptäckterna från radioaktivt sönderfall. Ernest Rutherford lyckades 1899 kategorisera radioaktivt sönderfall inom numeriskt värde olika grupper: alfasönderfall samt betasönderfall.
Betastrålning kunna penetrera betydligt längre in inom olika ämne än alfastrålning. Året därpå upptäckte Paul Ulrich Villard ett tredjeplats typ från strålning, nämligen gammastrålning.
kalenderår 1900 kunde Henri Becquerel påvisa för att betapartikeln besitter identisk förhållande mellan Elektrisk laddning samt massa liksom enstaka elektron, samt därmed drog denne slutsatsen för att betapartikeln existerar ett elektron.
Till skillnad ifrån alfasönderfall besitter utvecklingen från förståelsen kring betasönderfall varit långsam.
beneath 1920-talet orsakade den kontinuerliga energifördelningen hos betastrålningen förvirring bland vetenskapsmän, liksom ägde förväntat sig enstaka energifördelning såsom liknade den till alfasönderfall. Wolfgang Pauli föreslog 1931 för att betasönderfall ej bara gav upphov mot ett betapartikel, utan även enstaka ytterligare partikel, nämligen ett neutrino.
detta plats denna okända partikel liksom förklarade den kontinuerliga energifördelningen. Enrico Fermi kunde 1934 förbättra enstaka grundlig teori kring betasönderfall likt baserade sig vid Paulis förslag angående enstaka neutrino. Teorin baserar sig vid svag interaktion samt Fermis gyllene regel.
Karaktäristiska egenskaper
[redigera | redigera wikitext]Sönderfallsprocessen
[redigera | redigera wikitext]Betasönderfall består egentligen från tre olika typer från sönderfall: β−-sönderfall, β+-sönderfall samt elektroninfångning.
nära en betasönderfall bevaras den totala elektriska laddningen, kvarkantalet samt leptonantalet, vilket innebär för att angående enstaka lepton (elektron alternativt neutrino) bildas måste detta kompenseras tillsammans med bildandet från enstaka antilepton (positron alternativt antineutrino).[1] nära sönderfallet förmå dotterkärnan hamna inom en exciterat status till för att sedan sända ut energiöverskottet liksom gammastrålning.
Även dem inre elektronskalen är kapabel exciteras vilket ger upphov mot karaktäristisk röntgenstrålning nära deexcitationen. Energiöverskottet kunna även tas upp från enstaka ytterligare elektron likt avges (Augereffekt), vilket besitter många lägre energier än ett betapartikel.
β−-sönderfall
[redigera | redigera wikitext]β− sönderfall innebär för att ett neutron inom atomkärnan sönderfaller inom ett proton, enstaka elektron samt ett antineutrino.
Eftersom detta bildas enstaka proton inom sönderfallet existerar atomnumret hos dotterkärnan en högre än atomnumret hos den ursprungliga kärnan. vid elementarpartikelnivå existerar β− sönderfall ett omvandling från ett nerkvark mot enstaka uppkvark genom utsändande från enstaka W−-boson liksom sönderfaller inom ett elektron samt ett antineutrino.
β+-sönderfall
[redigera | redigera wikitext]β+ sönderfall innebär för att ett proton inom atomkärnan sönderfaller inom ett neutron, enstaka positron samt ett neutrino.
Eftersom detta försvinner enstaka proton inom sönderfallet existerar atomnumret hos dotterkärnan en lägre än atomnumret hos den ursprungliga kärnan.
vid elementarpartikelnivå existerar β+ sönderfall ett omvandling från enstaka uppkvark mot ett nerkvark genom utsändande från ett W+-boson liksom sönderfaller inom ett positron samt enstaka neutrino.
Elektroninfångning
[redigera | redigera wikitext]Elektroninfångning innebär för att ett elektron inom atomhöljet ”fångas in” från atomkärnan, samt omvandlar ett proton mot enstaka neutron samt ett neutrino.
Liksom nära β+-sönderfall sjunker antalet protoner. Därmed blir atomnumret lägre till dotterkärnan.
Dessa atomer kallas instabila eller radioaktivaEnergifördelning
[redigera | redigera wikitext]Till skillnad ifrån alfastrålning, besitter betastrålning ifrån betasönderfall ett kontinuerlig energifördelning. Detta förbryllade vetenskapsmän vid 1920-talet, eftersom en tvåkroppssystem ger upphov mot ett väldefinierad energi- samt rörelsemängdsfördelning då energi samt rörelsemängd bevaras. vid 1930-talet kunde den kontinuerliga energifördelningen förklaras tillsammans med för att betasönderfall ger upphov mot ett tredjeplats partikel utöver dotterkärnan samt elektronen, nämligen enstaka neutrino alternativt antineutrino.
mot skillnad ifrån en tvåkroppssystem besitter en trekroppssystem ej enstaka väldefinierad energi- samt rörelsemängdsfördelning.
I likhet tillsammans alfasönderfall, förmå en Q-värde definieras såsom skillnaden inom kärnenergi före samt efter sönderfallet. på grund av en β−-sönderfall från ett fri neutron, såsom sönderfaller mot enstaka proton, blir Q-värdet:
Om dotterkärnan dessutom hamnar inom en exciterat status tillsammans med energin måste Q-värdet kompenseras till detta i enlighet med följande:
För för att sönderfallet bör artikel spontant behövs för att kärnenergi frigörs, detta önskar yttra en positivt Q-värde.
vid bas från för att den totala energin existerar konstant beneath sönderfallet, måste enstaka förändring från kärnenergin uppvägas från ett förändring från den kinetiska energin. Förutsatt för att den sönderfallande atomkärnan existerar inom vila (det önskar yttra saknar kinetisk energi) blir inom sålunda fall Q-värdet även lika tillsammans nästa samband, var , samt existerar protonens, elektronens respektive antineutrinons kinetiska energi efter sönderfallet.
På bas från sin stora massa inom förhållande mot dem numeriskt värde andra partiklarna, existerar protonens kinetiska energi vilket regel försumbar. Den frigjorda kärnenergin fördelas således inom huvudsak mellan elektronen samt antineutrinon. Den maximala energin på grund av elektronen svarar mot ett minimal energi på grund av antineutrinon, samt vice versa.
Genom experiment tillsammans fria neutroner (som äger enstaka halveringstid vid runt 10 minuter) besitter elektronens största energi uppmätts mot 0,782 ± 0,013 MeV, vilket existerar identisk värde såsom Q-värdet. Antineutrinon, liksom neutrinon, existerar således helt alternativt nära masslös.[2]
Mekanismen på baksidan sönderfallet
[redigera | redigera wikitext]Fermis gyllene regel
[redigera | redigera wikitext]Betasönderfall skiljer sig väsentligen ifrån alfasönderfall; betapartiklarna existerar ej före sönderfallsprocessen, dem måste behandlas relativistiskt samt dem äger enstaka kontinuerlig energifördelning.
Varför sker radioaktivt sönderfall? Radioaktivt sönderfall sker eftersom atomkärnan är instabil och genom att sända ut strålning kan den bli mer stabilIstället till för att nyttja modellen tillsammans partikel inom kista, liksom inom fallet tillsammans alfasönderfall, används Fermiteori på grund av för att förklara betasönderfallet. i enlighet med Fermis gyllene regel gäller för att sönderfallskonstanten kunna beräknas i enlighet med nästa samband[3]
där tillsammans samt likt sista respektive första vågfunktion till systemet, samt existerar tillståndstätheten till dem finala tillstånden .
Antal status vilket funktion från rörelsemängd alternativt energi är kapabel erhållas, ifall betecknar rörelsemängden till elektronen (eller positronen) samt betecknar rörelsemängden på grund av neutrinon (eller antineutrinon). Antalet elektrontillstånd inom ett sfär tillsammans med radie blir då inom enlighet tillsammans med formeln till volymen till ett sfär samt tillsammans med enstaka omskalningsfaktor :
Således blir tillståndstätheten tillsammans med avseende vid rörelsemängden ( existerar ett omskalningsfaktor på grund av för att normera vågfunktionerna):
Helt analogt kunna motsvarande samband erhållas till neutrinon.
detta totala antalet finala status likt samtidigt äger ett elektron samt ett neutrino tillsammans givna rörelsemängder blir:
Därmed fås för att
Eftersom
blir
Därför är kapabel sambandet förenklas mot
Både elektronen samt neutrinon beskrivs tillsammans med vågfunktionen på grund av ett fri partikel, normaliserad på grund av volymen .
dem exponentiella funktionerna förmå approximeras i enlighet med följande:
Den ovanstående approximationen kallas till den tillåtna approximationen, samt innebär för att matriselementet ej beror från alternativt .
Radioaktivitet kallas den process då atomkärnan spontant sönderfaller och avger strålningangående betecknar den finala vågfunktionen till atomkärnan förmå matriselementet uttryckas i enlighet med nedanstående samband.[4]
Därmed fås för att , var existerar kärnmatriselementet.
Sambandet mellan sönderfallskonstanten samt betapartikelns rörelsemängd
[redigera | redigera wikitext]Med hjälp från Fermis gyllene regel samt ovanstående samband till samt fås nästa samband mellan å en sidan samt , samt å andra sidan.
Eftersom oss existerar intresserade från hur sambandet mellan , samt ser ut, kunna oss inför enstaka konstant såsom klumpar ihop varenda faktorer vilket ej existerar beroende från rörelsemängderna. Då fås detta något mer överblickbara sambandet . Antalet elektroner tillsammans rörelsemängd mellan samt blir då . eftersom dotterkärnan efter en betasönderfall små frukter från växter vid ett försumbar andel från den frigjorda kärnenergin, gäller för att
Denna funktion möter kravet för att samt .
Funktionens utseende kunna jämföras tillsammans empiriska information. Förbättringar kunna göras tillsammans hjälp från Fermifunktionen, såsom tar hänsyn mot Coulombkraften ifrån dotterkärnan, samt genom för att ta hänsyn mot matriselementet , likt inom ovanstående beräkningar äger antagits existera oberoende från .[5] Genom för att ta hänsyn mot varenda dessa faktorer fås en mer allmänt samband:[6]
Sönderfallskonstanten kunna beräknas genom integrering från ovan samtliga tänkbara .[6]
Betastrålning
[redigera | redigera wikitext]Betasönderfall ger upphov mot betastrålning, likt existerar enstaka typ från joniserande strålning samt består från antingen e- alternativt e+.
Betapartiklarna besitter betydligt mindre massa än alfapartiklarna, samt tränger igenom därför djupare inom olika ämne. dem existerar dock, inom likhet tillsammans alfapartiklarna, elektriskt laddade samt interagerar därför genom Coulombkrafter. Deras energi, rörelsemängd samt hastighet förmå därför enkelt påverkas genom elektriska fält, mot skillnad ifrån gammastrålning.
Till skillnad ifrån alfapartiklar sprids betapartiklarna inom upphöjd utsträckning nära interaktion tillsammans med elektronerna inom en ämne, eftersom betapartikelns massa existerar densamma såsom elektronens. Elektronerna följer därför oregelbundna banor. Betapartiklarna kunna snabbt ändra riktning alternativt förlora enstaka massiv sektion från sin energi, vilket ger upphov mot röntgenstrålning inom form eller gestalt från bromsstrålning.
Betapartiklarna förlorar därför sin energi vid numeriskt värde olika sätt; antingen genom kollisioner tillsammans med materialets elektroner alternativt genom för att utsända röntgenstrålning. Hur snabbt betapartiklarna bromsas beror vid deras energi samt materialets attribut, mot modell atomnumret.
Tillämpningar samt risker
[redigera | redigera wikitext]Betapartiklar tillsammans ett energi vid 2 MeV besitter enstaka hur långt något sträcker sig eller når vid ungefär ett centimeter inom vävnad samt tio meter inom atmosfär.
Betastrålning förmå enkelt skärmas tillsammans plåt alternativt glasrutor, dock på grund av gammastrålningen liksom bildas inom samband tillsammans med betasönderfall behövs detta tyngre avskärmning. Huden skyddar normalt den mänskliga kroppen ifrån skador från betastrålning, dock inom likhet tillsammans med alfastrålning förmå betastrålning orsaka skador ifall detta radioaktiva preparatet förtärs.
Betastrålning kunna även skada ytliga kroppsdel, såsom ögats lins.[7]
I en kärnkraftverk utsätts arbetarna på grund av betastrålning inom princip enbart beneath sysselsättning inuti locket mot reaktorn.
Vi får dessutom ett nytt ämne (betecknas X), där atomnummer och masstal är kändavar besitter neutronerna ifrån kärnklyvningarna aktiverat stålet mot olika radioaktiva isotoper liksom sänder ut betastrålning. Denna går dock för att skydda sig enkelt ifrån genom för att nyttja skyddsglas samt ett extra overall alternativt heltäckande gasmask, eftersom detta ibland även finns luftkontamination. Gammastrålningen finns detta allmänt ingen personlig skyddsutrustning på grund av vid kärnkraftverk utan den minimeras genom fasta installationer.
Betasönderfallande preparat används på grund av för att erhålla betastrålning, liksom förmå användas på grund av bland annat betaspektroskopi.
Se även
[redigera | redigera wikitext]Referenser
[redigera | redigera wikitext]Noter
[redigera | redigera wikitext]- ^S.
Krane, Kenneth (1988). Introductory Nuclear Physics. New York: John Wiley & Sons, Inc. sid. 296. ISBN 978-0-471-80553-3
- ^S. Krane, Kenneth (1988). Introductory Nuclear Physics. New York: John Wiley & Sons, Inc. sid. 274. ISBN 978-0-471-80553-3
- ^S.
Krane, Kenneth (1988). Introductory Nuclear Physics. New York: John Wiley & Sons, Inc. sid. 277. ISBN 978-0-471-80553-3
- ^S. Krane, Kenneth (1988). Introductory Nuclear Physics. Kärnreaktioner är processer där en atomkärnas struktur förändras
New York: John Wiley & Sons, Inc. sid. 279. ISBN 978-0-471-80553-3
- ^S. Krane, Kenneth (1988). Introductory Nuclear Physics. New York: John Wiley & Sons, Inc. sid. 281-282. ISBN 978-0-471-80553-3
- ^ [ab] S. Krane, Kenneth (1988). Introductory Nuclear Physics.
New York: John Wiley & Sons, Inc. sid. 282.
Detta kan ske på flera olika sätt, så som genom radioaktivt sönderfall, kärnfission (delning av en atomkärna) och kärnfusion (sammanslagning av två atomkärnor)ISBN 978-0-471-80553-3
- ^”Joniserande strålning”. Strålsäkerhetsmyndigheten. 29 september 2011. Arkiverad ifrån originalet den 2 september 2012. https://web.archive.org/web/20120902195433/http://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/start/om-stralning/joniserande-stralning/. Läst 31 juli 2012.