Reakcje jądrowereakcje jądroweReakcje jądrowe to zmiany, którym ulega jądro atomowe. Mogą prowadzić do powstawania różnych pierwiastków. Samorzutny rozpad jest możliwy tylko wtedy, gdy energia rozpadającego się jądra jest większa od sumy energii powstających produktów rozpadu. Przemianę jądrową można określić, bilansując liczby atomowe i liczby masowe w równaniu jądrowym tego procesu. Najpopularniejszymi przemianami są alfa lub beta. Cząstki beta dzielimy na beta minus $\left({\mathrm{\beta }}^{-}\right)$ i beta plus $\left({\mathrm{\beta }}^{+}\right)$.

Przemiana alfaprzemiana alfaPrzemiana alfa to emisja cząstki $\mathrm{\alpha }$, w wyniku której liczba atomowa ($\text{Z}$) pierwiastka maleje o $2$, a liczba masowa ($\text{A}$) maleje o $4$. Przemiana ta zachodzi samorzutnie w wyniku rozpadu niestabilnego jądra atomów o liczbie Z większej lub równej 82. Równanie tej reakcji można zapisać następująco:

Przemianie alfa ulegają głównie jądra ciężkie. Podczas tego procesu następuje emisja cząstek, które składają się z dwóch protonów oraz dwóch neutronów (jądro helu).

Natomiast rozpad beta jest procesem rozpadu jądra, w którym niestabilne jądro przekształca się i wyrzuca cząstki, dzięki czemu osiąga stan stabilny. Istnieją dwa różne typy przemian beta: rozpad beta minusprzemiana beta minusrozpad beta minus i rozpad beta plusprzemiana beta plusrozpad beta plus. W obu tych rozpadach nukleon (proton lub neutron) w jądrze przekształca się w inny rodzaj nukleonu (neutron lub proton), co dzieje się pod wpływem słabego oddziaływania.

Rozpad beta minus to emisja z jądra atomowego elektronu, czyli cząstki ${\mathrm{\beta }}^{-}$ oraz antyneutrina elektronowego (cząstka elementarna). Rozpad ten występuje dla jąder posiadających pewien nadmiar neutronów w porównaniu do protonów. W wyniku tej przemiany liczba atomowa pierwiastka wzrasta o $1$, a liczba masowa pozostaje bez zmian. Schemat tej reakcji można zapisać następująco:

Przykład przemiany beta minus

W wyniku tej emisji, w jądrze atomu promieniotwórczego następuje przemiana neutronu, zbudowanego z dwóch kwarków dolnych oraz jednego górnego, w proton i elektron. Wówczas jeden kwark dolny zostaje podmieniony kwarkiem górnym. Aby podczas tego procesu był zachowany ładunek, dochodzi do emisji wirtualnego bozonu ${\text{W}}^{-}$ o ładunku $-1$. Ładunek kwarku górnego to $\frac{2}{3}$, a kwarku dolnego to $-\frac{1}{3}$.  W ten sposób neutron zamienia się w proton, który pozostaje w jądrze atomu, natomiast elektron zostaje wypromieniowany.

Zapis przemiany neutronu

gdzie:

• ${\text{e}}^{-}$ – elektron (cząstka ${\mathrm{\beta }}^{-}$);

• ${\overline{\text{ν}}}_{\text{e}}$ – antyneutrino elektronoweantyneutrino elektronoweantyneutrino elektronowe.

Emisji ${\mathrm{\beta }}^{-}$ może również towarzyszyć promieniowanie gamma ($\mathrm{\gamma }$).

R1LLf3HCtzdhf

Ilustracja przedstawia schemat przemiany beta minus. Ukazano jądro węgla -14: 6 protonów (pomarańczowe kule) i 8 neutronów (szare kule) tworzą zbitą strukturę. Obok znajduje się strzałka w prawo opisana beta minus, za strzałką znajduje się układ 7 protonów (pomarańczowe kule) i 7 neutronów (szare kule) tworzących zbitą strukturę. Pozostałe produkty przemiany to antyneutrino: $\overline{\mathrm{V}}$ (fioletowa kula) i elektron (biała kula). Poniżej znajduje się schemat reakcji: ${}_6^{14}\mathrm{C}\to {}_7^{14}\mathrm{N}+{}_{-1}^0{\mathrm{e}}^{-}+\overline{\mathrm{V}}$

Przemiana beta plus to emisja dodatniej cząstki $\mathrm{\beta }$, czyli pozytonu oraz neutrina elektronowego (cząstka elementarna). Proces ten występuje w jądrach posiadających niedobór neutronów w porównaniu do protonów. W wyniku tej przemiany liczba atomowa jądra maleje o jeden, a liczba masowa pozostaje bez zmian. Schemat tej reakcji można zapisać następująco:

Przykład przemiany beta plus

Podczas tego procesu, w jądrze atomu promieniotwórczego następuje przemiana protonu w neutron, który pozostaje w jądrze atomu, oraz przemiana pozytonu i neutrina. Następnie zostają one wypromieniowane. Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego kwarku dolnego. Jeden kwark górny zmienia się w kwark dolny, co powoduje emisję wirtualnego bozonu ${\text{W}}^{+}$ o ładunku $+1$ (dzięki czemu można zachować ładunek).

Zapis przemiany protonu

gdzie:

• ${\text{e}}^{+}$ – pozyton;

• ${\text{v}}_{\text{e}}$ – neutrino elektronoweneutrino elektronoweneutrino elektronowe.

Promieniowanie betapromieniowanie beta, promieniowanie $\mathrm{\beta }$Promieniowanie beta jest bardziej przenikliwe niż promieniowanie alfa, ale nie jest z kolei aż tak przenikliwe jak promieniowanie gamma. Jeśli źródło beta dostanie się do organizmu, powoduje uszkodzenie tkanki i może zwiększyć ryzyko zachorowania na nowotwór. Poniższy rysunek pokazuje względne poziomy penetracji różnych typów promieniowania.

RKuqD8yPfB52Q

Grafika przedstawia schemat przenikliwości poszczególnych typów promieniowania jonizującego. Cząstki alfa zostają zatrzymane przez papier, cząsteczka beta zostaje zatrzymana przez aluminium i dłoń (skórę). Promieniowanie gamma przenika przez papier, dłoń, aluminium, stal i ołów; zatrzymane zostaje przez beton. Neutrony przenikają przez każdy z tych materiałów.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles. The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Encyclopedia PWN

Welsh J. S., Beta decay in science and medicine, „American Journal of Clinical Oncology” 2007, 30(4), s. 437‑439.