Warum kommt es zu radioaktivem Zerfall?

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

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 ungleich ist. Grundsätzlich gibt es zu viel Energie im Kern, um alle Nukleonen zusammenzuhalten. Der Zustand 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 er schließlich auseinander und verliert mindestens einige der Partikel, die ihn instabil machen. Der ursprüngliche Kern wird als Elternteil bezeichnet, während der entstehende Kern oder die entstehenden Kerne als Tochter oder Töchter bezeichnet werden. Die Töchter könnten immer noch radioaktiv sein und schließlich in weitere Teile zerfallen, oder sie könnten stabil sein.

Drei Arten des radioaktiven Zerfalls

Es gibt drei Formen des radioaktiven Zerfalls: Welche davon ein Atomkern erfährt, hängt von der Art der inneren Instabilität ab. Einige Isotope können auf mehreren Wegen zerfallen.

Alpha-Zerfall

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

Beta-Zerfall

Beim Betazerfall wird ein Elektronenstrom, der Betateilchen genannt wird, aus dem Elternteil ausgestoßen und ein Neutron im Kern wird in ein Proton umgewandelt. Die Massenzahl des neuen Kerns ist die gleiche, aber die Ordnungszahl erhöht sich um eins.

Gamma-Zerfall

Beim Gammazerfall setzt der Atomkern überschüssige Energie in Form von energiereichen Photonen (elektromagnetische Strahlung) frei. Die Ordnungszahl und die Massenzahl bleiben gleich, aber der entstehende 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 sind, die niemals brechen, wie Protium (besteht aus einem Proton, sodass nichts mehr zu verlieren ist) und radioaktive Isotope, wie Tellur -128, das eine Halbwertszeit von 7,7 x 10 hat²⁴ Jahre. Radioisotope mit kurzer Halbwertszeit werden als instabile Radioisotope bezeichnet.

Einige stabile Isotope haben mehr Neutronen als Protonen

Man könnte annehmen, dass ein Kern in stabiler Konfiguration die gleiche Anzahl von Protonen wie Neutronen hat. Für viele leichtere Elemente gilt dies. Zum Beispiel wird Kohlenstoff üblicherweise mit 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 ebenfalls sechs Protonen, aber sieben Neutronen. Kohlenstoff-13 ist auch 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 immer stabiler. Dies liegt daran, dass die Nukleonen (Protonen und Neutronen) nicht im Kern fixiert sind, sondern sich bewegen, und die Protonen stoßen sich gegenseitig ab, weil sie alle eine positive elektrische Ladung tragen. Die Neutronen dieses größeren Kerns schützen die Protonen vor gegenseitigen Einflüssen.

Das N: Z-Verhältnis und die magischen Zahlen

Das Verhältnis von Neutronen zu Protonen oder N: Z-Verhältnis ist der Hauptfaktor, der bestimmt, ob ein Atomkern stabil ist oder nicht. Leichtere Elemente (z < 20) prefer to have the same number of protons and neutrons or N:Z = 1. Heavier elements (Z = 20 to 83) prefer an N:Z ratio of 1.5 because more neutrons are needed to insulate against the repulsive force between the protons.

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 der Neutronen diese Werte haben, spricht man von doppelten magischen Zahlen. Sie können sich das als den Kern vorstellen, der der Oktettregel für die Stabilität der Elektronenhülle entspricht. Die magischen Zahlen sind für Protonen und Neutronen leicht unterschiedlich:

• 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-Werten (162 Isotope) als geraden bis ungeraden (53 Isotope) und ungeraden bis geraden Werten (50) als ungeraden bis ungeraden Werten (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 Vorhersagen über das Verhalten eines Kerns oder einiger Kerne zu treffen.

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