Warum geben einige Kerne grundsätzlich ionisierende Strahlung ab?

Alle Elemente oberhalb von Eisen entstehen, wenn ein Stern unter seiner eigenen Schwerkraft in Form einer Supernova implodiert. Diese schweren Elemente werden bei diesem Prozess in den Weltraum geschleudert und bilden später Teile von Planeten wie der Erde. Dies schließt all ihre verschiedenen radioaktiven Isotope ein.

Von dem Moment an, in dem das instabile Isotop entsteht, möchte es radioaktiv zerfallen, um eine stabilere Konfiguration zu erreichen. Dies wird so lange geschehen, bis das Atom einen Zustand erreicht, der eine extrem lange Halbwertszeit hat (z$\text{Pb}^{82}$). Die drei wichtigsten Wege, auf denen ein Atom zerfallen kann, sind wie folgt:

1)$\alpha$-Zerfall: Ausstoß von Helium$(\text{He}^{2+})$Ion

2)$\beta^-$-Zerfall: Ausstoß von Elektron$(\text{e}^{-}) \text{ and anti-neutrino}(\bar v_e)$

3)$\beta^+$-Zerfall: Ausstoß von Positronen$(\text{e}^{+}) \text{ and neutrino} (v_e)$

Diese drei beeinflussen die Atom- und Massenzahl auf unterschiedliche Weise, worüber Sie hier mehr lesen können . Jeder radioaktive Zerfall folgt einer Kinetik erster Ordnung. Der$\gamma$-Strahlen freigesetzt wird, ist nur der Massenunterschied zwischen den beiden Atomen. Dies geschieht nach Einsteins berühmter Gleichung$E=\Delta mc^2$. Dies sind nur die Grundlagen, die zum Verständnis genügen sollten.

Zum grundlegenden theoretischen Rahmen:
In akzeptabler Näherung kann man sich die gesamte innere Energie des Kerns als aus zwei Kräften stammend vorstellen: der starken Kernkraft und der elektrostatischen Kraft .

Die Protonen im Kern stoßen sich alle ab, da sie alle positiv geladen sind; Es ist die starke Kernkraft, die den Kern zusammenhält. Die Reichweite der starken Kernkraft ist begrenzt. Bei einem großen Kern erstreckt sich die starke Kernkraft nicht von einer Seite des Kerns zur anderen. Aus diesem Grund gibt es für Kerne, die schwerer sind als Bleikerne, kein stabiles Isotop.

Der Wikipedia-Artikel über radioaktiven Zerfall enthält auch das Diagramm mit der Isotopentabelle

Für die leichtesten Elemente gibt es eine entsprechende Anzahl von Neutronen und Protonen im Kern. Je höher die Ordnungszahl, desto mehr Neutronen gibt es im Verhältnis zu den Protonen. Die Neutronen tragen zum Gesamtbetrag der starken Kernkraft bei, die den Kern zusammenhält, aber nicht zur elektrostatischen Kraft, wodurch die Stabilität des Kerns unterstützt wird.

Für jede Ordnungszahl gibt es ein optimales Verhältnis von Neutronen zu Protonen. Für ein Isotop mit diesem optimalen Verhältnis ist kein Zerfallsmodus verfügbar: Alle Zustände, die durch einen der Zerfallsmodi erreicht werden können, haben einen höheren Energiezustand als den, in dem sich dieser Kern bereits befindet.

Es gibt ein sehr interessantes Video über den nuklearen Zerfall des Wissenschaftsyoutubers Scott Manley. (Die Zielgruppe sind Anfänger, wobei Scott häufig die Warnung „Das ist natürlich eine grobe Vereinfachung.“ ausspricht.)

Die natürliche Frage ist: Nun, wenn ein Zerfallsmodus verfügbar ist, warum haben viele Isotope eine so lange Halbwertszeit?

Scott Manley gibt ein Beispiel, bei dem der einzige verfügbare Zerfallsmodus erfordert, dass zwei Beta-Zerfälle gleichzeitig stattfinden (oder zumindest innerhalb eines ausreichend kurzen Zeitfensters). Das führt zu einer viel geringeren Wahrscheinlichkeit, dass dieser Zerfall auftritt.

Jeder radioaktive Zerfall muss einen Energieberg überwinden. Die übliche Bildsprache ist eine Murmel auf einem Felsvorsprung mit Rand neben einem langen steilen Abhang. Wenn die Murmel es über den Rand schaffen kann, kann sie ganz nach unten rollen, aber zuerst muss die Murmel es über diesen Rand schaffen.

Für den Kern eines Isotops mit langer Halbwertszeit: Wenn genügend Zeit gegeben ist, wird irgendwann ein Teil des Kerns die Energie haben, es über den Buckel zu schaffen. Die Wahrscheinlichkeit, es über den Buckel zu schaffen, ist nie Null, aber je höher der anfängliche Buckel ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit.

In Anerkennung des Kommentars von PM 2ring habe ich die beiden obigen Absätze gestrichen. Falsches Bild, selbst bei grober Vereinfachung .

Neuer Versuch: Decay Mode ist kein einzelner Prozess, sondern ein komplexer Prozess. Es ist so kompliziert, dass die Wahrscheinlichkeit, dass überhaupt ein Zerfall auftritt, unter bestimmten Umständen sehr gering sein kann.

Ich möchte Ihre Frage korrigieren: Sie haben das gesagt$\alpha$Und$\beta$Strahlung sind innerhalb des Kerns "beobachtbar". Wenn ich Sie richtig verstanden habe, meinen Sie, dass diese Teilchen vor dem Zerfall Teil des Kerns waren. Für$\alpha$Teilchen ist es richtig, aber überhaupt nicht für$\beta$:

Der Kern besteht aus Protonen und Neutronen, also nur aus Quarks (den Teilchen, aus denen sie bestehen), während ein Betateilchen ein Elektron oder ein Positron ist, das kein Quark ist (technisch gesehen ist es eine Art Lepton). Das heißt, das Beta-Teilchen konnte vor dem Zerfall nicht im Kern beobachtet werden, weil es überhaupt nicht da war!

Um zu verstehen, was vor sich geht, müssen Sie die Natur von verstehen$\beta$Zerfall (der "die schwache Kraft" genannt wird). Es ist ziemlich komplex, aber für den Anfang sollten Sie zwei wichtige Quarks kennen: das Up-Quark (nennen wir es 'u') und die Down-Quarks ('d'). Das u-Quark hat eine elektrische Ladung von$+\frac{2}{3} e$und das d-Quark hat eine Ladung von$-\frac13 e$(Wo$-e$ist die Ladung eines Elektrons, und$e$ist die Ladung des Protons). Ein Proton besteht nur aus 2 Up-Quarks und einem Down-Quark, also ist die Gesamtladung gleich$\frac23 e + \frac23 e - \frac13 e = e$, und ein Neutron ist ein Up-Quark und 2 Down-Quarks, also ist die Gesamtladung$\frac23 e -\frac13 e - \frac13 e=0$(Neutralteilchen).

Beim Beta-Zerfall wird ein Up-Quark zu einem Down-Quark oder umgekehrt (was ein Proton: uud , in ein Neutron: udd , oder umgekehrt „umwandelt“). Beachten Sie jedoch, dass sie unterschiedliche elektrische Ladungen haben. Zur Ladungserhaltung, was in einem Moment ein Down-Quark "beschließt", ein Up-Quark zu werden, erhält er eine elektrische Ladung$e$(gehen von$-\frac13 e$Zu$\frac23 e$), also etwas anderes mit einer Ladung von$-e$muss dazu geschaffen werden: das Elektron! Das heißt, es war erst gar kein Elektron da (die Quarks sind Elementarteilchen, sie bestehen nicht aus Elektronen) und im Moment des Zerfalls war das Beta-Teilchen geboren. Das Betateilchen konnte vor dem Zerfall nicht beobachtet werden, weil es noch nicht existierte.

Diese Antwort beantwortet Ihre Frage nicht, aber sie ist zu lang für einen Kommentar und ich denke, es war eine Diskussion wert. Ich hoffe, es hat ein bisschen geholfen, mehr zu verstehen.

Bleiben wir erstmal bescheiden. Lassen Sie uns zunächst daran denken, dass niemand wirklich die Antwort auf Ihre Frage kennt. Das ist die Natur der wissenschaftlichen Methode:

• Wir beobachten Makrophänomene.
• Wir abstrahieren, was wir sehen.
• Wir denken, "wenn das stimmt, dann ... ist wahr".
• Wir testen die Hochrechnung empirisch.
• Je nach Ergebnis verfeinern wir unsere Abstraktion.

Wir wissen es nie wirklich. Revolutionen in der Physik treten auf, wenn ein fähiger und hinterfragender Mensch denkt, dass es ein Loch im Status quo gibt, und eine Lösung vorschlägt. Er / sie wird entweder durch Experimente als falsch bewiesen oder wird ein Riese, normalerweise posthum.

Erinnern wir uns in diesem Sinne daran, dass die Einteilung der Kräfte in „stark“, „schwach“ und „elektrostatisch“ eine völlig künstliche Abstraktion ist, die sich als nützlich erwiesen hat. Es ist das aktuelle „Standardmodell“ und genau das ist ein Modell. Es gab andere Einsichten, die das Verständnis noch nicht revolutioniert haben.

Insbesondere gibt es Yukawas Idee eines Potentials, das diese drei Kräfte zu einem komplexeren Potential verschmilzt. Der Grund dafür ist, dass die Natur mathematische Singularitäten verabscheut. Daher muss das elektrostatische Potential bei kleinen Radien eine andere Form haben. Yukawa modellierte diese Idee mit einem Zähler, der auf dem inversen Radius auf Null geht, aber für Entfernungen in der Größenordnung eines Kernradius schnell auf Eins geht. Die Steigung mit kleinem Radius ist die „starke“ Kraft, eine Übergangssteigung mit größerem Radius ist die „schwache“ Kraft und die asymptotische Steigung ist das elektrostatische umgekehrte Quadratgesetz (die Kraft ist die räumliche Ableitung oder Steigung des Potentials).

Mit diesem Ansatz erhalten Sie einen tiefen, aber endlichen Brunnen im Zentrum eines Nukleons. Bei dieser Denkweise ist die Hauptursache des radioaktiven Zerfalls ein völlig elektrostatisches Ungleichgewicht. Yukawas Arbeit war natürlich nicht ganz richtig, aber sie bleibt einflussreich. Es gibt viele andere Funktionen, die die wünschenswerten Eigenschaften aufweisen, also haben wir vielleicht einen Fall wie den der historischen Entwicklung der Bose-Einstein-Statistik, die der Schwarzkörperstrahlung zugrunde liegt, wo frühe Versuche, die „Ultraviolett-Katastrophe“ in Einklang zu bringen, nahe, aber nicht ganz waren Rechts.

Im Hinblick auf das offensichtliche Fehlen negativer Ladung im Kern ist es gut zu bedenken, dass ein freies Neutron mit einer Halbwertszeit von etwa 12 Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino zerfällt.

Dies deutet darauf hin, dass ein Neutron polarisiert sein kann, da es in dieser Denkweise irgendwie eine Kombination aus einem Elektron und einem Proton ist. Tatsächlich wurde dies empirisch getestet. Ich erinnere mich, dass ich vor etwa 15 Jahren an einer Präsentation der Ergebnisse eines solchen Tests teilgenommen habe. Zu dieser Zeit widerstand die Polarisierbarkeit eines Neutrons Messversuchen, die eine Auflösung von 10 bis -27 Metern ermöglichten, was darauf hinweist, dass die Bindungskraft dieser bestimmten Kombination sehr „stark“ ist. Ein solcher Test ist „große“ Wissenschaft – er ist sehr teuer.

Geht man von dieser Denkweise aus, dann sind im Kern die Barrieren niedriger und ein Elektron, das ein Proton löst, bindet im stabilen Fall schnell wieder ein anderes. Im instabilen Fall gibt es zu viele Neutronen, daher besteht eine nicht zu vernachlässigende Wahrscheinlichkeit einer Beta-Emission. Im Fall eines großen Kerns mit nicht genügend Neutronen besteht eine nicht zu vernachlässigende Wahrscheinlichkeit, dass ein ganzer Block abbricht, typischerweise eine Alpha-Emission aufgrund der großen Stabilität dieser Konfiguration, aber im Zusammenhang mit einer energetischen Störung, vielleicht einer Spaltung.

Die Überlegung ist, dass ein Elektron in einem Neutron aufgrund der Kurzstreckenform des Potentials mehr als ein Kernproton ausgleichen kann.

Schließlich ist der radioaktive Zerfall nicht auf große Kerne beschränkt. Besorgen Sie sich eine Kopie der Isotopentabelle des Periodensystems und verbringen Sie ein paar Stunden (oder Tage oder Jahre) damit, die Beziehungen zwischen Stabilität, der Neutronen-Tropflinie und der Protonen-Tropflinie zu untersuchen. All diese Komplexität sind empirische Daten und müssen daher als Tatsache akzeptiert werden.

Einige mögen die spekulativen, nicht standardmäßigen Annahmen kritisieren, die dieser Denkweise zugrunde liegen. Ich habe die riesigen Schultern von Yukawa, auf denen ich stehen und helfen kann, etwas davon zu unterdrücken. Es ist notwendig, über den Status quo hinauszudenken. Aber noch notwendiger ist, dass man die qualitativen Ideen auf eine Weise mathematisch quantifizieren muss, die bekannte Empirie vorhersagt. Das ist sehr schwer.

Solche Kühnheit wird zwangsläufig zu Fehlern führen, aber sie kann zu Größe führen. Vielleicht sind Sie stark genug, um Ihre eigene Frage zu Lebzeiten zu beantworten und eine Legende zu werden. Ich weiß, dass ich es nicht bin.

Was andere hier gesagt haben, ist eine Wiederholung des Standardmodells. Was sie gesagt haben, ist nicht falsch, aber es geht auch nicht wirklich auf den Kern Ihrer Frage ein, die in der rohen Neugier und Verwunderung verwurzelt ist, die das Unbekannte und Unerkennbare umgeben. Kudos für den Mut, sich zu wundern!

Mein Lieblingszitat von Albert Einstein ist:

"Es würde genügen, um das Elektron wirklich zu verstehen."

Vielleicht ist die Antwort auf Ihre Frage, das Neutron wirklich zu verstehen, das in dieser Denkweise der grundlegende Mechanismus ist, der den radioaktiven Zerfall steuert.

Ihre Frage befasst sich mit zwei verwandten Konzepten: radioaktiver Zerfall und ionisierende Strahlung . Jedes geladene Teilchen mit Masse kann Atome ionisieren, wenn es genügend kinetische Energie hat, also ist Alpha- und Betastrahlung ionisierend. Auch Gammastrahlung ist ionisierend, da sie aus Photonen besteht, deren Energie wesentlich höher ist als die praktischen Schwellenwerte, die allgemein zwischen 10 und 100 eV liegen . Radioaktiver Zerfall erzeugt also ionisierende Strahlung.

Der radioaktive Zerfall führt jedoch auch zu anderen Effekten wie Neutronenemission und Elektroneneinfang . Ihre Frage scheint sich darauf zu konzentrieren, warum radioaktiver Zerfall auftritt, und nicht auf seine Folgen für andere Materie in der Nähe, z. ob es zu "ionisierender" Strahlung führt oder nicht.

Wie in den anderen Antworten erwähnt, ist radioaktiver Zerfall der spontane Zusammenbruch einer Kernstruktur, die aus komplizierten quantenmechanischen Gründen metastabil ist, die in dieser Frage direkt beantwortet werden . Ein Lehrbuch der Kernphysik wäre wahrscheinlich eine bessere Ressource als Stack Exchange, um dieses Thema zu verstehen.

Um den letzten Teil Ihrer Frage zu beantworten, ein Radioisotop wird "radioaktiv geboren", weil es Teil einer Zerfallskette ist (oder in einer anderen Kernreaktion entstanden ist) und selbst an einem zufälligen Punkt an radioaktivem Zerfall "sterben" wird die Zukunft.