Warum übertragen einige Gase Radioaktivität und andere nicht?

Helium ist chemisch inert, weil es eine „gefüllte Valenzschale“ aus Elektronen hat, die sehr stabil ist; es ist äußerst schwierig, diese Struktur zu ändern, da dies viel Energie erfordert und ein System erzeugt, das unter normalen Bedingungen wahrscheinlich schnell in seinen Grundzustand zurückkehrt.

Der Helium-4-Kern befindet sich in einer sehr ähnlichen Situation: Er hat gewissermaßen „gefüllte Hüllen“ aus Protonen und Neutronen. Im Vergleich zu seinen Nachbarn auf der Nuklearkarte ist es eine der stabilsten Nuklearkonfigurationen, die wir gemessen haben. Es ist schwierig, diese Kernstruktur in irgendeiner Weise zu verändern, daher ist es unwahrscheinlich, dass Helium-4 überhaupt radioaktiv wird, und die Konfigurationen, die dabei entstehen, sind so instabil, dass sie fast sofort zerfallen. Neutroneneinfang (bei weitem die Hauptursache für sekundäre Radioaktivität) erzeugt Helium-5, das mit einer Halbwertszeit von zerfällt$7\times 10^{-22}$Sekunden, also existiert es kaum noch und wird sicherlich nicht außerhalb des Reaktors gefunden werden. Es ist auch im Grunde unmöglich, den Helium-4-Kern mit Gammastrahlung aus einem Spaltreaktor auf ein höheres Energieniveau anzuregen, da das nächste Energieniveau 20 MeV über dem Grundzustand liegt (als Referenz haben die meisten Schritte der Uran-Zerfallskette). eine freigesetzte Gesamtenergie von nur 4-7 MeV). Man kann also mit Sicherheit sagen, dass Helium-4 radiologisch inert ist.

Der Begriff "Leitung" bezieht sich wahrscheinlich* auf folgenden Prozess: Ein radioaktiver Kern, der dazu prädisponiert ist, Neutronen zu emittieren, zerfällt, und die emittierten Neutronen werden von einem anderen Kern eingefangen, was ihn instabil und daher radioaktiv machen könnte. Was in diesem Sinne bestimmt, wie leicht eine Substanz Radioaktivität „leitet“, ist ihre Bereitschaft, Neutronen einzufangen (auch als Neutroneneinfangquerschnitt bekannt ), was stark von der spezifischen Kernstruktur abhängt. (Es gibt andere Möglichkeiten, Radioaktivität zu induzieren, wie den Beta-Zerfall eines Kerns, gefolgt von einem Elektroneneinfang durch einen anderen, oder die Emission und Absorption von Gammastrahlen, aber die für diese Prozesse erforderlichen Bedingungen sind seltener.)

Für andere radiologisch inerte Substanzen könnte man nach anderen Kernen suchen, die "gefüllte Hüllen" aus Protonen und Neutronen haben. In der Kernstruktur werden diese als "doppelt magische" Kerne bezeichnet (mit einer "magischen" Anzahl von Protonen und einer "magischen" Anzahl von Neutronen) und haben tatsächlich einen Ruf für Stabilität, obwohl keiner so stabil ist wie Helium-4 . Zu den doppelt magischen Kernen gehören Sauerstoff-16, Kalzium-40 und Eisen-56.

*Lassen Sie mich betonen, dass „Leitung“ eine höchst unübliche Terminologie ist; der Begriff für den Prozess, den ich hier beschreibe, ist "induzierte Radioaktivität".

Ein stabiles Atom in unmittelbarer Nähe eines Spaltreaktors kann radioaktiv werden, wenn sein Kern ein energiereiches Teilchen absorbiert. Das dominierende energetische Teilchen, das durch die Spaltungsreaktion erzeugt wird, ist das Neutron.

Wenn ein Neutron auf einen Kern trifft, kann es einfach von ihm abprallen und dem Atom etwas kinetische Energie verleihen. Dies kann zu strukturellen Defekten in Feststoffen führen und ist ein wichtiges Problem bei der Reaktorkonstruktion, da zu viele solcher Defekte die Materialien, aus denen der Reaktor besteht, ernsthaft schwächen können. Aber das ist natürlich kein Problem für Gase oder Flüssigkeiten, die Energie erhöht lediglich ihre Temperatur.

Wenn das Neutron nicht abprallt, sondern vom Kern absorbiert wird, wird das Atom in ein schwereres Isotop desselben Elements umgewandelt. In manchen Fällen ist das neue Isotop auch stabil, in anderen Fällen aber instabil, also radioaktiv. Für Atome mit einer kleinen Ordnungszahl (Z, die Anzahl der Protonen im Kern) haben die stabilsten Kombinationen eine gleiche (oder fast gleiche) Anzahl von Protonen und Neutronen. Weicht das Proton : Neutron-Verhältnis davon ab, kommt es zu Reaktionen, um ein stabileres Verhältnis zu erreichen.

Wenn ein normaler$^4He$Kern schafft es, ein Neutron zu absorbieren, in das er sich umwandelt$^5He$. Die Wahrscheinlichkeit, dass dies passiert, ist sehr gering, aber selbst wenn es passiert, gibt es keinen Grund zur Sorge$^5He$ist sehr instabil: es zerfällt wieder in$^4He$, mit einer Halbwertszeit von ca$7\times 10^{-22}$Sekunden, wobei (natürlich) ein Neutron emittiert wird. Das Endergebnis ist also praktisch nicht von dem Neutron zu unterscheiden, das einfach am Kern gestreut wird.

Freie Neutronen selbst haben eine Halbwertszeit von etwa 10,3 Minuten und zerfallen in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino, daher ist es möglich, dass unser Heliumkern von einem Proton getroffen wird. Aber es ist viel schwieriger für ein Proton, von einem Kern absorbiert zu werden, weil sich die positiven Ladungen gegenseitig abstoßen. Normalerweise ist eine enorme Energie (hohe Temperatur) erforderlich, damit solche Kernfusionsreaktionen auftreten. Und selbst wenn durch ein Wunder ein Proton von a absorbiert wird$^4He$, das Ergebnis ist sehr instabil$^5Li$, das eine noch kürzere Halbwertszeit hat als$^5He$, und das zerfällt, indem es (Sie haben es erraten) ein Proton emittiert und zu zurückkehrt$^4He$.

Es gibt tatsächlich ein weiteres stabiles Heliumisotop,$^3He$, aber es ist sehr selten, und wenn es ein Neutron absorbiert, wird es natürlich normal$^4He$.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Helium, wenn es sich in einem Spaltreaktor befindet, nicht radioaktiv werden kann, sondern nur erwärmt wird, was es als Kühlmittel sehr nützlich macht.

Elemente "leiten" keine Radioaktivität. Einige können in radioaktive Isotope desselben Elements oder in neue radioaktive Elemente umgewandelt werden, wenn sie intensiver Strahlung durch Neutronen ausgesetzt werden. Helium ist zufällig resistent gegen Transmutation und wird daher bei Bestrahlung nicht radioaktiv.