Was verursacht Radioaktivität? Ist es ein quantenmechanischer Effekt?

Radioaktivität ist das Ergebnis eines Zusammenflusses von spezieller Relativitätstheorie und Quantenmechanik.

Die spezielle Relativitätstheorie führt die verallgemeinerte Energie ein,$E=mc^2$, die es der Energieerhaltung erlaubt, die Ruhemassen der Teilchen, aus denen ein Kern besteht, in der Summe zu zählen. In dieser relativistischen Energieerhaltung finden wir einige Kernisotope, die auf einem höheren Energieniveau liegen als eine mögliche Reorganisation der Bestandteile.

Auch in der klassischen Physik, wenn es einen niedrigeren Energiezustand für ein System gibt, ist es metastabil , das System wird am Ende bei der niedrigsten Energie landen. Bei der Arbeit an Dimensionen des Kerns muss die Quantenmechanik verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeiten für den Übergang in den niedrigeren Energiezustand abzuschätzen. Außerdem müssen die geöffneten niedrigeren Energiekanäle die Quantenzahlen des Systems erhalten.

Die Zerfälle können Alpha, Beta oder Gamma (Photonen) sein, abhängig von der Art des Kerns und der Art der Bindung und der Quantenzahlen der Energiezustände.

Alpha ist möglich, weil es ein fest gebundener Kern ist und die Aufspaltung in ein Alpha und den Rest eine gute Wahrscheinlichkeit hat, solange das Energieniveau höher ist als das Energieniveau der Endzustände des Kerns. Der Überschuss geht in kinetische Energie über.

Beta kommt von Kernen, die entweder eine hohe Neutronenzahl oder eine hohe Protonenzahl haben. Die Abstoßung von zu vielen Protonen macht den niedrigeren Energiezustand günstiger, und die Zerfallsmöglichkeiten von zu vielen Neutronen lassen eine Wahrscheinlichkeit des Neutronenzerfalls zu, um die Protonenzahlen zu erhöhen. Die Lebensdauern im Allgemeinen sind mit der aus den quantenmechanischen Modellen berechneten Wahrscheinlichkeit verbunden.

Gamma ist einfacher und kommt, weil ein Kern in einem angeregten Zustand gefunden wurde (normalerweise, weil es ein Fragment aus einem anderen Zerfall ist) und in einen niedrigeren Energiezustand übergeht, der ein Gamma emittiert.

Die meisten Isotope wurden untersucht und ihre Lebensdauer stimmt mit quantenmechanischen Nuklearmodellen überein

Sie stellen viele Fragen in einer, alle haben ihre eigene Antwort.

• Nur zur Verdeutlichung, nuklearer Zerfall und nukleare Reaktion sind zwei völlig getrennte und unterschiedliche Dinge. Radioaktivität tritt auf natürliche Weise spontan auf. Sie müssen sitzen und warten, bis der Kern zerfällt. Eine Kernreaktion wird erzwungen, was man zum Beispiel dadurch erreicht, dass man einen Teilchenstrahl auf ein Ziel schießt. Ich werde die Radioaktivität erklären, weil Kernreaktionen etwas Weites und Riesiges sind.

Ja, alles wird "quantenhaft", wenn Sie in sehr kleine Kontexte gehen (mikroskopische Kontexte wie Atome, Kerne, Teilchen usw.).

Nukleonen innerhalb des Kerns (dh Protonen und Neutronen) sind gebundene Teilchen (begrenzt durch das Kernpotential), die in Quantenhüllen organisiert sind , auf ähnliche (aber nicht gleiche) Weise, wie sich die Elektronen innerhalb eines Atoms organisieren. Nukleonen werden durch Quantenwellenfunktionen und ihre zugehörigen Quantenzahlen (Energie, Spin, Kern- und Teilchendrehmomente usw.) gut beschrieben. Die Energien, die diese Hüllen trennen, sind quantisiert , was bedeutet, dass Sie sich nur durch Hüllen (oder Energieniveaus) bewegen können, indem Sie Energie (oder Partikel) in diskreten Werten absorbieren oder ausstrahlen. In einigen Zusammenhängen kann man ein Teilchen als eine Form diskreter Energie sehen, das häufigste Beispiel ist das Photon (Teilchen) = Gammastrahl (Energie). Bei Kernzerfällen tritt immer eine gewisse Gammaemission auf (es sei denn, Sie zerfallen direkt in den niedrigeren Zustand des Tochterkerns). Diese Energien sind im Allgemeinen Lösungen des Hamilton-Operators des Systems, wenn Sie den Hamilton-Operator überhaupt lösen können, was insbesondere für exotische und unbekannte Kerne kein einfaches Problem ist.

Diese Energiewerte, die Schalen trennen, sind für dieselben Schalen in verschiedenen Kernen nicht gleich, denn wenn Sie beginnen, Nukleonen hinzuzufügen und zu entfernen, ändern sich die Wechselwirkungen zwischen ihnen, und das beeinflusst das Kernpotential, was wiederum die Energietrennung der Ebenen beeinflusst ( die Position, wo die Schalen liegen, um es in einer "menschlichen" Sprache zu sagen, die nach oben oder unten geschoben werden). Wenn die Energietrennung zwischen den Schalen zunimmt, kann dies ein Zeichen für eine höhere Stabilität sein (weil Sie mehr Energie benötigen, um sich von einer Schale zur nächsten zu bewegen), während es bei kurzen Energietrennungen so einfach ist, auf die nächste Energiestufe zu springen.

Radioaktivität wird verursacht, weil der Kern instabil wird . Es gibt viele Gründe, warum der Kern instabil werden kann, und er wird versuchen, diese Instabilität zu beseitigen und den niedrigsten Energiezustand des Systems zu erreichen (in diesem Fall ist das System der Kern), wie alles in der Natur.

Das übliche Szenario ist: Sie haben einen instabilen Elternkern, der zerfällt. Je nach Fall gibt es einige Partikel ab.

Ein Teil der beim Zerfall freigesetzten Energie wird von den Resten des Zerfalls als kinetische Energie verwendet, ein Teil der Energie kann jedoch als Anregungsenergie im Tochterkern gespeichert werden. Da die Nukleonen im Tochterkern auf eine bestimmte Weise nach Schalen, Quantenzahlen, Energien usw. organisiert sind, hat dieser Kern eine Reihe von Energieniveaus, die wie ein Fußabdruck sind, und die Nukleonen dieses Kerns werden befördert höhere Energieniveaus unter Verwendung der oben erwähnten Anregungsenergie.

Ein Bild sagt mehr als tausend Worte, also überprüfen Sie bitte dieses Diagramm einer bekannten radioaktiven Referenzquelle, ⁶⁰ Co, wo Sie sehen können, wie das Ausgangsmaterial ( ⁶⁰ Co) in Ni zerfällt, und Ni hat eine Reihe von Anregungspegeln, wo Sie können enden, wenn Sie aus ⁶⁰ Co kommen (das vollständige Ebenenschema ist viel komplexer, aber wenn Sie aus einem Zerfall kommen, können Sie nur auf bestimmte Energieebenen zugreifen oder diese "bevölkern", während andere durch die Gesetze der Quantenphysik verboten sind).

^{Bildquelle: National Nuclear Data Center}

Wenn sich der Tochterkern in einem angeregten Zustand befindet (einer liegt bei 1332 keV und der andere bei 2158 keV), versucht er, die Instabilität zu beseitigen, indem er Teilchen emittiert, in diesem Fall Gammastrahlen mit präzisen (quantisierten ) Energien (826 keV, 2158 keV und 1332 keV). Dies ist der Fußabdruck von Ni für diesen Zerfall.

Instabilitäten im Kern können durch das Ungleichgewicht zwischen der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen erzeugt werden. Da sich die Protonen gegenseitig abstoßen, da sie die gleiche Ladung haben, müssen Sie, wenn Sie riesige Kerne mit einer großen Menge an Protonen haben, die Menge an Neutronen erhöhen, um dem System mehr Kernpotential hinzuzufügen und es begrenzt zu halten. Deshalb haben leichte Kerne die gleiche Menge an Neutronen wie Protonen, aber schwere Kerne haben einige Protonen und ein paar Neutronen. Einige der Experimente, die Forscher durchführen, bestehen darin, dieses Gleichgewicht zu verändern, indem sie Partikel hinzufügen oder entfernen. Wenn Sie anfangen, Protonen hinzuzufügen oder Neutronen aus einem Kern zu entfernen, wird die Coulomb-Abstoßung ihn instabil machen und er beginnt zu zerfallen, Protonen, Neutronen, Elektronen, Positronen zu spucken, was immer er loswerden muss. Aber die interessante Tatsache ist, dass, wenn Sie dem System Neutronen hinzufügen, es auch instabil wird!Die Grenze, bis zu der Sie einem Kern Protonen oder Neutronen hinzufügen können, bis er aufhört, stabil zu sein und zu zerfallen beginnt, wobei Nukleonen des gleichen Typs emittiert werden, den Sie hinzufügen, wird als "Protonen- und Neutronen-Tropflinie" bezeichnet .

Im vorherigen Beispiel hat ⁶⁰ Co 27 Protonen und 33 Neutronen, diese 33 Neutronen machen den Kern instabil, also wird er eines von ihnen durch den Beta-Minus-Zerfall los, bei dem ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und zerfällt ein Elektron-Antineutrino:

Der resultierende Tochterkern mit 28 Protonen und 32 Neutronen ist ⁶⁰ Ni. Ein Teil der verfügbaren Endenergie wird als kinetische Energie von Elektron und Antineutrino geteilt, und ein Teil der Energie wird verwendet, um das Ni anzuregen, das schließlich einen Gamma-Zerfall erfährt. Wenn diese Konfiguration von 28 Protonen und 32 Neutronen immer noch instabil war, findet das Ni einen Weg zum Zerfall, und Sie haben möglicherweise eine zerfallende Kette wie die von Thorium, Radium usw.

Alpha-, Beta- und Gamma-Zerfälle sind nur eine Möglichkeit, diese Instabilität zu beseitigen, und sie sind keineswegs die einzigen Zerfallsarten im Universum. Es gibt viele exotische Zerfallsmodi, wenn Sie exotische Kerne in einem Beschleuniger produzieren (oder in einem Stern, wo sie täglich produziert werden). Protonenemission, Neutronenemission, Spaltung, doppelter Beta-Zerfall, Zwei-Protonen-Zerfall, Clusterbildung, Halo-Kerne sind nur einige der Möglichkeiten, wie ein Kern mit diesen instabilen Situationen umgeht. Der stattfindende Zerfallsmodus hängt von einer Reihe von Dingen ab, Energie, Anzahl der Nukleonen, Spins usw. Sogar die Temperatur kann eine Rolle spielen (bei Sternen kann ich zum Beispiel an den CNO-Zyklus denken). Die verschiedenen Zerfallsmodi können dies tun auch miteinander konkurrieren (z. B. Alpha und Beta, Beta- und Partikelemission usw.).

Das Kernpotential beschreibt diese Verhaltensweisen. Wir sind jedoch weit davon entfernt, ein einheitliches Nuklearmodell oder eine Theorie zu haben . Was wir heute haben, ist ein Modell, das stabile Kerne und ihre Isotope (die Sie im Periodensystem der Elemente finden) beschreibt. Sie sind seit langem untersucht und gut verstanden. Das Flüssigkeitstropfenmodell und das Schalenmodell sind zwei der ersten Versuche zu erklären, was im Kern passiert. Überprüfen Sie zum Beispiel die halbempirische Massenformel, die nicht nur Quanteneffekte, sondern auch Coulomb-Effekte berücksichtigt, die durch die Tatsache entstehen, dass Protonen geladene Teilchen sind.

Ein Beispiel für einige nukleare Ebenen mit zugewiesenen Spins und Paritäten. Das Schwierige ist, zu berechnen, wo diese Niveaus in Bezug auf Energie positioniert sind und welche Werte für ihre Spins und Paritäten usw. gelten. Dies ist das Problem, das Quantenberechnungen zu lösen versuchen, wenn sie versuchen, ein einheitliches Kernpotentialmodell zu finden, das erklärt, was wir sehen in den Daten. (Bildquelle: Evidence for a spin-aligned neutron-proton paired phase from the level structure of ⁹² Pd, B. Cederwall et al., Nature 469 , 68 (2011) , arXiv:1101.2187 .)

Aber was passiert, wenn Sie außerhalb dieser stabilen Kernregion suchen? Wir wissen es nicht. Das Schalenmodell gilt nicht mehr, neue Schalen erscheinen, neue Konfigurationen . Sie alle werden von Quantenmechanik und Spins und Energien und Wellenfunktionen und dergleichen beherrscht. Wir haben kein nukleares Potentialmodell gefunden, das jeden radioaktiven Zerfall in irgendeiner Region der nuklearen Karte erklärt . In dieser aktualisierten Kernkarte finden Sie alle bisher bekannten exotischen Kerne:

http://www.nndc.bnl.gov/chart/

Man hat sogar versucht, das Kernpotential durch Quarks zu erklären, und ist gescheitert. Da der Kern ein Vielteilchensystem ist, ist die Lösung ein kompliziertes Problem . In der Teilchenphysik sagt Ihnen die Theorie, wo Sie messen müssen, um ein neues Teilchen zu finden. In der Kernphysik muss man zuerst messen und dann versuchen, eine Theorie zu finden, die die Daten erklärt. Es ist ein phänomenologisches Feld.

Die Alpha-Emission

Wie ich oben sagte, wird die Position der Energieniveaus im Kern und in den Schalen auch von einer anderen Kraft beeinflusst: der Coulomb-Kraft, weil Sie ein geladenes Teilchen haben: das Proton, und Sie werden eine abstoßende Kraft haben, die der Kernkraft entgegenwirkt der die Protonen zusammenbringen will . Die Geschichte des Kerns ist die Geschichte dieser beiden Kräfte, die gegeneinander wirken und am Ende ein Gleichgewicht finden. Je schwerer der Kern ist, desto mehr Protonen hat er und je größer die Coulomb-Kraft ist, desto größer ist auch die Abstoßung . Wenn$Z$die Anzahl der Protonen ist, nimmt Coulomb zu$Z^2$, während das Kernpotential zunimmt$Z$(überprüfen Sie die Weizsäcker-Massenformel, die Erklärung für jeden Begriff darin gibt Ihnen einen Einblick, was im Kern vor sich geht).

Da ein Alpha-Teilchen aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, ist die Kernkraft stärker als die Coulomb-Abstoßung, damit diese beiden Protonen zusammenkommen und einen Alpha-Kern bilden, also ist es eine sehr enge und gebundene Struktur. Seine Emission ist spontan, da es das Zerfallsprodukt ist, das das Verhältnis von leichter Masse zu freigesetzter Energie hat (seine Masse ist sehr klein im Vergleich zur Summe der Masse seiner Bestandteile). Wenn Sie sich ein Diagramm der Anzahl der Nukleonen gegen die Bindungsenergie ansehen, hat der Heliumkern eines der höchsten Verhältnisse und ist auch ein extrem stabiles Atom in der Welt der Atome.

Coulomb erzwingt eine Energiebarriere, eine Energiewand, die das Alpha-Teilchen durchqueren muss, um dem Kern zu entkommen. Beim Alpha-Zerfall geschieht dies dank des Tunneleffekts (Suche nach Quantentunneln in der Wikipedia) . Das Alphateilchen hat dann eine Quantenwahrscheinlichkeit, den Tunnel zu durchqueren und emittiert zu werden. Meiner Meinung nach ist das Buch, das diesen Zerfall am besten erklärt, "Introductory Nuclear Physics" von Kenneth S. Krane, ungefähr Seite 251 . Die Diskussion dort ist sehr interessant zu lesen.

Sie müssen den Zerfall nicht als quantenmechanisches (QM) Phänomen betrachten. Betrachten Sie es als eine Kernreaktion, die spontan auftritt. In der Chemie gibt es ähnliche Reaktionen wie den Ozonzerfall.

Moderne QM kann Zerfallswahrscheinlichkeiten und Halbwertszeiten nicht berechnen, sie werden nur experimentell gemessen. Prinzipiell ist es möglich, Kerne im Computer in QM-basierter virtueller Realität zu modellieren, aber heutige Computer sind dafür nicht leistungsfähig genug. Dies liegt daran, dass der Kern durch eine starke Kraft geklebt wird, die aus vielen virtuellen Gluonen besteht, was schwer genau zu modellieren ist.

Die Kernreaktionen werden von der Bindungsenergie und dem Gesetz der Entropie (dem Gesetz des Energieminimums) geleitet.

Genau wie chemische Reaktionen.

Die Bindungsenergie ist die Energie, die aufgewendet werden muss, um ein gebundenes Objekt vollständig zu zerstören, dh alle seine Teile ins Unendliche zu bringen.

Das Entropiegesetz besagt, dass sich Energie verflüchtigen will.

Da viele Kerne eine gewisse Bindungsenergie haben, bedeutet dies, dass Nukleonen binden wollen. Weil sie gebunden sind, lassen sie mehr Energie abfließen.

Unten ist das Diagramm der Bindungsenergie stabiler Kerne

Niemand weiß, warum diese Handlung so aussieht. Wenn man weiß, bekommt man einen Nobelpreis.

Je höher das Grundstück, desto "profitabler" Kern beschreibt es.

Die bindendste Energie ist die Energie des Eisens.

Niemand weiß warum. Wenn man weiß, bekommt er/sie einen Nobelpreis :)

Das bedeutet, dass alle Kerne Eisen sein wollen. Aus diesem Grund neigen alle Voreisenkerne zur Fusion und alle Nacheisenkerne zur Spaltung.

Beachten Sie auch die Spitze des Alpha-Teilchens (He4). Aus diesem Grund ist die Emission von Alphateilchen die "beliebteste" Reaktion. Emission von C12 oder O16 offenbar nicht möglich.

Niemand weiß, warum Alphateilchen eine so hohe Bindungsenergie haben. Wenn man weiß, bekommt er/sie einen Nobelpreis :)