Radioaktive decay_2
Der Kern
Als wir am Atom, das aus der Sicht der Quantenmechanik betrachtet, behandelt man den Kern als eine positive Punktladung und konzentrierte sich auf das, was die Elektronen taten. In vielen Fällen, wie zum Beispiel bei chemischen Reaktionen, das ist alles, was zählt; in anderen Fällen, wie Radioaktivität, oder für Kernreaktionen, was im Kern geschieht, ist entscheidend, und die Elektronen können ignoriert werden.
Ein Kern besteht aus einem Bündel von Protonen und Neutronen; diese sind als Nukleonen bekannt. Jeder Kern kann durch zwei Zahlen gekennzeichnet sein: A, das Atommassenzahl, die die Gesamtzahl Nukleonenzahl ist; und Z die Ordnungszahl, die die Anzahl der Protonen. Jeder Kern kann in einer Form wie folgt geschrieben werden:
wo Al ist das Element (Aluminium in diesem Fall), ist die 27 das Atommassenzahl (die Anzahl der Neutronen, plus die Anzahl der Protonen), und die 13 ist, Z die Ordnungszahl, die Anzahl der Protonen.
Wie groß ist ein Kern? Wir wissen, dass Atome sind ein paar Angström, aber die meisten des Atoms ist leerer Raum. Der Kern ist viel kleiner als das Atom, und ist in der Regel ein paar Femtometer. Der Kern kann als eine Reihe von Kugeln betrachtet werden (die Protonen und Neutronen) zu einer Kugel gepackt, mit dem Radius der Kugel etwa ist durch:
Die starke Kernkraft
Was hält den Kern zusammen? Der Kern ist klein, so dass die Protonen sind alle sehr nahe beieinander. Die Gravitationskraft sie zueinander anzieht ist viel kleiner als die elektrische Kraft Abstoßungs sie, so muss es eine andere Kraft sein, um sie zusammenzuhalten. Diese andere Kraft als die starke Kernkraft bekannt; es funktioniert nur bei kleinen Abständen. Die starke Kernkraft ist eine sehr starke Anziehungskraft für durch einige Femtometer getrennt Protonen und Neutronen, ist aber im Grunde vernachlässigbar für größere Entfernungen.
Der Schlepper des Krieges zwischen der Anziehungskraft der starken Kernkraft und der Abstoßungselektrostatische Kraft zwischen Protonen hat interessante Implikationen für die Stabilität eines Kerns. Atome mit sehr niedrigen Atomzahlen haben etwa die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen; wie Z größer wird, wird jedoch stabile Kerne mehr Neutronen als Protonen haben. Schließlich wird ein Punkt, jenseits dessen erreicht es keine stabilen Kerne: Die Wismut-Kern mit 83 Protonen und 126 Neutronen ist der größte stabilen Kern. Nuclei mit mehr als 83 Protonen sind alle instabil und wird schließlich brechen in kleinere Stücke; dies wird als Radioaktivität bekannt.
Kernbindungsenergie und der Massendefekt
Ein Neutron hat eine etwas größere Masse als das Proton. Diese werden häufig in Form einer Atommasseneinheit gegeben, wo eine Atommasseneinheit (U) ist definiert als 1/12 der Masse eines Kohlenstoff-12-Atom.
Etwas sollten Sie wahrscheinlich schlagen ein wenig seltsam hier zu sein. Die Kohlenstoff-12-Atom hat eine Masse von 12.000 u, und doch enthält es 12 Objekte (6 Protonen und Neutronen 6), die jeweils eine Masse von mehr als 1.000 U. Tatsache ist, dass diese sechs Protonen und sechs Neutronen haben eine größere Masse, wenn sie als getrennt sind, wenn sie zusammen in einen Kohlenstoff-12-Kern gebunden sind.
Dies gilt für alle Kerne, dass die Masse des Kerns ist ein wenig kleiner als die Masse der einzelnen Neutronen und Protonen. Diese fehlende Masse wird als Massendefekt bekannt und ist im wesentlichen die äquivalente Masse der Bindungsenergie.
Einsteins berühmte Gleichung bezieht Energie und Masse:
Wenn Sie etwas Masse in Energie, Einstein-Gleichung umwandeln sagt Ihnen, wie viel Energie Sie bekommen. In jedem Kern gibt es einige Bindungsenergie, die Energie, die Sie in setzen müssen, würden den Kern in einzelne Protonen und Neutronen zu spalten. Um die Bindungsenergie zu finden, dann alles, was Sie tun müssen, ist die Masse der einzelnen Protonen und Neutronen zu addieren und die Masse des Kerns subtrahieren:
Die Bindungsenergie ist dann:
In einem typischen Kern ist die Bindungsenergie in MeV gemessen, wesentlich größer als die wenigen eV mit der Bindungsenergie der Elektronen im Atom verbunden. Kernreaktionen beinhalten Veränderungen in der Kernbindungsenergie, weshalb Kernreaktionen geben Sie viel mehr Energie als chemische Reaktionen; diejenigen beinhalten Veränderungen in der Elektronenbindungsenergien.
Das Verfahren einem Element zum anderen der Umwandlung wird als Transmutations bekannt.
Alpha-Teilchen weit in Luft nicht reisen, bevor absorbiert zu werden; dies macht sie für den Einsatz in Rauchmeldern sehr sicher, einen gemeinsamen Haushalt Element.
In Bezug auf die Sicherheit, sind Beta-Teilchen viel durchdringender als Alpha-Teilchen, aber viel weniger als Gamma-Teilchen.
Wenn ein Elektron Ebenen verändert, beteiligt die Energie ist in der Regel ein paar eV, so wird ein sichtbares oder ultraviolettes Photon emittiert. Im Kern sind die Energiedifferenzen zwischen den Ebenen viel größer, in der Regel ein paar hundert keV, so emittieren das Photon ist ein Gammastrahl.
Gammastrahlen sind sehr durchdringt; sie können am effizientesten durch eine relativ dicke Schicht aus Material hoher Dichte wie Blei absorbiert werden.
Eine Liste der bekannten Kerns und die Eigenschaften in der Tabelle des Nuklide am Brookhaven National Laboratory zu finden.