Phóng xạ

Phân rã alpha là một loại phân rã phóng xạ, trong đó hạt nhân nguyên tử phát ra một hạt alpha, và do đó biến đổi (hay "phân rã") thành một nguyên tử có số khối giảm 4 và số nguyên tử giảm đi 2.
Phóng xạ hay phóng xạ hạt nhân là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ). Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, còn các nguyên tử không phóng xạ gọi là các đồng vị bền. Các nguyên tố hóa học chỉ gồm các đồng vị phóng xạ (không có đồng vị bền) gọi là nguyên tố phóng xạ. Một vật chất chứa các hạt nhân không bền được coi là chất phóng xạ. Ba trong số các loại phân rã phổ biến nhất là phân rã alpha, phân rã beta và phân rã gamma, tất cả đều liên quan đến việc phát ra một hoặc nhiều hạt hoặc photon. Lực yếu là cơ chế gây ra phân rã beta.
Phân rã phóng xạ là một quá trình ngẫu nhiên ở cấp độ các nguyên tử đơn lẻ. Theo lý thuyết lượng tử, không thể dự đoán khi nào một nguyên tử cụ thể sẽ phân rã, bất kể nguyên tử đó đã tồn tại bao lâu. Tuy nhiên, đối với một số lượng đáng kể các nguyên tử giống hệt nhau, tốc độ phân rã tổng thể có thể được biểu thị dưới dạng hằng số phân rã hoặc chu kỳ bán rã. Chu kỳ bán rã của nguyên tử phóng xạ có phạm vi rất lớn; từ gần như tức thời đến lâu hơn rất nhiều so với tuổi của vũ trụ.
Hạt nhân đang phân rã được gọi là hạt nhân phóng xạ mẹ (hoặc đồng vị phóng xạ mẹ ), và quá trình này tạo ra ít nhất một nuclide con. Ngoại trừ sự phân rã gamma hoặc sự chuyển đổi bên trong từ trạng thái kích thích hạt nhân, sự phân rã là một sự biến đổi hạt nhân dẫn đến một con chứa một số proton hoặc neutron khác nhau (hoặc cả hai). Khi số lượng proton thay đổi, một nguyên tử của một nguyên tố hóa học khác được tạo ra.
Phân rã alpha xảy ra khi hạt nhân phóng ra một hạt alpha (hạt nhân heli).
Sự phân rã beta xảy ra theo hai cách;
(I) phân rã trừ beta, khi hạt nhân phát ra một electron và một phản neutrino trong một quá trình biến đổi một neutron thành một proton.
(II) phân rã cộng beta, khi hạt nhân phát ra một positron và một neutrino trong một quá trình thay đổi một proton thành một neutron, quá trình này còn được gọi là phát xạ positron.
Trong phân rã gamma, một hạt nhân phóng xạ đầu tiên bị phân rã bởi sự phát xạ của một hạt alpha hoặc beta. Hạt nhân con thường ở trạng thái kích thích và nó có thể phân rã xuống trạng thái năng lượng thấp hơn bằng cách phát ra photon tia gamma.
Trong phát xạ neutron, các hạt nhân cực kỳ giàu neutron, được hình thành do các dạng phân rã khác hoặc sau nhiều lần bắt neutron liên tiếp, đôi khi mất năng lượng do phát xạ neutron, dẫn đến sự thay đổi từ đồng vị này sang đồng vị khác của cùng một nguyên tố.
Trong quá trình bắt điện tử, hạt nhân có thể bắt giữ một điện tử quay quanh, khiến một proton chuyển đổi thành một neutron trong một quá trình gọi là bắt điện tử. Một neutrino và một tia gamma sau đó được phát ra.
Trong phân rã cụm và phân hạch hạt nhân, một hạt nhân nặng hơn một hạt alpha được phát ra.
Ngược lại, có những quá trình phân rã phóng xạ không dẫn đến biến đổi hạt nhân. Năng lượng của một hạt nhân bị kích thích có thể được phát ra dưới dạng tia gamma trong một quá trình gọi là phân rã gamma, hoặc năng lượng đó có thể bị mất đi khi hạt nhân tương tác với một electron quỹ đạo gây ra sự phóng ra khỏi nguyên tử của nó, trong một quá trình được gọi là chuyển đổi bên trong. Một kiểu phân rã phóng xạ khác dẫn đến các sản phẩm thay đổi, xuất hiện dưới dạng hai hoặc nhiều "mảnh" của hạt nhân ban đầu với một loạt các khối lượng có thể. Sự phân rã này, được gọi là sự phân hạch tự phát, xảy ra khi một hạt nhân lớn không ổn định tự phân tách thành hai (hoặc đôi khi ba) hạt nhân con nhỏ hơn, và thường dẫn đến sự phát xạ tia gamma, neutron hoặc các hạt khác từ các sản phẩm đó. Ngược lại, các sản phẩm phân rã từ hạt nhân có spin có thể được phân phối không đẳng hướng đối với hướng spin đó. Có thể do ảnh hưởng bên ngoài như trường điện từ, hoặc do hạt nhân được tạo ra trong một quá trình động lực hạn chế hướng quay của nó, hiện tượng dị hướng có thể được phát hiện. Quá trình mẹ như vậy có thể là một quá trình phân rã trước đó, hoặc một phản ứng hạt nhân.
Để có bảng tóm tắt hiển thị số lượng các nuclit phóng xạ và ổn định trong mỗi loại, hãy xem hạt nhân phóng xạ. Có 28 nguyên tố hóa học tự nhiên trên Trái Đất là chất phóng xạ, trong đó có 34 hạt nhân phóng xạ (6 nguyên tố có 2 hạt nhân phóng xạ khác nhau) có niên đại trước thời điểm hình thành Hệ Mặt trời. 34 chất này được gọi là nuclêôtit nguyên thủy. Các ví dụ nổi tiếng là urani và thori, nhưng cũng bao gồm các đồng vị phóng xạ tồn tại lâu dài trong tự nhiên, chẳng hạn như kali-40.
Khoảng 50 hạt nhân phóng xạ khác có tuổi thọ ngắn hơn, chẳng hạn như radium-226 và radon-222, được tìm thấy trên Trái Đất, là sản phẩm của chuỗi phân rã bắt đầu với các nuclide nguyên thủy, hoặc là sản phẩm của các quá trình vũ trụ đang diễn ra, chẳng hạn như tạo thành carbon-14 từ nitơ-14 trong khí quyển bởi các tia vũ trụ. Hạt nhân phóng xạ cũng có thể được sản xuất nhân tạo trong máy gia tốc hạt hoặc lò phản ứng hạt nhân, dẫn đến 650 hạt trong số này có chu kỳ bán rã hơn một giờ, và vài nghìn hạt nhân nữa có chu kỳ bán rã thậm chí còn ngắn hơn.