Phóng xạ
Các loại phân rã

Các nhà nghiên cứu ban đầu phát hiện ra rằng một điện trường hoặc từ trường có thể chia sự phát xạ phóng xạ thành ba loại chùm tia. Các tia được đặt tên là alpha, beta và gamma, theo thứ tự tăng dần khả năng xuyên qua vật chất của chúng. Sự phân rã alpha chỉ được quan sát thấy ở các nguyên tố nặng hơn có số nguyên tử 52 (tellurium) và lớn hơn, ngoại trừ beryli-8 (phân rã thành hai hạt alpha). Hai loại phân rã khác được quan sát thấy trong tất cả các nguyên tố. Chì, số hiệu nguyên tử 82, là nguyên tố nặng nhất để có bất kỳ đồng vị nào bền (với giới hạn đo lường) trong phân rã phóng xạ. Phân rã phóng xạ được nhìn thấy trong tất cả các đồng vị của tất cả các nguyên tố có số nguyên tử 83 (bismuth) hoặc lớn hơn. Tuy nhiên, Bismuth-209 chỉ có tính phóng xạ rất nhẹ, với chu kỳ bán rã lớn hơn tuổi của vũ trụ; các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã cực dài được coi là ổn định hiệu quả cho các mục đích thực tế.
Khi phân tích bản chất của các sản phẩm phân rã, rõ ràng là theo hướng của lực điện từ tác dụng lên bức xạ của từ trường và điện trường bên ngoài, các hạt alpha mang điện tích dương, hạt beta mang điện tích âm và tia gamma là trung hòa. Từ độ lớn của độ lệch, rõ ràng là các hạt alpha có khối lượng lớn hơn nhiều so với các hạt beta. Đưa các hạt alpha qua một cửa sổ kính rất mỏng và nhốt chúng trong một ống phóng điện cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu quang phổ phát xạ của các hạt bị bắt, và cuối cùng đã chứng minh rằng các hạt alpha là hạt nhân heli. Các thí nghiệm khác cho thấy bức xạ beta, phát sinh từ sự phân rã và tia âm cực, là các electron tốc độ cao. Tương tự như vậy, bức xạ gamma và tia X được coi là bức xạ điện từ năng lượng cao.
Mối quan hệ giữa các loại phân rã cũng bắt đầu được xem xét: Ví dụ, phân rã gamma hầu như luôn được phát hiện có liên quan đến các loại phân rã khác, và xảy ra vào cùng thời điểm hoặc sau đó. Phân rã gamma là một hiện tượng riêng biệt, với chu kỳ bán rã của riêng nó (ngày nay được gọi là quá trình chuyển đổi đồng phân), được tìm thấy trong phóng xạ tự nhiên là kết quả của sự phân rã gamma của các đồng phân hạt nhân di căn kích thích, lần lượt được tạo ra từ các loại phân rã khác.
Mặc dù các bức xạ alpha, beta và gamma được tìm thấy phổ biến nhất, nhưng các loại bức xạ khác cuối cùng đã được phát hiện. Ngay sau khi phát hiện ra positron trong các sản phẩm tia vũ trụ, người ta nhận ra rằng cùng một quá trình hoạt động trong phân rã beta cổ điển cũng có thể tạo ra positron (phát xạ positron), cùng với neutrino (phân rã beta cổ điển tạo ra phản neutrino). Trong một quá trình tương tự phổ biến hơn, được gọi là bắt điện tử, một số nuclide giàu proton đã được tìm thấy để bắt các điện tử nguyên tử của chính chúng thay vì phát ra positron, và sau đó các nuclide này chỉ phát ra một neutrino và một tia gamma từ hạt nhân bị kích thích (và thường là cả Auger điện tử và tia X đặc trưng, là kết quả của sự sắp xếp lại trật tự của các điện tử để lấp đầy vị trí của điện tử bị bắt còn thiếu). Những loại phân rã này liên quan đến sự bắt giữ hạt nhân của các electron hoặc sự phát xạ của các electron hoặc positron, và do đó có tác dụng di chuyển một hạt nhân theo tỷ lệ giữa neutron và proton có năng lượng ít nhất trong tổng số nucleon nhất định. Do đó, điều này tạo ra một hạt nhân ổn định hơn (năng lượng thấp hơn).
(Một quá trình lý thuyết của việc bắt positron, tương tự như việc bắt electron, có thể trong nguyên tử phản vật chất, nhưng chưa được quan sát, như các nguyên tử phản vật chất phức tạp vượt antihelium không có sẵn dưới dạng thực nghiệm. Một sự phân rã như vậy sẽ đòi hỏi các nguyên tử phản vật chất ít nhất phải phức tạp như beryli-7, đồng vị nhẹ nhất được biết đến của vật chất bình thường phải trải qua quá trình phân rã bằng cách bắt giữ điện tử.)
Ngay sau khi phát hiện ra neutron vào năm 1932, Enrico Fermi nhận ra rằng một số phản ứng phân rã beta hiếm gặp ngay lập tức tạo ra neutron như một hạt phân rã (phát xạ neutron). Sự phát xạ proton cô lập cuối cùng đã được quan sát thấy ở một số nguyên tố. Người ta cũng nhận thấy rằng một số nguyên tố nặng có thể trải qua quá trình phân hạch tự phát thành các sản phẩm có thành phần khác nhau. Trong một hiện tượng gọi là phân rã cụm, các tổ hợp cụ thể của neutron và proton không phải là hạt alpha (hạt nhân heli) được phát hiện một cách tự phát từ các nguyên tử.
Các loại phân rã phóng xạ khác được phát hiện là phát ra các hạt đã thấy trước đây, nhưng thông qua các cơ chế khác nhau. Một ví dụ là chuyển đổi bên trong, dẫn đến phát xạ điện tử ban đầu, và sau đó thường đặc trưng hơn nữa là phát xạ tia X và điện tử Auger, mặc dù quá trình chuyển đổi nội bộ không liên quan đến phân rã beta hay gamma. Một neutrino không được phát ra, và không có (các) electron và (các) photon nào được phát ra bắt nguồn từ hạt nhân, mặc dù năng lượng để phát ra tất cả chúng đều bắt nguồn từ đó. Phân rã chuyển đổi bên trong, giống như phân rã gamma chuyển tiếp đồng phân và phát xạ neutron, liên quan đến việc giải phóng năng lượng bởi một nuclide bị kích thích, mà không có sự biến đổi của một nguyên tố này thành nguyên tố khác.
Các sự kiện hiếm có liên quan đến sự kết hợp của hai sự kiện loại phân rã beta xảy ra đồng thời đã được biết đến (xem bên dưới). Bất kỳ quá trình phân rã nào không vi phạm định luật bảo toàn năng lượng hoặc động lượng (và có lẽ cả các định luật bảo toàn hạt khác) đều được phép xảy ra, mặc dù không phải tất cả đều đã được phát hiện. Một ví dụ thú vị được thảo luận trong phần cuối cùng, đó là sự phân rã beta ở trạng thái bị ràng buộc của rhenium-187. Trong quá trình này, sự phân rã điện tử beta của nuclide mẹ không đi kèm với sự phát xạ điện tử beta, vì hạt beta đã bị bắt vào vỏ K của nguyên tử phát xạ. Một phản neutrino được phát ra, như trong tất cả các phân rã beta âm.
Hạt nhân phóng xạ có thể trải qua một số phản ứng khác nhau. Những điều này được tóm tắt trong bảng sau. Một hạt nhân có số khối A và số hiệu nguyên tử Z được biểu diễn là (A, Z). Cột "Hạt nhân con" chỉ ra sự khác biệt giữa hạt nhân mới và hạt nhân ban đầu. Do đó, (A   -   1, Z) có nghĩa là số khối ít hơn trước một, nhưng số hiệu nguyên tử vẫn như cũ.
Nếu hoàn cảnh năng lượng thuận lợi, một hạt nhân phóng xạ nhất định có thể trải qua nhiều kiểu phân rã cạnh tranh, với một số nguyên tử phân rã theo một lộ trình, và những nguyên tử khác phân rã theo một lộ trình khác. Một ví dụ là đồng-64, có 29 proton và 35 neutron, phân hủy với chu kỳ bán rã khoảng 12,7 giờ. Đồng vị này có một proton chưa ghép cặp và một neutron chưa ghép đôi, do đó, proton hoặc neutron có thể phân rã thành hạt khác, hạt có isospin đối lập. Nuclide cụ thể này (mặc dù không phải tất cả các nuclide trong trường hợp này) hầu như có khả năng phân rã thông qua phát xạ positron (18%), hoặc thông qua bắt giữ điện tử (43%), cũng như thông qua phát xạ điện tử (39%). Các trạng thái năng lượng kích thích sinh ra từ những phân rã này không kết thúc ở trạng thái năng lượng cơ bản, cũng tạo ra chuyển đổi bên trong muộn hơn và phân rã gamma trong gần 0,5% thời gian.
Phổ biến hơn ở các nuclide nặng là sự cạnh tranh giữa phân rã alpha và beta. Các nuclide con sau đó thường sẽ phân rã lần lượt qua phân rã beta hoặc alpha, để kết thúc ở cùng một vị trí.
Sự phân rã phóng xạ dẫn đến giảm tổng khối lượng nghỉ, một khi năng lượng giải phóng (năng lượng phân hủy) đã thoát ra ngoài theo một cách nào đó. Mặc dù năng lượng phân rã đôi khi được định nghĩa là liên quan đến sự chênh lệch giữa khối lượng của các sản phẩm nuclide mẹ và khối lượng của các sản phẩm phân rã, điều này chỉ đúng với phép đo khối lượng nghỉ, trong đó một số năng lượng đã được loại bỏ khỏi hệ sản phẩm. Điều này đúng vì năng lượng phân rã phải luôn mang theo khối lượng ở bất cứ nơi nào nó xuất hiện (xem khối lượng trong thuyết tương đối hẹp) theo công thức E   =   mc 2. Năng lượng phân rã ban đầu được giải phóng bằng năng lượng của các photon phát ra cộng với động năng của các hạt phát ra có khối lượng lớn (tức là các hạt có khối lượng nghỉ). Nếu các hạt này đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường xung quanh và các photon bị hấp thụ, thì năng lượng phân rã được chuyển thành nhiệt năng, vẫn giữ nguyên khối lượng của nó.
Do đó, năng lượng phân rã vẫn gắn liền với một số đo khối lượng nhất định của hệ phân rã, được gọi là khối lượng bất biến, không thay đổi trong quá trình phân rã, mặc dù năng lượng phân rã được phân bố giữa các hạt phân rã. Năng lượng của các photon, động năng của các hạt phát ra và sau này là nhiệt năng của vật chất xung quanh, tất cả đều góp phần tạo nên khối lượng bất biến của hệ. Như vậy, trong khi tổng các khối lượng còn lại của các hạt không được bảo toàn trong phân rã phóng xạ, khối lượng hệ thống và hệ thống bất biến khối lượng (và cũng là hệ thống tổng năng lượng) được bảo toàn trong suốt bất kỳ quá trình phân rã. Đây là sự phát biểu lại các định luật tương đương về bảo toàn năng lượng và bảo toàn khối lượng.
Pierre và Marie Curie trong phòng thí nghiệm Paris của họ, trước năm 1907
Chụp ảnh X-quang với thiết bị ống Crookes thời kỳ đầu năm 1896. Ống Crookes có thể nhìn thấy ở trung tâm. Người đàn ông đang đứng đang xem bàn tay của mình với màn hình fluoroscope; đây là một cách phổ biến để thiết lập ống. Không có biện pháp phòng ngừa nào đối với việc tiếp xúc với bức xạ đang được thực hiện; những mối nguy hiểm của nó không được biết đến vào thời điểm đó.
Tính phóng xạ là đặc trưng của các nguyên tố có số hiệu nguyên tử lớn. Các nguyên tố có ít nhất một đồng vị ổn định được hiển thị bằng màu xanh lam nhạt. Màu xanh lục thể hiện các nguyên tố trong đó đồng vị ổn định nhất có chu kỳ bán rã được tính bằng hàng triệu năm. Màu vàng và da cam dần dần kém ổn định hơn, với chu kỳ bán rã hàng nghìn hoặc hàng trăm năm, giảm dần về một ngày. Màu đỏ và màu tím cho thấy các nguyên tố có tính phóng xạ cao và cực kỳ mạnh trong đó các đồng vị ổn định nhất thể hiện chu kỳ bán rã được đo theo thứ tự một ngày và ít hơn nhiều.
Đồ họa thể hiện mối quan hệ giữa độ phóng xạ và bức xạ ion hóa được phát hiện
Các hạt alpha có thể bị ngăn lại hoàn toàn bởi một tờ giấy, các hạt beta bằng tấm chắn nhôm. Tia gamma chỉ có thể bị giảm đi bởi khối lượng lớn hơn nhiều, chẳng hạn như một lớp chì rất dày.
Sơ đồ phân rã 137 Cs cho thấy chu kỳ bán rã, các nuclide con, các loại và tỷ lệ bức xạ được phát ra
Sơ đồ chuyển đổi cho các chế độ phân rã của một hạt nhân phóng xạ, với số neutron N và số nguyên tử Z (được hiển thị là phát xạ α, β ±, p + và n 0, EC biểu thị sự bắt giữ điện tử).
Các dạng phân rã phóng xạ liên quan đến số neutron và proton