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Particules alpha

Particules alpha


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Domaine d'expertise - Physique nucléaire, physique des particules

Les particules sont des noyaux d'hélium doublement chargés (2 protons et 2 neutrons), qui sont créés lors de la désintégration . Ils sont très stables et ionisent l'environnement immédiat, de sorte qu'ils représentent un grand danger pour la plupart des êtres vivants, car ils peuvent causer de graves dommages aux organismes animaux et humains. En matière, ils n'ont qu'une courte portée, souvent de quelques µm, La distance libre moyenne dans l'air est de quelques cm, c'est pourquoi vous pouvez bien vous en protéger.


Décroissance radioactive (1)

Les éléments existent en différentes versions appelées isotopes. Par exemple, il existe deux isotopes du lithium : le lithium-6 (avec 3 protons et 3 neutrons dans le noyau atomique) et le lithium-7 (avec 3 protons et 4 neutrons).

Chaque type d'atome, par exemple le lithium-7, est appelé nucléide. Au lieu de nucléide, cependant, le mot "isotope" est généralement utilisé.

Les isotopes radioactifs ont un noyau atomique instable. Au fil du temps, le noyau atomique se désintègre, émettant une particule alpha ou bêta et, dans certains cas, un rayonnement gamma.

Le système de symboles utilisé pour représenter les atomes peut également être utilisé pour les noyaux atomiques et d'autres particules.

Lorsqu'un isotope est radioactif, il a un arrangement instable de neutrons et de protons dans son noyau. L'émission d'une particule alpha ou bêta rend le noyau atomique plus stable, mais modifie le nombre de protons et de neutrons qu'il contient. De cette façon, il devient le noyau atomique d'un autre élément, appelé noyau fille. Le noyau fille et toutes les particules émises sont les produits de désintégration.

Désintégration alpha

Le radium-226 (numéro atomique 88) se désintègre par émission alpha. En raison de la perte de la particule alpha, le noyau atomique possède désormais 2 protons et 2 neutrons de moins qu'auparavant. Ainsi, le nombre de masse tombe à 222 et le nombre ordinal à 86. Selon le tableau périodique, l'élément radon a un nombre ordinal de 86, donc le radon est le nouvel élément qui a été créé :

Le processus de désintégration peut être représenté par une équation :

$ mathrm <^ <226> _ < 88> Ra longrightarrow ^ <226> _ < 86> Rn + ^ 4_2 alpha> $

  • le nombre de masse (ci-dessus) est équilibré des deux côtés de l'équation
    (226 = 222 + 4), de sorte que le nombre de nucléons reste inchangé (conservé)
  • le nombre ordinal (ci-dessous) est équilibré des deux côtés de l'équation
    (88 = 86 + 2) pour que la charge soit retenue
  • un nouvel élément a été créé : numéro ordinal 2 de moins qu'avant, numéro de masse 4 de moins qu'avant.

Désintégration bêta

L'iode-131 (numéro atomique 53) se décompose par émission bêta. Lorsque cela se produit, un neutron se transforme en un proton, un électron et un parent non chargé, presque sans masse de l'électron, un antineutrino. L'électron et l'antineutrino quittent le noyau atomique à grande vitesse. Puisqu'un neutron a été remplacé par un proton dans le noyau atomique, le numéro atomique passe à 54. Cela signifie qu'un noyau atomique de xénon-131 a été créé :

Le processus de désintégration peut être représenté par une équation :

Avec ce genre de désintégration bêta. :

  • le nombre de masse (ci-dessus) est équilibré des deux côtés de l'équation
    (131 = 131 + 0 + 0), de sorte que le nombre de nucléons reste inchangé (conservé)
  • le nombre ordinal (ci-dessous) est équilibré des deux côtés de l'équation
    (53 = 54-1 + 0) pour que la charge soit retenue
  • un nouvel élément est créé : numéro ordinal 1 de plus qu'avant, numéro de masse inchangé.

Bêta $ ^ - $ et Bêta $ ^ + $

Il existe une forme moins courante de désintégration bêta dans laquelle la particule bêta émise est un positron. C'est l'antiparticule de l'électron de même masse mais de charge opposée (+1). Au cours de ce type de désintégration, un proton se transforme en un neutron, un positron et un neutrino. L'élément formé a un numéro ordinal un de moins qu'auparavant.

Pour distinguer les deux types de désintégrations bêta, on les appelle parfois désintégration bêta $ ^ - $ (émission d'électrons) et désintégration bêta $ ^ + $ (émission de positons).

Émission gamma

Avec certains isotopes, l'émission d'une particule alpha ou bêta laisse les protons et les neutrons dans un arrangement « excité ». Lorsque les protons et les neutrons se réorganisent pour devenir plus stables, ils dégagent de l'énergie. Celui-ci est émis sous forme de rayonnement gamma.

  • L'émission de rayons gamma en elle-même ne modifie pas le nombre de masse ou le numéro atomique.

Interroger

$ mathrm <^ <232> _ < 90> Th> longrightarrow ^ A_Z X + mathrm <^ 4_2 alpha> $

  1. Quel type de rayonnement est émis ?
  2. Quelles sont les valeurs de A et Z ?
  3. Utilisez le tableau de la page "À l'intérieur de l'atome" pour déterminer quel nouvel élément est créé par le processus de désintégration.
  4. Réécrivez l'équation ci-dessus et remplacez A, Z et X par les nombres et les symboles que vous avez trouvés.
  5. Quels sont les produits de décomposition ?
  1. Rayonnement alpha
  2. A = 228, Z = 88
  3. Le radium est produit
  4. $ mathrm <^ <232> _ < 90> Th longrightarrow ^ <228> _ < 88> Ra + ^ 4_2 alpha> $
  5. Isotope du radium et particules alpha

$ mathrm <^ <24> _ <11> Na longrightarrow ^ <24> _ <12> Mg + _ <--------> $


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Termes connexes

Le terme Particules ne doit généralement pas être utilisé pour les particules. Dans certains domaines, en revanche, ces deux termes sont utilisés de manière totalement synonyme :

  • Les composites de quelques milliers d'atomes ou de molécules sont synonymes de nanoparticules ou nanoparticules.
  • En hydrodynamique, les particules désignent le plus petit nombre possible de molécules. Il doit être suffisamment grand pour avoir des propriétés thermodynamiques telles que la pression, la température et l'entropie en plus des propriétés mécaniques de position et de quantité de mouvement. & # 912 & # 93
  • La thérapie par particules et la thérapie par particules sont utilisées comme synonymes, mais les protons et autres ions utilisés en physique ne sont utilisés que comme Particule désigné. Le terme « particule » parfois utilisé dans ce contexte est le terme anglais particule emprunté.

Le terme « corpuscule » pour les particules est obsolète. La discussion historique entre la théorie des corpuscules et la théorie des ondes dans la description de la lumière et sa solution dans le dualisme onde-particule est un point de départ possible pour traiter de la mécanique quantique. & # 913 & # 93


la distraction de la charge positive alpha-Le vol de particules à travers la feuille d'or montre que la feuille d'or est constituée en grande partie de « rien », mais qu'il doit également y avoir de minuscules endroits qui sont également chargés positivement. Parce que les mêmes charges se repoussent.

Rutherford a conclu que les minuscules endroits chargés positivement sont des noyaux atomiques. Si oui, alors un chargé positivement alpha-La particule passe assez près d'un noyau atomique chargé positivement, puis les mêmes charges se repoussent et cela alpha-La particule est déviée.

Alors maintenant un alpha-La particule est déviée de telle manière qu'elle est quasi projetée en arrière (rebondit sur la feuille), elle doit frapper un noyau atomique par l'avant, c'est-à-dire qu'elle doit avoir volé directement vers le noyau. Ce n'est que lorsque cela arrivera alpha-Particules non seulement déviées, mais rejetées directement. À partir de là, Rutherford a également conclu que non seulement toute la charge positive d'un atome doit être concentrée dans le noyau, mais aussi toute la masse (parce que les électrons chargés négativement n'ont presque pas de masse).

Avec en outre l'observation que la grande majorité alpha-Les particules ont simplement volé à travers la feuille d'or, ce qui a donné l'idée (alors nouvelle) suivante de la structure atomique (modèle core-shell):


Formule de diffusion de Rutherford

les formule de diffusion de Rutherford donne la section efficace de diffusion dite différentielle (appelée aussi section efficace) en fonction de l'angle de diffusion $ vartheta $ dans le système du centre de gravité :

La même formule en unités physiquement significatives :

Ceci décrit la probabilité que les particules dispersées après une déviation par l'angle $ vartheta $ dans l'angle solide $ mathrm Omega = 2 pi sin ( vartheta) , mathrm vartheta $ coup.

Les quantités suivantes sont toujours utilisées dans la formule :

Constante de champ électrique (constante diélectrique) $varepsilon_0 = 8 <,> 854 cdot 10 ^ <-12> frac < mathrm> < mathrm> $
Charge de la particule diffusée $ Z_1e $
Charge du noyau atomique $ Z_2e $
Charge élémentaire $ e = 1 <,> 602 cdot 10 ^ <-19> mathrm $
Énergie initiale de la particule diffusée $ E_0 $

Le préfacteur peut être obtenu en utilisant les quantités suivantes :

Constante de structure fine $ alpha = frac <1> <4 pi varepsilon_0> frac < hbar c> environ 1/137 $
Unité pour la section transversale 1 $ mathrm = 100 mathrm^2 $
$ hbar c = 197 mathrm cdot mathrm $

Rutherford a dérivé la formule de diffusion de Rutherford de la physique classique. Un traitement mécanique quantique complet du problème à l'aide de l'approximation de Born montre que la formule de diffusion de Rutherford est correcte au premier ordre et que les effets de la mécanique quantique ne représentent que de petites corrections. Un autre problème de la formule de Rutherford est le cas limite $ vartheta = 0 $, pour lequel la section efficace différentielle devient infiniment grande. Cependant, les petits angles correspondent à un grand paramètre d'impact. Dans le cas de paramètres de collision très importants, cependant, les électrons atomiques protègent le noyau. La seule façon d'avoir de très petits angles avec de petits paramètres d'impact est d'augmenter l'énergie des particules . Pour les très hautes énergies, cependant, la distribution des charges du noyau atomique ne peut plus être considérée comme ponctuelle. Ensuite, le facteur de forme de la distribution de charge est également inclus dans la formule de diffusion. De plus, avec des énergies de projectile élevées, on ne peut plus supposer que la diffusion se produit uniquement par interaction électromagnétique. Si les deux noyaux se rapprochent jusqu'à un rayon de contact, l'interaction forte joue un rôle plus important.

Examen de plausibilité des dépendances

Selon les règles de Feynman, la diffusion d'une particule de charge $ Z_1 e $ sur une deuxième particule de charge $ Z_2 e $ donne l'amplitude de probabilité

$ M_ sim (Z_1 e) cdot (Z_2 e) textrm <,> $

par lequel le propagateur a été négligé. Selon la règle d'or de Fermi, ce qui suit s'applique

$ frac sim (Z_1 e) ^ 2 cdot (Z_2 e) ^ 2 = (Z_1 Z_2 e ^ 2) ^ 2 textrm <.> $


Dans l'expérience de diffusion de Rutherford, les particules alpha individuelles se nourrissent des noyaux d'or en feuille. A. Quelles forces provoquent la déviation des particules alpha ? B. Pourquoi y a-t-il si rarement une déviation des particules alpha ? C. Comment faut-il frapper le noyau pour que la particule alpha inverse exactement la direction de son vol ?

Dans l'expérience de diffusion de Rutherford, les particules alpha individuelles se nourrissent des noyaux d'or en feuille. A. Quelles forces provoquent la déviation des particules alpha ? B. Pourquoi y a-t-il si rarement une déviation des particules alpha ? C. Comment faut-il frapper le noyau pour que la particule alpha inverse exactement la direction de son vol ?

A) ce sont les charges des atomes d'or (noyau - positif, coque - négatif) B) Puisque les particules sont positives et ne sont donc déviées que par le noyau, qui représente 99,9 % de la masse, mais seulement 0,01 % de la espace. C) exactement au milieu

A) Forces de Coulomb entre les noyaux et le signe alpha B) parce que les noyaux sont si petits par rapport aux particules et les forces ne fonctionnent pas aussi loin C) exactement au milieu


Inférences

Au moment des premières expériences de diffusion, le modèle atomique de J. J. Thomson était valide, selon lequel l'atome est une sphère avec une distribution uniforme de masse et de charge. Si l'on part de ce modèle, cependant, les observations du test de diffusion ne peuvent pas être expliquées. L'expérience pourrait alors être imaginée sous forme de billes (particules alpha) projetées sur un mur percé de petits trous (feuille d'or). Ce n'est que très rarement que l'un des petits trous serait assez grand pour qu'une balle puisse traverser le mur, la plupart des balles rebondiraient du mur.

Cependant, c'est exactement le contraire qui a pu être observé dans les tests de diffusion. Le modèle atomique thomsonien ne pouvait donc pas s'appliquer. Rutherford a enfin pu calculer comment l'atome doit être structuré à partir de la distribution des angles de diffusion. Il est arrivé à la conclusion que les masses et la charge positive doivent être confinées dans un espace très petit, le noyau atomique. La taille réelle de l'atome est déterminée par sa coquille. Cependant, celui-ci est presque vide, seuls les électrons extrêmement petits et légers sont là.

La plupart des particules alpha traversent la coquille atomique presque vide et ne sont donc pas déviées. Cependant, s'ils sont suffisamment proches d'un noyau, ils sont repoussés, car le noyau d'or et les particules alpha sont tous deux chargés positivement. Plus ils volent près d'un noyau, plus ils sont distraits, c'est-à-dire H. plus leur angle de diffusion est grand. La probabilité qu'une particule alpha heurte un noyau d'or au centre est extrêmement faible en raison de la petite taille des particules et des noyaux. Cependant, cela peut arriver, puis la particule alpha est rejetée.

Le modèle de Rutherford a ainsi pu expliquer pleinement ses observations du test de diffusion. Ainsi, le modèle atomique de Thomson a été remplacé par les Rutherford. Même si le modèle atomique de Rutherford a également été remplacé par un nouveau modèle atomique, la structure de l'atome, constituée d'un noyau et d'une enveloppe, est restée la même depuis lors.


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Particules Alpha - Chimie et Physique

Ernest Rutherford est né le 30 août 1871 en tant que fils d'un immigrant écossais et charron (Wagner) dans une cabane en rondins. Sa mère a enseigné comme enseignante en Angleterre avant d'émigrer en Nouvelle-Zélande en 1855. Jusqu'à l'âge de 16 ans, Ernest Rutherford était étudiant à la Collegiate School de Nelson. À partir de 1889, il a pu étudier les mathématiques et la physique grâce à une bourse à l'Université de Nouvelle-Zélande à Wellington. Rutherford s'est distingué par des réalisations extraordinaires et a reçu une autre bourse en 1894, ce qui lui a valu un emploi au Cavendish Laboratory du Trinity College de Cambridge / Angleterre.

Il y poursuit les expériences qu'il a commencées en Nouvelle-Zélande sous la direction de Joseph John Thomson (1856-1940). En 1898, il est nommé professeur de physique à l'Université McGill à Montréal / Canada. À partir de 1905, Otto Hahn est venu au Canada pendant près d'un an pour travailler dans le laboratoire de Rutherford. En 1907, Rutherford retourna en Angleterre pour occuper un poste de professeur de physique à l'Université de Manchester. La plus haute distinction fut alors la remise du prix Nobel de chimie en 1908. À partir de 1919, il dirigea le Cavendish Laboratory à Cambridge. Certains employés y travaillaient sous sa direction et ont également reçu plus tard le prix Nobel, par exemple en 1912, Niels Bohr a été assistant pendant environ un an. Ernest Rutherford a été fait chevalier en 1914 et baron en 1931. Il mourut étonnamment d'une hernie ombilicale en 1937. Son enterrement a eu lieu à l'abbaye de Westminster, tout près de la tombe d'Isaac Newton.

La première publication de Rutherford parut en Nouvelle-Zélande en 1894 sous le titre "Magnétisation du fer par décharges à haute fréquence". Il traitait de l'effet magnétisant des champs électriques à haute fréquence. Rutherford a étudié le comportement des métaux magnétisables dans les champs électromagnétiques à haute fréquence. Le deuxième poste « viscosité magnétique » a été publié dans le "Transactions of the New Zealand Institute". Il s'agissait de la mise au point d'un appareil de mesure d'intervalles de temps très courts. Le premier récepteur d'ondes radio a ainsi été inventé.

À Cambridge, Rutherford a perfectionné son détecteur d'ondes radio. Ce qui l'a particulièrement impressionné, c'est le fait que les vagues pouvaient traverser des murs épais. Il a augmenté les performances de réception à plus d'un mile.

Dans J.J. A cette époque, le laboratoire de Thomson expérimentait le rayonnement X découvert par Wilhelm Conrad R & oumlntgen (1845-1923). Ernest Rutherford a développé un électromètre sensible qui a été utilisé pour mesurer les rayons X. Ce travail, publié en 1896, a reçu une attention internationale pour la première fois.

Lorsque Henri Becquerel (1852-1908) découvre la radioactivité naturelle en 1896, un nouveau domaine de recherche s'ouvre pour Rutherford. En enquêtant sur l'effet ionisant du rayonnement radioactif de Pechblende sur les gaz, il a découvert que le rayonnement contenait deux composants qui étaient absorbés à des degrés différents. Il a appelé le rayonnement qui est fortement absorbé par les matériaux, unlpha-Le rayonnement et le rayonnement qui le pénètre facilement, bêta-Radiation.

Au Canada, il soupçonnait par simple conjecture que l'énergie émise par un gramme de radium ne pourrait jamais être causée par la seule chaleur de réaction chimique. Il est "Il est difficile d'imaginer qu'une telle quantité d'énergie puisse résulter d'un réarrangement d'atomes ou de recombinaisons de molécules selon la théorie chimique normale". En examinant les "vapeurs" radioactives de l'élément thorium, un résultat étonnant est sorti : le gaz produit était tout aussi inerte que les gaz rares hélium ou argon découverts en 1894. Au début, Rutherford avait du mal à croire qu'un nouvel élément puisse provenir du thorium et du "Thorium X", comme il appelait initialement la seconde substance inconnue. « Rutherford, c'est une transformation. Le thorium se décompose et se transforme en un gaz argon ! », disait Frederick Soddy (1877-1956) à l'époque, qui était encore le collègue de Rutherford à l'époque et qui devait introduire le concept d'isotopes en 1913. Peu de temps après, Rutherford a découvert la loi de la désintégration radioactive, la demi-vie. Il pourrait utiliser une formule pour indiquer combien un échantillon de thorium a perdu du poids au cours d'une certaine période de temps. En 1902, ces considérations parurent sous le titre "Cause et nature de la radioactivité ". Le monde professionnel était d'abord sceptique et ne voulait pas croire que les atomes "avaient une tendance au suicide".

Immédiatement après, Rutherford a développé un appareil dans lequel le rayonnement radioactif était dévié par des champs électromagnétiques. Dans ces expériences en 1903, il réussit à démontrer que le alpha-Le rayonnement est chargé positivement. En 1903, Sir William Ramsay (1852-1916) rendit compte dans une conférence à Londres des expériences qu'il avait menées avec Frederick Soddy sur la « formation d'hélium à partir de radium ». En 1904, Rutherford était fermement convaincu que ce rayonnement devait être constitué d'atomes d'hélium chargés positivement. De là, il a conclu que lorsque le thorium se désintègre, un atome de thorium se décompose en un atome d'hélium chargé et en "Thorium X". La preuve de l'existence des noyaux d'hélium chargés positivement dans l'unlphaLe rayonnement a été réalisé en 1908 par Hans Geiger et Thomas Royds, deux employés de Rutherford.

Après l'embauche de Rutherford à Manchester, la plus grande difficulté a été d'obtenir une quantité acceptable de radium. Après de longues négociations, l'Institut du radium de Vienne lui a donné 0,5 gramme de bromure de radium. Le physicien allemand Hans Geiger (1882-1945), en l'honneur duquel le « Geigerz & aumlhler » a été nommé plus tard, était également un employé de l'institut de Manchester. Avec Geiger, Rutherford a examiné l'unlpha-Rayonnement plus précisément. Peu de temps auparavant, Otto Hahn avait développé un dispositif qui, lorsqu'unlpha-Rayons, resp. alphaDes particules ont généré de minuscules éclairs de lumière sur un écran en sulfure de zinc. Rutherford et Geiger a envoyé l'unlpha-Les particules traversent des tubes remplis de gaz et comptent les éclairs de lumière résultants sur le compteur à scintillation utilisé par Otto Hahn. Ils se sont enfermés dans une pièce du sous-sol complètement sombre. Comme "effet secondaire", il y avait une dispersion des particules, que Rutherford et Geiger ne pouvaient pas expliquer au début. L'étudiant Ernest Marsden (1889-1970) avait observé une distraction lorsque le alpha- Les rayons ont été envoyés à travers la matière, par exemple à travers une fine feuille d'or (voir : Présentation Powerpoint sur l'expérience de diffusion de Rutherford).

En 1911, Rutherford publia l'article "La diffusion des particules alpha et bêta par la matière et la structure de l'atome". Le résultat de deux années de réflexions et de mesures supplémentaires a été une nouvelle idée sur le fonctionnement interne de l'atome : toute la charge d'un atome est concentrée dans un très petit espace central, dans lequel une nouvelle force étrange est à l'œuvre. Dans ce contexte, Rutherford a parlé de "espace occupé mais pas rempli" ("Chambre occupée mais pas remplie"). "Cet espace a été défini comme l'espace dans lequel l'interaction forte attractive des protons l'emporte sur le potentiel de répulsion de Coulomb (.) La chose remarquable n'est pas la "concentration" de masse, mais l'étrange nouvelle force forte qui est active dans cet espace central. " (Peter Buck : Sur la didactique de la physique et de la chimie, Alsbach 1984)

Plus le alpha-Les particules se rapprochaient de l'espace central de l'atome, plus elles étaient déviées. Grâce à des calculs approfondis à partir du nombre de particules dispersées, Rutherford a pu déterminer la charge électrique de l'espace central. Il a découvert que les charges des différents atomes diffèrent par des valeurs entières. Ces particules centrales, qu'il appela plus tard protons, concordaient avec le numéro atomique des éléments du tableau périodique. Rutherford a imaginé l'atome comme un système planétaire dans lequel des électrons chargés négativement tournent autour d'un noyau chargé positivement, les protons. Cette notion doit être considérée comme Modèle atomique selon Rutherford entrer dans l'histoire.

Le modèle de Rutherford a remplacé le modèle précédent par Joseph John Thomson (1856-1940), le découvreur de l'électron libre : Après le modèle atomique de Thomson l'atome était rempli d'un nuage chargé positivement dans lequel les électrons étaient répartis comme des raisins secs.

Le modèle de Thomson était déjà très insuffisant, mais le modèle de Rutherford contenait également des contradictions : lorsque les électrons tournent autour du noyau, ils devraient émettre de l'énergie. En conséquence, ils s'approchaient du noyau et s'y plongeaient. En 1912, Niels Bohr a remis en question le modèle de Rutherford et l'a impliqué dans des discussions. Bohr prévoyait que la physique classique échouerait dans le micro-monde et que les lois de la théorie quantique joueraient un rôle. En tant que physicien expérimental, Rutherford était sceptique quant aux résultats de la physique théorique, mais il ne s'est pas fermé aux nouveaux développements.

En 1919, un article de Rutherford parut dans Philosophical Magazine, intitulé "Des particules alpha entrant en collision avec des atomes légers. Un effet anormal avec l'azote". Dans ce Rutherford a rapporté le bombardement d'azote gazeux alphaDes particules et trouvé des traces d'atomes d'hydrogène. Il soupçonnait que ceux-ci provenaient de l'azote par transformation atomique. L'associé de Rutherford, M.S. Blackett (1897-1974) a enquêté sur le phénomène dans le document précédemment publié par C.T.R. Wilson (1869-1959) développa une chambre à brouillard et put alors confirmer pour la première fois qu'une transformation atomique avait eu lieu.

En 1932, l'étudiant de Rutherford James Chadwick (1891-1974) a découvert le neutron, pour lequel il a reçu le prix Nobel de physique en 1935. Rutherford avait déjà prédit l'existence d'un deuxième noyau atomique « neutre » lors d'une conférence en 1920, peu de temps après avoir pris la direction du laboratoire Cavendish de Cambridge. En tant que chef du laboratoire, Rutherford a vu sa tâche principale dans la promotion des jeunes physiciens qui y travaillaient. John Cockroft (1897-1967) et Ernest Walton (1903-1995) ont été les premiers à réussir à briser des noyaux atomiques. Ils ont développé une cascade à haute tension, le générateur Cockroft-Walton, qui est considéré comme le précurseur des accélérateurs de particules modernes, et ont bombardé des atomes de lithium avec des protons rapides et ont reçu deux alphaParticules, c'est-à-dire deux noyaux d'hélium. Pour ce travail, les deux physiciens ont reçu le prix Nobel de physique en 1951.

En 1997, l'IUPAC à Genève a décidé que l'élément n°104 devrait être nommé Rutherfordium (Rf) en l'honneur d'Ernest Rutherford. Auparavant, il y avait eu un différend entre les Russes et les Américains sur le nom de l'élément. Pendant un certain temps, l'élément produit artificiellement en l'honneur du chercheur nucléaire russe Igor Wassilijewitsch Kurchatov (1903-1990) s'appelait Kurchatovium (Ku).


Types de rayonnement

Radioactivité? Les scientifiques utilisent la radioactivité pour décrire la conversion naturelle ou artificielle des nucléides avec l'émission de rayonnement. Ce dossier explique exactement ce que cela signifie. D'ailleurs, il existe des types de rayonnements très différents (rayonnement alpha, bêta, gamma et neutronique) - ce dossier nous les présentera tous. Et nous apprenons que le rayonnement libéré peut être utilisé à des fins très différentes. Mais commençons par le commencement : avec la découverte de la radioactivité.

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Radioactivité et sorcellerie

Comment imaginer cette transformation des éléments ? C'est un peu comme une pêche crachant soudain son noyau sur la table et le transformant en pomme.

Dans notre monde de tous les jours qui sonne comme de la magie - dans le monde des atomes, cependant, de telles transformations et similaires sont possibles et à l'ordre du jour. Le radium métallique, par exemple, peut se transformer en gaz radioactif radon lorsqu'il émet des radiations. Celui-ci peut à son tour se transformer en polonium, qui devient finalement du plomb. De telles chaînes sont appelées "séries de désintégration radioactive". Cependant, le rayonnement peut également être émis par les noyaux sans qu'ils se convertissent en un autre élément - ils ne font alors que se débarrasser de l'énergie.

Décomposition série

Les séries de décomposition peuvent souvent couvrir de nombreux éléments. Un exemple d'une longue série de désintégrations est celle de l'étain radioactif (Sn-131), qui se transforme pas à pas en quatre éléments différents jusqu'à aboutir à un isotope stable du gaz rare xénon (Xe-131).

La radioactivité est découverte

C'était peut-être une coïncidence : à la fin du 19ème siècle, le physicien français Henri Becquerel a expérimenté avec des échantillons de roche contenant de l'uranium et a découvert que la roche émettait un rayonnement étrange. C'était radioactif. Aujourd'hui, nous savons : parmi les éléments présents dans la nature, environ 42 éléments contiennent au total plus de 90 nucléides radioactifs.

Pourquoi ces nucléides se désintègrent-ils ?

Dans les nucléides radioactifs, les noyaux atomiques individuels se transforment en d'autres noyaux atomiques parce qu'ils sont « trop lourds » pour rester stables. Par exemple, ils envoient des électrons ou des paquets de neutrons et de protons - des noyaux d'hélium. Ces particules peuvent être détectées dans des dispositifs spéciaux, par exemple elles peuvent être rendues "visibles" dans une chambre à brouillard.

Découverte par hasard

Henri Becquerel avait laissé des échantillons de roche sur une plaque photographique. Les plaques photographiques étaient placées dans des pochettes qui les protégeaient de la lumière. Après avoir développé les plaques, il a découvert que le minerai d'uranium avait noirci les plaques photographiques, tout comme la lumière. L'étrange rayonnement pénétrait facilement le papier. Le processus ne semble pas être influencé par des influences externes. Becquerel a appelé le phénomène "rayonnement de l'uranium". Sa collègue Marie Curie a inventé le terme « radioactivité » quelques années plus tard lorsqu'elle a pu détecter le même phénomène dans d'autres substances.

Marie Curie

Marie Curie n'était pas seulement une personnalité très forte, c'était aussi une chercheuse à l'endurance extrême. Pendant des années, elle a analysé le minéral naturel « pitchblende » dans un vieux bûcher à courants d'air qui lui servait, ainsi qu'à son mari, de laboratoire. Dabei fand sie heraus, welche radioaktiven Stoffe in der Pechblende stecken. Einen dieser Stoffe nannte sie nach ihrer Heimat Polen „Polonium”, den anderen „Radium”.

Nebelkammer

In der Nebelkammer werden die Spuren der beim radioaktiven Zerfall ausgesandten Teilchen sichtbar gemacht. Wenn das Teilchen eine elektrische Ladung besitzt, dann bewegt es sich bei einem angelegten Magnetfeld auf Kreisbahnen.

Bei einer Nebelkammer handelt es sich um ein Gefäß, das mit einem wasserdampfgesättigten Gas, z. B. Luft, gefüllt ist. Die Bahnen von Teilchen werden darin als Nebelspuren sichtbar, weil die Teilchen die Gasmoleküle ionisieren und diese dann als Kondensationskerne dienen. Rund um die ionisierten Gasmoleküle bilden sich auf diese Weise winzige Tröpfchen, und man kann die Bahn des Teilchens verfolgen. Das sieht so ähnlich aus wie die „Kondensstreifen”, die Flugzeuge mit den Triebwerken hoch am Himmel erzeugen.

Meistens legt man an eine Nebelkammer zusätzlich ein Magnetfeld an: So erkennt man, ob das Teilchen geladen ist. Positiv geladene Teilchen drehen Spiralbahnen in die eine Richtung, negativ geladene Teilchen in die entgegengesetzte Richtung. Je enger eine Spirale ist, desto kleiner war die Energie des einfallenden Teilchens.

Drei Strahlungsarten und zwei Sonderfälle

Wie wir bereits anhand der Nebelkammer gesehen haben, gibt es offensichtlich unterschiedliche Strahlungsarten: Manche Strahlung besteht zum Beispiel aus geladenen Teilchen, andere aus ungeladenen.

Drei Arten von Strahlung hat man mit eigenen Namen versehen, nach den Anfangsbuchstaben des griechischen Alphabets: Die Alpha-, Beta- und Gamma- Strahlung . Diese drei Arten Strahlung lernen wir im Folgenden kennen, zusammen mit Anwendungen. Danach werfen wir noch einen Blick auf eine vierte Strahlung : Die Neutronenstrahlung. Und eine Umwandlungsart, bei der kein Teilchen emittiert sondern eingefangen wird.

Die Alpha-Strahlung

Beim Alpha- Zerfall spucken große Atomkerne kleinere Atomkerne aus - nämlich die des Elements Helium: Diese so genannten Alpha-Teilchen bestehen aus jeweils zwei positiv geladenen Protonen und zwei neutralen Neutronen. Ein Beispiel für einen Alpha-Strahler ist Radium -226. Es zerfällt in Radon -222.

Die Alpha-Teilchen haben eine ziemlich große Geschwindigkeit: Zwischen 15.000 bis 20.000 Kilometer pro Sekunde! Allerdings besitzt die Strahlung nur eine geringe Reichweite und lässt sich schon durch ein Blatt Papier oder eine dünne Alu-Folie abschirmen.

Trotzdem gilt sie als ausgesprochen gesundheitsschädlich. Alphastrahlung steht zum Beispiel im Verdacht, bei Rauchern für die Entstehung von Lungenkrebs mitverantwortlich zu sein.

Sie ist aber auch nützlich: Im täglichen Leben werden schwache Alpha-Strahler zum Beispiel in Rauchmeldern eingesetzt.

Radium-226 - ein Alpha-Strahler

Radium -226 ist ein Alpha-Strahler: Beim Zerfall des Kerns wird ein Heliumkern weggeschleudert, übrig bleibt Radon -222.

In einer Reaktionsgleichung sieht das so aus:

226 und 88 neben dem Radium bedeuten: Radium hat eine Massenzahl von 226 und eine Kernladungszahl von 88 - also 226 Kernbausteine, von denen 88 positiv geladene Protonen sind. Der Rest, also 226 - 88 = 138 Kernteilchen, besteht aus Neutronen ohne Ladung. Die Kernladungszahl entscheidet übrigens darüber, um welches Element es sich bei einem Kern handelt.

Beim Alpha- Zerfall spaltet sich ein Heliumkern mit vier Kernbausteinen ab: zwei Protonen und zwei Neutronen. Da die Summen von Massen- und Kernladungszahl auf beiden Seiten der Gleichung gleich sein müssen, besitzt das neue Element eine Massenzahl von 226 - 4 = 222. Die Kernladungszahl liegt bei 88 - 2 = 86. Es ist also Radon -222 entstanden.

Lungenkrebs durch Alpha-Strahlung?

Wer raucht, der verstrahlt sich von innen: Alpha- Strahlung findet sich nämlich auch im Zigarettenrauch. In der Natur vorhandenes radioaktives Polonium 210 lagert sich an den Härchen der Tabakblätter ab und wird beim Rauchen in die Lunge gesogen. Wegen der geringen Reichweite der Alpha- Strahlung wird die gesamte Energie vom Körper aufgenommen - in den Bronchien eines Rauchers kann man das Drei- bis Vierfache der normalen Menge des Stoffes nachweisen.

Rauchdetektor

Manche Rauchmelder enthalten Alpha-Strahler. Feueralarm durch Alpha- Strahlung ? Das geht, wenn man sich die speziellen Eigenschaften vor Augen führt. Rauchmelder auf Alpha-Basis bestehen aus einer schwachen Americium-Quelle und einem Detektor. Beides ist in einem Kunststoffgehäuse eingeschlossen, das die Strahlung so gut wie komplett abschirmt.

Geraten Rauchteilchen zwischen Quelle und Detektor, so schirmen diese ebenfalls einen Teil der Strahlung ab - der Detektor registriert, dass weniger Strahlung ankommt und schlägt Alarm. Die geringe Menge an Americium gilt zwar als unschädlich. Trotzdem arbeiten moderne Melder mit Lichtstrahlen statt der radioaktiven Quelle.

Die Beta-Strahlung

Beim Beta- Zerfall werden in der Regel negativ geladene Elektronen aus dem Kern geschleudert. Man spricht dann vom Beta-Minus-Zerfall . (Es gibt auch einen Beta-Plus-Zerfall , doch der ist unter den natürlichen Radionukliden viel seltener.) Die Elektronen, die die Strahlung ausmachen, kommen übrigens nicht aus dem Nichts: Sie entstehen dadurch, dass sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt:

Das Proton bleibt im Kern , das Elektron wird weggeschleudert. Das ist zum Beispiel beim Cäsium-137 der Fall. Es entsteht Barium-137. Die Reichweite von Beta- Strahlung kann in Luft mehrere Meter betragen, abschirmen lässt sie sich durch Aluminium- oder Kunststoffplatten von einigen Millimetern Dicke. Die Geschwindigkeit der Teilchen kann dabei von nahezu null bis zu Lichtgeschwindigkeit betragen.

Im täglichen Leben trifft man Beta-Strahler als strahlentherapeutische Maßnahme: Krebsgeschwüre unter der Hautoberfläche können so bestrahlt werden. Bei der C14-Methode spielt die Beta- Strahlung ebenfalls eine Rolle: Sie misst die C14-Reste, die über die Jahrtausende beim Zerfall übrigbleiben. Mit ihnen kann man das Alter von archäologischen Fundstücken bestimmen.

Cäsium-137 - ein Beta-Minus-Strahler

Der Beta-Plus-Zerfall

Beim Beta-Plus-Zerfall werden Positronen - so zusagen „positive Elektronen” - aus dem Kern geschleudert.

Bei der Beta-Plus- Strahlung wird im Kern aus einem Proton ein Neutron sowie ein Positron :

Natrium-22 ist ein solcher Beta-Plus-Strahler.

Beta-Plus-Strahlung durch Natrium-22

Natrium-22 ist ein Beta-Plus-Strahler. Bei der Umwandlung entstehen im Kern aus einem Proton ein Neutron sowie ein Positron , das den Kern verlässt.

Leuchten durch Strahlung

Die Leuchtziffern von Uhren enthalten auch heute noch manchmal kleine Mengen Tritium . Das ist ein Beta-Strahler. Treffen die Elektronen, die das Tritium abstrahlt, auf ein fluoreszierendes Material (z. B. Zinksulfid), so regen sie dieses zum Leuchten an.

Früher benutzte man das stärker strahlende Radium , um die Uhren leuchten zu lassen. Nach einer Serie von Todesfällen in den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts unter den Arbeiterinnen, die in den USA die Ziffern auf die „Radium-Watch” aufmalten, wurde der Stoff aber vom Markt genommen.

Sag mir noch, wie alt Du bist… - die C14-Methode

Wie alt ist eigentlich der Neandertaler? Bei der Suche nach Antworten auf solche Fragen macht man sich die Tatsache zunutze, dass instabile Elemente mit einer bestimmten statistischen Wahrscheinlichkeit zerfallen.

Die Altersbestimmung geht so: Lebende Organismen, also Menschen, Tiere oder Pflanzen, enthalten einen bestimmten Anteil des instabilen Kohlenstoff-14 (C14), der immer wieder neu aus der Umwelt aufgenommen wird. Nach dem Tod oder dem Absterben kann kein neuer Kohlenstoff-14 mehr aufgenommen werden, und der vorhandene Anteil zerfällt ( Beta-Minus-Zerfall ) zu Stickstoff-14. Allerdings ziemlich langsam: Man weiß, dass nach 5.730 Jahren genau die Hälfte der ursprünglich vorhandenen C14-Atome noch vorhanden sind.

Wollen Wissenschaftler also bei einer Probe herausfinden, wie alt sie ist, dann reicht es aus, zu bestimmen, welcher Anteil des C14 in ihr noch nicht zerfallen ist. Das Alter lässt sich daraus zurückrechnen - und weil Kohlenstoff so langsam zerfällt, geht das bis zu einem Alter von etwa 50.000 Jahren.

Die Gamma-Strahlung

Gamma- Strahlung kann als elektromagnetische Welle bezeichnet werden und gleicht daher vom Wesen her der Röntgenstrahlung und dem sichtbaren Licht. Wesentlicher Unterschied: Röntgenstrahlung hat ihren Ursprung in der Atomhülle, Gamma- Strahlung im Kern .

Gamma- Strahlung tritt oft auf, wenn beim Alpha- oder Beta- Zerfall überschüssige Energie in Form von Strahlung abgegeben werden muss. Sehr oft entsteht sie, wenn ein Atomkern aus einem energiereichen in einen energieärmeren Zustand zurückfällt, zum Beispiel beim Barium-137m. Gamma- Strahlung tritt in Kernkraftwerken sowohl unmittelbar bei der Spaltung , als auch durch Energieabgabe der bei der Spaltung entstandenen Spaltprodukte auf.

Genau wie Licht breitet sich Gamma- Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit aus. Sie hat eine viel höhere Reichweite als Alpha- oder Beta- Strahlung : Um sie abzuschirmen, braucht man - abhängig von ihrer Energie - Bleischilde mit einer Dicke von mindestens 20 Zentimetern oder Betonwände von mindestens einem Meter Dicke.

Gamma- Strahlung wird zum Beispiel in der Krebstherapie eingesetzt. In vielen Ländern benutzt man sie außerdem, um Lebensmittel haltbar zu machen.

Barium-137m - ein Gamma-Strahler

Die Gamma- Strahlung hat die gleiche Natur wie das sichtbare Licht. Sie bildet das kurzwellige Ende des elektromagnetischen Spektrums. Ihre Wellen haben die höchsten Frequenzen und die höchsten Energien. Wie das sichtbare Licht wird sie in einzelnen "Portionen" Photonen, Quanten abgegeben.

Gamma- Strahlung entsteht bei radioaktiven Vorgängen in Atomkernen und wenn Materie und Antimaterie sich zu reiner Energie verdichten. Sehr häufig tritt sie nach einem Alpha- oder Betazerfall auf.

Barium-137m bleibt auch nach der Abgabe der Gamma- Strahlung Barium. Nur Energie wird als Gamma-Teilchen abgegeben.

Gleichartige Atomkerne können verschieden viel Energie in sich tragen. Die energiereicheren Zustände nennt man „angeregt”, manchmal werden solche angeregten Zustände durch den Zusatz "m" (m = metastabil) gekennzeichnet. Fällt der Barium-137m- Kern aus dem angeregten in den stabileren Grundzustand zurück, so wird die überflüssige Energie als Gamma- Strahlung aus dem Kern ausgestoßen. Da Zahl und Ladung der Teilchen im Kern dabei nicht verändert werden, bleiben auch Massen- und Kernladungszahl unverändert.

Krebstherapie mit Gamma-Strahlung

Gamma- Strahlung kann menschliche Zellen schädigen: Sie zerschlägt die DNA-Stränge im Zellkern daraufhin stirbt die Zelle ab. Das kann man in der Krebstherapie einsetzen. Besonders anfällig gegen Strahlenwirkung sind Zellen in der Teilungsphase. Da sich Krebszellen häufiger teilen als gesunde Zellen, sind sie strahlenempfindlicher. Nun muss die Dosis so hoch sein, dass die Zellen absterben und sich nicht nach der Bestrahlung reproduzieren können. Zudem dringt die Gamma- Strahlung tief in den Körper ein und erreicht so auch unzugängliche Tumore. Als Strahlungsquellen werden dabei Kobalt-60 oder Linearbeschleuniger (Beta- und Gamma-Strahler) benutzt.

Um die Wirkung noch besser auf einen Tumor fokussieren zu können, werden „Strahlenkanonen” verwendet, die Strahlung von verschiedenen Seiten auf den Körper richten. Im Bereich des Krebsgewebes treffen sie sich und entfalten nur hier die volle Wirkung.

Bestrahlung von Lebensmitteln

Lebensmittel kann man mit Gamma- Strahlung haltbar machen: Sie dringen durch Äpfel oder Gewürze und töten dabei Krankheitserreger oder Ungeziefer ab. Allerdings erwärmen sie die Lebensmittel dabei nicht: Der Apfel wird nicht zum Bratapfel.

Auch Reife- und Fäulnisprozesse lassen sich beeinflussen, bei Kartoffeln und Zwiebeln lässt sich durch Strahlung verhindern, dass sie keimen. Als Quellen dienen hier wie bei der Tumorbehandlung die Gammastrahlen aus dem Zerfall von Kobalt-60 oder Cäsium-137.

Die Bestrahlung von Lebensmitteln ist allerdings ein umstrittenes Verfahren, das in z. B. Deutschland nur bei Gewürzen und getrockneten Kräutern erlaubt ist. In den Niederlanden oder Frankreich werden Obst oder Fleisch mit Strahlung behandelt. Die Europäische Union arbeitet hier an einer einheitlichen Regelung.

Ein Sonderfall - die Neutronenstrahlung

Neben Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlern gibt es noch einige Sonderfälle. Dabei ist die Neutronenstrahlung sehr wichtig, denn sie spielt bei der Nutzung der Kernenergie eine entscheidende Rolle.

Um die Kettenreaktion in einem Atomreaktor zu starten, braucht man freie Neutronen. Diese strahlt zum Beispiel Beryllium ab, wenn man es mit Alpha-Teilchen beschießt.

Auch in der Natur existiert Neutronenstrahlung - sie entsteht zum Beispiel in den oberen Schichten der Atmosphäre. Verursacht wird sie dort durch Teilchen, die einzelne Neutronen aus den "Luftmolekülen" schlagen.

Dringt ein Alpha-Teilchen in den Beryllium- Kern ein, so entsteht ein instabiles Kohlenstoff-Isotop mit 13 Kernbausteinen (6 Protonen und 7 Neutronen). Einen stabilen Zustand erreicht der Kern dadurch wieder, dass er ein Neutron abstößt. Am Ende steht Kohlenstoff-12.

Auf der rechten Seite der Gleichung lässt sich das Neutron entdecken. Zusätzlich wird auch Gammastrahlung frei, wie man am kleinen Gamma sieht.

Noch ein Sonderfall - der Elektroneneinfang

Bei natürlichen und künstlich erzeugten Radionukliden kann neben dem Alpha- oder Beta- Zerfall noch eine weitere Umwandlungsart auftreten, der so genannte Elektroneneinfang . Der Kern eines neutronenarmen Atoms fängt dabei meist aus der innersten Schale der Elektronenhülle (der K-Schale, daher auch der Name K-Einfang ) ein Elektron ein, wodurch sich ein Proton in ein Neutron umwandelt.

Elektroneneinfang - Ein Beispiel

Das in der Natur vorkommende Isotop Kalium-40 wandelt sich zum Teil unter Elektroneneinfang in das Isotop Argon-40 um. Beim Elektroneneinfang nimmt wie beim Beta-Plus-Zerfall die Kernladungszahl um eine Einheit ab, während die Massenzahl unverändert bleibt.



Commentaires:

  1. Gahiji

    Je pense que cela a déjà été discuté, utilisez la recherche sur le forum.

  2. Kenrick

    Ce n'est pas vrai.

  3. Ohini

    I am sure, sorry, but you could not give a little more information.

  4. Maurn

    Il y a peu de sens à cela.



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