9 YDINSÄTEILY RADIOAKTIIVINEN HAJOAMINEN Alle 10 % kaikista nuklideista on pysyviä Muut ytimet ovat radioaktiivisia, eli ne hajoavat spontaanisti Hajoamisen yhteydessä ydin emittoi säteilyä Ydinsäteily on joko hiukkassäteilyä tai sähkömagneettista säteilyä tai molempia Ydinsäteilyn lajit ovat alfa-, beeta-, gamma- tai neutronisäteily Alfa-, beeta- ja gammasäteily ovat ionisoivaa säteilyä, eli ne ionisoivat atomeja ja molekyylejä, joihin ne törmäävät Neutronisäteily ei ole ionisoivaa, mutta siihen liittyy yleensä gammasäteilyä Taustasäteily on luonnossa tapahtuvien hajoamisten säteilyä tai avaruuden kosmista säteilyä ALFASÄTEILY Sanotaan, että ydin on alfa-aktiivinen, jos se hajotessaan emittoi alfahiukkasen Ydin muuttuu toisen alkuaineen ytimeksi Alkuperäinen ydin on emoydin ja uusi ydin tytärydin Alfahiukkasen rakenne on sama kuin 42He-ytimellä 4 2He-ytimen sidososuus on suurempi kuin yksittäisen nukleonin sidososuus Alfahiukkasen kantama on vain muutamia senttimetrejä ja se pysähtyy törmätessään paperiin ALFAHAJOAMINEN Ytimen alfahajoamisen yhtälö on missä X on emoydin ja Y tytärydin 𝐴 𝑍X → 𝐴−4 4 𝑍−2Y + 2He, Törmätessään aineeseen, alfahiukkanen ionisoi atomeja irrottamalla niistä elektroneja Alfahiukkasesta muodostuu heliumatomi alfa-aktiivisen aineen lähellä havaitaan heliumkaasua BEETASÄTEILY Beeta-aktiiviset ytimet emittoivat hajotessaan joko 𝛽 − -hiukkasen, eli elektronin (𝑒 − ) tai 𝛽 + -hiukkasen, eli positronin (𝑒 + ) Positroni on elektronin antihiukkanen Beetahajoaminen on heikon vuorovaikutuksen seurausta Vuorovaikutuksen seurauksena kvarkit muuttuvat siten, että protonista tulee neutroni tai päinvastoin Heikko vuorovaikutus vaikuttaa vain beetahajoamisen yhteydessä BEETASÄTEILY Beetahiukkasen liike-energia voi saada mitä tahansa arvoja nollan ja tietyn maksimin välillä ?? Energian ja liikemäärän säilymislain perusteella beetahiukkanen voisi saada vain tietyn maksimiarvon Wolfgang Pauli esitti hypoteesin (vuosi 1930), että ytimestä emittoituu myös neutriino tai antineutriino 1956 todettiin kokeellisesti neutriinon olemassaolo Neutriino ja sen antihiukkanen, antineutriino, ovat massattomia ja varauksettomia ja liikkuvat valonnopeudella 𝛽 + -hajoaminen. 𝑊 + eli välibosoni on heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen, joka emittoituu, kun protoni muuttuu neutroniksi. Välibosoni hajoaa positroniksi ja neutriinoksi. 𝛽 − -HAJOAMINEN 𝛽 − -aktiivisissa ytimissä neutroni muuttuu protoniksi ja emittoituu elektroni ja antineutriino 1 0n ⟶ 11p + −10e + 𝜈ҧ 𝛽 − -hajoamisyhtälö on 𝐴 𝑍X Massaluku säilyy, järjestysluku kasvaa yhdellä ⟶ 𝐴 𝑧+1Y + −10e + 𝜈ҧ Muissa kuin 𝛽 − -ytimissä neutroni on pysyvä.Ytimestä vapaa neutroni hajoaa aina spontaanisti protoniksi ja elektroniksi. 𝛽 + -HAJOAMINEN 𝛽 + -aktiivisissa ytimissä protoni muuttuu neutroniksi ja emittoituu positroni ja neutriino 1 1p ⟶ 10n + +10e + 𝜈 𝛽 + -hajoamisyhtälö on 𝐴 𝑍X ⟶ Massaluku säilyy, järjestysluku pienenee yhdellä 𝐴 𝑧−1Y + +10e + 𝜈 Huomaa, että vapaa protoni ei koskaan voi hajota spontaanisti neutroniksi ja positroniksi! ANNIHILAATIO Elektronin ja sen antihiukkasen, positronin kohdatessa, ne yhdistyvät eli annihiloituvat Annihilaatiossa positronista ja elektronista syntyy kaksi gammakvanttia 0 +1𝑒 + −10𝑒 ⟶ 2𝛾 ELEKTRONISIEPPAUS Kun atomin järjestysluku on suuri, sen ytimessä on suuri positiivinen sähkövaraus Sisimmät elektronit ovat lähellä ydintä Ydin voi siepata elektronin sisimmältä K-kuorelta Syntyneeseen aukkoon siirtyy elektroni ylemmältä kuorelta ja atomista emittoituu röntgensäteilyä Ytimessä elektroni reagoi protonin kanssa ja syntyy neutroni: 11p + −10e ⟶ 10n + 𝜈 Elektronisieppaus 𝐴 𝑍X + −10e ⟶ 𝐴 𝑍−1Y +𝜈 ESIMERKKI 1 Kirjoita seuraavien ytimien hajoamisyhtälöt: a) 24 Na b) 229 Th c) 208 Bi d) 197 Hg GAMMASÄTEILY Ytimen hajotessa saattaa tytärydin jäädä viritystilalle Viritystila purkautuu spontaanisti, jolloin emittoituu sähkömagneettista säteilyä, gammasäteilyä Gammasäteilyn aallonpituudella voidaan tunnistaa radioaktiivisia aineita Gammasäteily on hyvin läpitunkevaa ja vaarallista eläville kudoksille ESIMERKKI 2 K17/9 (OSA) Kuva B liittyy radioisotooppi 99𝑚 Tc tuottamiseen ja sen käyttöön lääketieteellisessä kuvantamisessa, jossa havainnoidaan gammasäteilyä.Vastaa lyhyesti. Mistä atomin rakenneosien energiatasoista on kyse, ja mitkä perusvuorovaikutukset ovat keskeisiä niiden muodostumisessa? Miten teknetiumytimen viritystila 99𝑚Tc syntyy? Laske emittoituvan sähkömagneettisen säteilyn suurin mahdollinen aallonpituus. Ratkaisu: GAMMASÄTEILY Gammasäteily vaikuttaa aineen kanssa Valosähköilmiössä Comptonin ilmiössä Parinmuodostuksessa Parinmuodostuksessa riittävän suurienerginen gammafotoni voi muuttua positroniksi ja elektroniksi 𝛾⟶ 0 0 −1e + +1e Parinmuodostusta seuraa aina annihilaatio, kun positroni kohtaa elektronin Parinmuodostus ja annihilaatio ovat osoituksia massan ja energian ekvivalenssista