В принципе, почему некоторые ядра испускают ионизирующее излучение?

Все элементы выше Железа создаются, когда звезда взрывается под действием собственной гравитации в форме сверхновой. Эти тяжелые элементы выбрасываются в космос в этом процессе и продолжают формировать части планет, таких как Земля. Это включает в себя все их различные радиоактивные изотопы.

С момента образования нестабильного изотопа он хочет радиоактивно распасться, чтобы достичь более стабильной конфигурации. Это будет продолжаться до тех пор, пока атом не достигнет состояния с чрезвычайно длительным периодом полураспада (например,$\text{Pb}^{82}$). Вот три наиболее важных способа распада атома:

1)$\alpha$-Распад: выброс гелия$(\text{He}^{2+})$ион

2)$\beta^-$-Распад: выброс электрона$(\text{e}^{-}) \text{ and anti-neutrino}(\bar v_e)$

3)$\beta^+$-Распад: выброс позитрона$(\text{e}^{+}) \text{ and neutrino} (v_e)$

Эти три элемента по-разному влияют на атомное и массовое число, о чем вы можете прочитать здесь . Весь радиоактивный распад подчиняется кинетике первого порядка. $\gamma$Высвобожденные -лучи - это просто разница в массе двух атомов. Это происходит согласно известному уравнению Эйнштейна$E=\Delta mc^2$. Это только основы, которых должно быть достаточно для понимания целей.

Об основной теоретической основе:
В приемлемом приближении полную внутреннюю энергию ядра можно рассматривать как результат двух сил: сильной ядерной силы и электростатической силы .

Все протоны в ядре отталкиваются друг от друга, поскольку все они заряжены положительно; это сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает ядро ​​вместе. Дальность сильного ядерного взаимодействия ограничена. Для большого ядра сильная ядерная сила не распространяется с одной стороны ядра на другую. Вот почему для ядер тяжелее ядер свинца не существует стабильного изотопа.

В статье в Википедии о радиоактивном распаде также есть диаграмма с таблицей изотопов.

Для самых легких элементов в ядре имеется соответствующее количество нейтронов и протонов. Чем выше атомный номер, тем больше нейтронов по отношению к протонам. Нейтроны вносят вклад в общее количество сильной ядерной силы, удерживающей ядро ​​вместе, но не в электростатическую силу, тем самым поддерживая стабильность ядра.

Для каждого атомного номера существует оптимальное соотношение нейтронов и протонов. Для изотопа с таким оптимальным соотношением нет доступного режима распада: все состояния, которые могут быть достигнуты через любой из режимов распада, представляют собой более высокое энергетическое состояние, чем то, в котором это ядро ​​уже находится.

Есть очень интересное видео о распаде ядер от научного ютубера Скотта Мэнли. (Целевая аудитория - новички, и Скотт часто предупреждает: «Конечно, это грубое упрощение».)

Возникает естественный вопрос: хорошо, если режим распада доступен, почему многие изотопы имеют такой долгий период полураспада?

Скотт Мэнли приводит один пример, когда единственный доступный режим распада требует, чтобы два бета-распада происходили одновременно (или, по крайней мере, в течение достаточно короткого промежутка времени). Это значительно снижает вероятность такого распада.

Любой радиоактивный распад должен преодолеть энергетический горб. Обычное изображение представляет собой мрамор на выступе с краем рядом с длинным крутым склоном холма. Если шарик может пройти через обод, он может катиться до конца вниз, но сначала он должен преодолеть этот край.

Для ядра изотопа с длительным периодом полураспада: при наличии достаточного количества времени в какой-то момент времени какая-то часть ядра будет обладать энергией, чтобы преодолеть горб. Вероятность преодоления горба никогда не равна нулю, но чем выше начальный горб, тем меньше вероятность.

Подтверждая комментарий PM 2ring, я вычеркнул два предыдущих абзаца. Неверная картина, даже с учетом грубого упрощения .

Новая попытка: мода распада — не единый процесс, а комплексный процесс. Существует достаточно сложностей, так что в зависимости от конкретных обстоятельств вероятность того, что распад вообще произойдет, может быть очень низкой.

Я хочу исправить ваш вопрос: вы сказали, что$\alpha$и$\beta$излучения «наблюдаемы» внутри ядра. Если я вас правильно понял, вы имеете в виду, что до распада эти частицы были частью ядра. Для$\alpha$частицы это правильно, но совсем не для$\beta$:

Ядро состоит из протонов и нейтронов, то есть только из кварков (частиц, которые их создают), а бета-частица — это электрон или позитрон, который не является кварком (технически это разновидность лептона). Это означает, что бета-частица не могла наблюдаться в ядре до распада, потому что ее там изначально не было!

Чтобы понять, что происходит, нужно понять природу$\beta$распад (который называют «слабым взаимодействием»). Это довольно сложно, но для начала вы должны знать о двух важных кварках: верхнем кварке (назовем его «u») и нижнем кварке («d»). u-кварк имеет электрический заряд$+\frac{2}{3} e$а d-кварк имеет заряд$-\frac13 e$(где$-e$- заряд электрона, а$e$заряд протона). Протон состоит всего из 2 верхних кварков и одного нижнего кварка, поэтому общий заряд равен$\frac23 e + \frac23 e - \frac13 e = e$, а нейтрон - это один верхний кварк и 2 нижних кварка, поэтому общий заряд равен$\frac23 e -\frac13 e - \frac13 e=0$(нейтральная частица).

При бета-распаде верхний кварк становится нижним кварком или наоборот (что «превращает» протон: uud в нейтрон: udd или наоборот). Обратите внимание, однако, что они имеют разный электрический заряд. Для сохранения заряда то, что в какой-то момент нижний кварк «решит» стать верхним кварком, приобретет электрический заряд$e$(идет от$-\frac13 e$к$\frac23 e$), что означает что-то еще с зарядом$-e$нужно создать, чтобы это произошло: электрон! То есть сначала вообще не было электрона (кварки — это элементарные частицы, они не состоят из электронов), а в момент распада родилась бета-частица. Бета-частица не могла наблюдаться до распада, потому что ее еще не существовало.

Этот ответ не отвечает на ваш вопрос, но он слишком длинный для комментария, и я думаю, что его стоит обсудить. Я надеюсь, что это помогло немного понять больше.

Во-первых, давайте оставаться скромными. Для начала давайте вспомним, что на самом деле никто не знает ответа на ваш вопрос. Такова природа научного метода:

• Мы наблюдаем макро явления.
• Мы абстрагируем то, что видим.
• Мы думаем: "если это правильно, то... верно".
• Проверим экстраполяцию эмпирически.
• Мы уточняем нашу абстракцию в зависимости от результата.

Мы никогда не знаем наверняка. Революции в физике происходят, когда какой-нибудь способный и любознательный человек думает, что в статус-кво есть дыра, и предлагает решение. Он / она либо ошибается экспериментально, либо становится гигантом, обычно после смирения.

Имея это в виду, давайте вспомним, что деление сил на «сильные», «слабые» и «электростатические» является совершенно искусственной абстракцией, доказавшей свою полезность. Это текущая «стандартная модель», и это всего лишь модель. Были и другие прозрения, которые пока еще не произвели революцию в понимании.

В частности, есть идея Юкавы о потенциале, который объединяет эти три силы в более сложный потенциал. Причина в том, что природа не терпит математических особенностей. Поэтому электростатический потенциал должен иметь другую форму на малых радиусах. Юкава смоделировал эту идею с помощью числителя, который стремится к нулю на обратном радиусе, но быстро стремится к единице на расстояниях порядка ядерного радиуса. Наклон с малым радиусом — это «сильная» сила, переходный наклон с большим радиусом — это «слабая» сила, а асимптотический наклон — это электростатический закон обратных квадратов (сила — это пространственная производная или наклон потенциала).

При таком подходе вы получаете глубокую, но конечную яму в центре нуклона. При таком подходе основной движущей силой радиоактивного распада является исключительно электростатический дисбаланс. Работа Юкавы была, конечно, не совсем правильной, но она остается влиятельной. Есть много других функций, которые проявляют желаемые свойства, так что, возможно, мы имеем случай, подобный историческому развитию статистики Бозе-Эйнштейна, лежащей в основе излучения черного тела, где ранние попытки примирить «ультрафиолетовую катастрофу» были близки, но не совсем верно.

Что касается очевидного отсутствия отрицательного заряда в ядре, следует помнить, что свободный нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино с периодом полураспада около 12 минут.

Это говорит о том, что нейтрон может быть поляризован, поскольку в этом направлении мышления он представляет собой комбинацию электрона и протона. На самом деле, это проверено опытным путем. Я помню, как лет 15 назад присутствовал на презентации результатов такого теста. В то время поляризуемость нейтрона сопротивлялась попыткам измерения, способным дать разрешение от 10 до -27 метров, что указывало на то, что сила связи этой конкретной комбинации очень «сильна». Такой тест — «большая» наука — он очень дорогой.

Если принять эти рассуждения, то в ядре барьеры ниже, и электрон, который развязывает один протон, в стабильном случае быстро связывает другой. В нестабильном случае нейтронов слишком много, поэтому существует некоторая вероятность бета-излучения, которой нельзя пренебрегать. В случае большого ядра с недостаточным количеством нейтронов существует некоторая немалая вероятность разрыва целого блока, обычно альфа-излучения из-за большой стабильности этой конфигурации, но в контексте некоторого энергетического возмущения, возможно, деления.

Мысль состоит в том, что электрон в нейтроне может уравновешивать более чем один ядерный протон из-за короткодействующей формы потенциала.

Наконец, радиоактивный распад не ограничивается большими ядрами. Получите копию изотопной таблицы периодической диаграммы и потратьте несколько часов (или дней, или лет), исследуя взаимосвязь между стабильностью, линией нейтронного и протонного стока. Вся эта сложность является эмпирическими данными и поэтому должна быть принята как факт.

Некоторые могут критиковать спекулятивные нестандартные предположения, лежащие в основе этого направления мышления. У меня есть гигантские плечи Юкавы, на которые я могу встать и помочь подавить часть этого. Необходимо мыслить дальше статус-кво. Но что более важно, необходимо математически количественно определить качественные идеи таким образом, чтобы это предсказывало известный эмпиризм. Это очень тяжело.

Такая смелость обязательно приведет к ошибкам, но может привести к величию. Возможно, вы достаточно сильны, чтобы ответить на свой вопрос еще при жизни и стать легендой. Я знаю, что это не так.

То, что здесь говорили другие, является повторением стандартной модели. То, что они сказали, не является неправильным, но оно также не отвечает на суть вашего вопроса, который коренится в чистом любопытстве и удивлении, окружающих неизвестное и непознаваемое. Спасибо за смелость удивиться!

Моя любимая цитата Альберта Эйнштейна:

«Было бы достаточно, чтобы действительно понять электрон».

Возможно, ответ на ваш вопрос заключается в том, чтобы по-настоящему понять нейтрон, который, с этой точки зрения, является фундаментальным механизмом, управляющим радиоактивным распадом.

Ваш вопрос касается двух связанных понятий: радиоактивный распад и ионизирующее излучение . Любая заряженная частица с массой может ионизировать атомы, если у нее достаточно кинетической энергии, поэтому альфа- и бета-излучение ионизируют. Гамма-излучение также является ионизирующим, потому что оно состоит из фотонов со значительно большей энергией, чем практический порог, обычно устанавливаемый между 10 и 100 эВ . Итак, радиоактивный распад производит ионизирующее излучение.

Однако радиоактивный распад также приводит к другим эффектам, таким как испускание нейтронов и захват электронов . Ваш вопрос, кажется, сосредоточен на том, почему происходит радиоактивный распад, а не на его последствиях для другой материи поблизости, например. независимо от того, приводит ли это к «ионизирующему» излучению.

Как отмечалось в других ответах, радиоактивный распад — это спонтанный коллапс ядерной структуры, которая является метастабильной по сложным квантово-механическим причинам, на которые прямо отвечает этот вопрос . Учебник по ядерной физике, вероятно, был бы лучшим ресурсом, чем Stack Exchange, для понимания этой темы.

Чтобы ответить на последнюю часть вашего вопроса, радиоизотоп «рождается радиоактивным», потому что он является частью цепочки распада (или был создан в какой-то другой ядерной реакции) и сам «умрет» от радиоактивного распада в какой-то случайный момент времени. будущее.