cadeia de decaimento - Decay chain


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Na ciência nuclear , a cadeia de decaimento refere-se a uma série de decaimento radioactivo de diferentes radioactivos produtos de decaimento como uma série sequencial de transformações. É também conhecida como uma "cascata radioactivo". A maioria dos radioisótopos não se deterioram directamente para um estado estável, mas sim passam por uma série de decaimentos até que, eventualmente, um estável isótopo é atingido.

Fases de decaimento são referidas pela sua relação com as fases anteriores ou subsequentes. Um isótopo pai é aquele que sofre decaimento para formar um isótopo filha . Um exemplo disto é o urânio (número atómico 92) decaindo em tório (número atómico 90). O isótopo filha pode ser estável ou pode decair para formar um isótopo filha de seu próprio. A filha de um isótopo filha é às vezes chamado de isótopo neta .

O tempo que leva para que um único átomo de pai a deterioração a um átomo do seu isótopo filha pode variar amplamente, não só entre diferentes pares de pai-filha, mas também de forma aleatória entre os emparelhamentos idênticos de pai e filha isótopos. O decaimento de cada um único átomo de ocorrer espontaneamente, e o decaimento de uma população inicial de átomos idênticos ao longo do tempo t , segue uma distribuição de declínio exponencial, e -λt , onde λ é chamado uma constante de decaimento . Uma das propriedades de um isótopo é a sua meia-vida , o tempo em que metade de um número inicial de radioisótopos pai idênticos ter deteriorado para as suas filhas, que é inversamente relacionados com X. As meias-vidas foram determinados em laboratórios para muitos radioisótopos (ou radionuclídeos). Estes podem variar de quase instantânea para tanto como 10 19 de anos ou mais.

As fases intermédias cada emitem a mesma quantidade de radioactividade como o radioisótopo original (isto é, há uma relação de um-para-um entre o número de decaimentos, em fases sucessivas), mas cada fase liberta uma quantidade diferente de energia. Se e quando o equilíbrio é alcançado, cada isótopo filho sucessivo está presente em proporção directa com a sua meia-vida; mas desde que a sua actividade é inversamente proporcional à sua meia-vida, cada nuclídeo na cadeia de decaimento finalmente contribui tantas transformações individuais como a cabeça da cadeia, embora não a mesma energia. Por exemplo, urânio-238 é fracamente radioactivo, mas pitchblende , um minério de urânio, é 13 vezes mais do que o metal radioactivo urânio puro por causa do rádio e outra filha isótopos que ele contém. Não só são instáveis rádio isótopos emissores significativas de radioactividade, mas como a fase seguinte na cadeia de decaimento eles também gerar radão , um, inerte, de ocorrência natural gás radioactivo pesado. Rocha contendo tório e / ou urânio (como alguns granitos) emite gás radônio que podem se acumular em lugares fechados, tais como porões ou minas subterrâneas.

História

Todos os elementos e isótopos encontradas na Terra, com as excepções de hidrogénio, deutério, hélio, hélio-3, e talvez traços de isótopos de lítio e berílio estáveis, que foram criados no Big Bang , foram criados pela s-processo ou o r-processo em estrelas, e para aqueles que ser hoje uma parte da Terra, deve ter sido criado o mais tardar até 4,5 bilhões de anos atrás . Todos os elementos criados mais de 4,5 bilhões de anos atrás são denominados primordial , o que significa que foram gerados por processos estelares do universo. No momento em que eles foram criados, aqueles que eram instáveis começou em decomposição imediatamente. Todos os isótopos que possuem meias-vidas inferiores a 100 milhões de anos foram reduzidos a 2,8 × 10 -12 % ou menos do que quer que valores originais foram criados e capturado por acreção da Terra; eles são de quantidade traço de hoje, ou que tenham deteriorado afastado completamente. Existem apenas dois outros métodos para a criação de isótopos: artificialmente , no interior de um (ou talvez um artificial naturais ) do reactor, ou por meio de decaimento de um pai espécie isotópica, o processo conhecido como a cadeia de decaimento .

Instável isótopos cárie aos seus produtos filha (que às vezes pode ser ainda mais instável) em uma dada taxa; Eventualmente, muitas vezes depois de uma série de decaimentos, um isótopo estável é atingido: existem cerca de 200 isótopos estáveis no universo. Os isótopos estáveis têm proporções de neutrões para protões no seu núcleo, que são típicos de cerca de 1 por elementos leves (por exemplo, uma em hélio-4) e, gradualmente, aumentar para cerca de 1,5 para os elementos mais pesados, tais como chumbo (não existe estabilidade completa por nada mais pesado do que levar-208). Os elementos mais pesados do que o que tem de perder peso para alcançar a estabilidade, mais geralmente como decaimento alfa . O outro método comum de decaimento para isótopos com uma alta proporção de neutrões de protão (N / P) é decaimento beta , na qual as mudanças de nuclídeos identidade elementar, mantendo o mesmo peso e reduzindo o seu rácio de n / p. Para alguns isótopos com uma razão E / P relativamente baixo n, há um decaimento beta inversa , pela qual um protão é transformado em um neutrão, movendo-se, assim, no sentido de um isótopo estável; No entanto, desde a fissão quase sempre produz produtos que são de nêutrons pesado, por emissão de pósitrons é relativamente rara em comparação com emissão de elétrons. Há muitas cadeias relativamente curto decaimento beta, pelo menos, dois (um pesado, decaimento beta e uma luz, pósitrons decaimento) para cada peso discreta até cerca de 207 e alguns mais além, mas para os elementos de peso superiores (isótopos mais pesados do que o chumbo) não apenas quatro percursos que abrangem todas as cadeias de desintegração. Isto é porque há apenas dois métodos principais de decaimento: radiação alfa , o que reduz o peso por 4 unidades de massa atómica (AMuS), e beta, que não altera o peso atómico de todo (apenas o número atómico e a p / n rácio ). Os quatro caminhos são denominados 4n, 4n + 1, 4n + 2, 4n + 3 e; o resto da divisão do peso atómico por quatro dá a cadeia do isótopo usará a deterioração. Existem outros modos de decaimento, mas invariavelmente ocorrer a uma probabilidade inferior a alfa ou decaimento beta. (Não se deve supor que essas cadeias não têm filiais: o diagrama abaixo mostra alguns ramos de cadeias, e na realidade existem muitos mais, porque há muitas mais isótopos possível do que está mostrado no diagrama.)

Três dessas cadeias têm um isótopo de vida longa (ou nuclide) perto do topo; este isótopo de vida longa é um gargalo no processo através do qual os fluxos de cadeia muito lentamente, e mantém a cadeia abaixo deles "vivo" com o fluxo. Os três nuclídeos de longa duração são de urânio-238 (meia-vida = 4,5 bilhões de anos), o urânio-235 (meia-vida = 700 milhões de anos) e tório-232 (meia-vida = 14 bilhões de anos). A quarta cadeia não tem essa longa isótopo gargalo duradoura, por isso quase todos os isótopos em que cadeia já há muito deteriorado até muito perto da estabilidade na parte inferior. Perto do fim da cadeia que é bismuto-209, que foi pensado para ser estável. Recentemente, no entanto, o bismuto-209 foi encontrado para ser instável, com uma meia-vida de 19 bilhões de bilhões de anos; é o último passo antes estável tálio-205. No passado distante, na época em que o sistema solar se formou, havia mais tipos de isótopos de alto peso instáveis ​​disponíveis, e as quatro cadeias eram mais longos com isótopos que têm desde deteriorado distância. Hoje temos fabricados isótopos extintos, que por sua vez levam seus antigos lugares: plutônio-239, o combustível bomba nuclear, como o principal exemplo tem uma meia-vida de "apenas" 24.500 anos, e decai por emissão alfa em urânio-235. Em particular, nós temos através da produção em larga escala de neptúnio-237 ressuscitado com êxito a quarta corrente até agora extinto.

Tipos de decaimento

Este diagrama ilustra as quatro cadeias de desintegração discutidos no texto: tório (4n, em azul), neptúnio (4n + 1, em roxo), rádio (4n + 2, em vermelho) e actínio (4n + 3, em verde).

Os quatro modos mais comuns de decaimento radioactivo são: alfa deterioração , deterioração beta , decaimento beta inversa (considerado como tanto por emissão de positrões e captura de electrões ), e transição isomérica . Destes processos de deterioração, deterioração única alfa altera a massa atómica número ( A ) do núcleo, e sempre que diminui por quatro. Devido a isso, quase qualquer deterioração resultará em um núcleo cujo número de massa atómica tem o mesmo resíduo mod 4, dividindo-se todos os nuclídeos em quatro cadeias. Os membros de qualquer cadeia de decaimento possível deve ser desenhada inteiramente a partir de uma destas classes. Todos os quatro cadeias também produzir hélio-4 (partículas alfa são hélio-4 núcleos).

Três cadeias de desintegração principal (ou famílias) são observados na natureza, comumente chamado de tório série, o rádio ou urânio série, eo actínio série, representando os três destas quatro classes, e terminando em três isótopos diferentes, estáveis de chumbo . O número de massa de cada isótopo nessas cadeias pode ser representado como A  = 4 n , A  = 4 n  + 2, e A = 4 n  + 3, respectivamente. A longa duração a partir de isótopos destes três isótopos, respectivamente tório-232 , urânio-238 e urânio-235 , que já existiam desde a formação de terra, ignorando os isótopos artificiais e suas decaimentos desde a década de 1940.

Devido à relativamente curta meia-vida dos seus isótopos de partida de neptúnio-237 (2,14 milhões de anos), a quarta cadeia, o neptúnio série com A  = 4 n  + 1, é já extinto na natureza, excepto para o passo limitante da taxa final , deterioração de bismuto-209 . O isótopo de término da cadeia é agora conhecido por ser tálio-205 . Algumas fontes mais velhos dar o isótopo final como o bismuto-209, mas descobriu-se recentemente que é muito ligeiramente radioativo, com uma meia-vida de 1,9 × 10 19 de  anos .

Há também cadeias de desintegração não-transurânicos de isótopos instáveis de elementos leves, por exemplo, os de magnésio-28 e de cloro-39 . Em terra, a maioria dos isótopos a partir destas cadeias antes de 1945 foram gerados por radiação cósmica . Desde 1945, os testes e uso de armas nucleares também lançou inúmeros radioativos produtos de fissão . Quase todos os isótopos tal deterioração por qualquer β - ou p + modos de decaimento, mudando a partir de um elemento para outro, sem alterar a massa atómica. Estes produtos filha mais tarde, estar mais perto da estabilidade, geralmente têm mais longas meias-vidas, até que finalmente decair em estabilidade.

cadeias de desintegração alfa Actinídeos

Actinídeos e produtos de cisão por meia-vida
Actinídeos por cadeia de decaimento Meia-vida de
gama ( y )
Produtos de cisão de 235 L de rendimento
4 n 4 n um 4 n 2 4 n +3
4,5-7% 0,04-1,25% <0,001%
228 Ra 4-6 155 Euþ
244 Cmƒ 241 Puƒ 250 Cf 227 Ac 10-29 90 Sr 85 Kr 113m Cdþ
232 Lƒ 238 Puƒ 243 Cmƒ 29-97 137 Cs 151 Smþ 121m Sn
248 Bk 249 Cfƒ 242m Amƒ 141-351

Nenhum produto da fissão
tem uma meia-vida
na faixa de
100-210 k anos ...

241 Amƒ 251 Cfƒ 430-900
226 Ra 247 Bk 1,3 k - 1,6 k
240 Pu 229 Th 246 Cmƒ 243 Amƒ 4,7 k - 7,4 k
245 Cmƒ 250 Cm 8,3 k - 8,5 k
239 Puƒ 24,1 k
230 Th 231 Pa 32 k - k 76
236 Npƒ 233 Uƒ 234 L 150 K - 250 K 99 Tc 126 Sn
248 Cm 242 Pu 327 k - 375 k 79 Se
1,53 M 93 Zr
237 Npƒ 2,1 M - 6,5 M 135 Cs 107 Pd
236 L 247 Cmƒ 15 H - 24 H 129 I
244 Pu 80 M

... nem além de 15,7 M anos

232 Th 238 U 235 Lƒ№ 0,7 L - 14,1 g

Legenda para os símbolos de sobrescrito
₡ tem térmica captura de neutrões secção transversal na gama de 8-50 celeiros
ƒ  físsil
isómero metaestável
№ principalmente um material radioactivo natural (NORM)
þ  neutrões veneno (secção transversal de captura de neutrões térmico maior do que 3k celeiros)
† intervalo : 4-97 y produtos de cisão Médio duração
‡ mais de 200.000 y: produtos de cisão de vida longa

Nos quatro tabelas abaixo, os ramos menores de decaimento (com a probabilidade de ramificação inferior a 0,0001%) são omitidos. A libertação de energia inclui a energia cinética total de todas as partículas emitidas ( electrões , partículas alfa , gama quanta , neutrinos , electrões Auger e raios-X ) e o núcleo de recuo, assumindo que o núcleo original em repouso. A letra 'a' representa um ano (do latim annus ).

Nas tabelas abaixo (exceto neptunium), também são dadas os nomes históricos dos nuclídeos naturais. Estes nomes foram usados ​​no momento em que as cadeias de desintegração foram descobertos e investigados pela primeira vez. A partir desses nomes históricos pode-se localizar a cadeia específica a que o nuclide pertence, e substituí-lo por seu nome moderno.

As três que ocorrem naturalmente cadeias de desintegração dos actinídeos alfa dadas abaixo-tório, urânio / rádio (a partir de U-238), e actínio (a partir de U-235) -cada termina com a sua própria ligação isótopo específico (Pb-208, Pb-206, e Pb-207, respectivamente). Todos estes isótopos são estáveis e também estão presentes na natureza como nuclídeo primordial , mas suas quantidades excessivas em comparação com o chumbo-204 (que tem apenas uma origem primordial) podem ser usados na técnica de urânio-chumbo namoro para datar rochas.

série tório

Decay Cadeia Thorium.svg

A cadeia de 4N de Th-232 é vulgarmente chamado de "série tório" ou "tório cascata". Começando com ocorrência natural tório -232, esta série inclui os seguintes elementos: actínio , bismuto , chumbo , polônio , rádio , de radão e tálio . Todos estão presentes, pelo menos transitoriamente, em qualquer amostra experimental contendo tório, quer de metal, composto, ou mineral. A série termina com chumbo-208.

A energia total libertada a partir de tório-232 para levar-208, incluindo a energia perdida para neutrinos , é 42,6 MeV.

nuclide nome histórico (short) nome histórico (longo) modo de decaimento meia-vida
( a = ano)
energia liberada, MeV produto de decomposição
252 Cf α 2.645 a 6,1181 248 Cm
248 Cm α 3,4 × 10 5 um 5,162 244 Pu
244 Pu α 8 × 10 7 um 4.589 240 L
240 L β - 14.1 h .39 240 Np
240 Np β - 1.032 h 2.2 240 Pu
240 Pu α 6561 um 5,1683 236 L
236 L Thoruranium α 2,3 × 10 7 um 4.494 232 Th
232 Th º Tório α 1.405 × 10 10 um 4.081 228 Ra
228 Ra MsTh 1 Mesothorium 1 β - 5.75 um 0,046 228 Ac
228 Ac MsTh 2 Mesothorium 2 β - 6.25 h 2.124 228 Th
228 Th RdTh Radiothorium α 1,9116 a 5.520 224 Ra
224 Ra THX tório X α 3,6319 d 5.789 220 Rn
220 Rn Tn Thoron,
tório emanação
α 55,6 s 6.404 216 Po
216 Po ThA tório A α 0,145 s 6,906 212 Pb
212 Pb ThB tório B β - 10,64 h 0,570 212 Bi
212 Bi ThC tório C β - 64,06%
α 35,94%
60.55 min 2.252
6.208
212 Po
208 Tl
212 Po ThC ' Tório C ' α 299 ns 8,784 208 Pb
208 Tl ThC " Tório C " β - 3.053 min 1.803 208 Pb
208 Pb ThD tório D estável . . .

série Neptunium

Cadeia de decaimento (4n + 1, neptúnio Série) .svg

A uma cadeia de 4n + de Np-237 é vulgarmente chamado de "série neptúnio" ou "cascata neptúnio". Nesta série, apenas dois dos isótopos envolvidos são encontrados naturalmente, nomeadamente a última dois: bismuto-209 e tálio-205 . Um detector de fumo contendo um amerício -241 câmara de ionização acumula uma quantidade significativa de neptúnio -237 como a sua amerício decai; os seguintes elementos estão também presentes na mesma, pelo menos transitoriamente, como produtos de decaimento do neptúnio: actínio , astatine , bismuto, frâncio , chumbo , polônio , Protactínio , rádio , tálio, tório e urânio . Desde esta série só foi estudado mais recentemente, seus nuclídeos não têm nomes históricos. Uma característica única desta cadeia de decaimento é que ele não inclui a nobre-gás radão , e, portanto, não migra através da rocha quase tanto quanto os outros três cadeias de desintegração.

A energia total liberada a partir califórnio-249 com tálio-205, incluindo a energia perdida para neutrinos , é 66,8 MeV.

nuclide modo de decaimento meia-vida
( a = ano)
energia liberada, MeV produto de decomposição
249 Cf α 351 um 5,813 + 0,388 245 Cm
245 Cm α 8500 um 5,362 + 0,175 241 Pu
241 Pu β - 14,4 um 0,021 241 Am
241 Am α 432,7 um 5.638 237 Np
237 Np α 2,14 · 10 6 uma 4,959 233 Pa
233 Pa β - 27,0 d 0,571 233 L
233 L α 1,592 · 10 5 um 4.909 229 Th
229 Th α 7340 um 5.168 225 Ra
225 Ra β - 14,9 d 0,36 225 Ac
225 Ac α 10,0 d 5.935 221 P.
221 P. α 4,8 min 6,3 217 No
217 No α 32 ms 7 213 Bi
213 Bi β - 97,80%
α 2,20%
46,5 min 1.423
5,87
213 Po
209 Tl
213 Po α 3,72 mS 8,536 209 Pb
209 Tl β - 2,2 min 3.99 209 Pb
209 Pb β - 3.25 h 0,644 209 Bi
209 Bi α 1,9 · 10 19 um 3.137 205 Tl
205 Tl . estável . .

séries de urânio

O 2 cadeia de 4n + de U-238 é chamado de "séries de urânio" ou "série de rádio". Começando com ocorrência natural de urânio-238 , esta série inclui os seguintes elementos: astatine , bismuto , chumbo , polônio , Protactínio , rádio , rádon , tálio , e tório . Todos estão presentes, pelo menos transitoriamente, em qualquer amostra experimental contendo urânio, quer de metal, composto, ou mineral. A série termina com chumbo-206.

A energia total liberada a partir de urânio-238 para conduzir-206, incluindo a energia perdida para neutrinos , é 51,7 MeV.

pai nuclear nome histórico (short)
nome histórico (longo) massa atômica modo de decaimento chance de ramo meia vida energia liberada, MeV nuclídeo filha MeV subtotal
238 L U I urânio I 238,051 α 100% 4,468 · 10 9 um 4,26975 234 Th 4,2698
234 Th UX 1 Urânio X 1 234,044 β - 100% 24,10 d 0.273088 234m Pa 4,5428
234m Pa UX 2 , Bv Urânio X 2 , Brevium 234,043 ISTO 0,16% 1.159 min 0,07392 234 Pa 4,6168
234m Pa UX 2 , Bv Urânio X 2 , Brevium 234,043 β - 99,84% 1.159 min 2.268205 234 L 6,8110
234 Pa UZ urânio Z 234,043 β - 100% 6.70 h 2.194285 234 L 6,8110
234 L L II urânio II 234,041 α 100% 2,455 · 10 5 um 4,8598 230 Th 11,6708
230 Th io Ionium 230,033 α 100% 7,54 · 10 4 um 4,76975 226 Ra 16,4406
226 Ra Ra Rádio 226,025 α 100% 1600 a 4,87062 222 Rn 21,3112
222 Rn Rn Radon, Radium emanação 222,018 α 100% 3,8235 d 5,59031 218 Po 26,9015
218 Po RAA Radium A 218,009 β - 0,020% 3.098 min 0.259913 218 No 27,1614
218 Po RAA Radium A 218,009 α 99,980% 3.098 min 6,11468 214 Pb 33,0162
218 No 218,009 β - 0,1% 1,5 s 2.881314 218 Rn 30,0428
218 No 218,009 α 99,9% 1,5 s 6,874 214 Bi 34,0354
218 Rn 218,006 α 100% 35 ms 7,26254 214 Po 37,3053
214 Pb Rab Radium B 214.000 β - 100% 26,8 min 1.019237 214 Bi 34,0354
214 Bi RaC Radium C 213,999 β - 99,979% 19,9 min 3.269857 214 Po 37,3053
214 Bi RaC Radium C 213,999 α 0,021% 19,9 min 5,62119 210 Tl 39,6566
214 Po CCR' Radium C' 213,995 α 100% 164,3 mS 7,83346 210 Pb 45,1388
210 Tl CCR" Radium C" 209,990 β - 100% 1,30 min 5,48213 210 Pb 45,1388
210 Pb RAD Radium D 209,984 β - 100% 22,20 um 0.063487 210 Bi 45,2022
210 Pb RAD Radium D 209,984 α 1,9 · 10 -6  % 22,20 um 3,7923 206 Hg 48,9311
210 Bi Rae Radium E 209,984 β - 100% 5,012 d 1.161234 210 Po 46,3635
210 Bi Rae Radium E 209,984 α 13,2 · 10 -5  % 5,012 d 5,03647 206 Tl 50,2387
210 Po Raf Radium F 209,983 α 100% 138,376 d 5,40745 206 Pb 51,7709
206 Hg 205,978 β - 100% 8,32 min 1.307649 206 Tl 50,2387
206 Tl Rae" Radium E" 205,976 β - 100% 4.202 min 1.532221 206 Pb 51,7709
206 Pb trapo Radium G 205,974 estável - - - - 51,7709

série actinium

O 4n + 3 cadeia de urânio-235 é vulgarmente chamado de "série actínio" ou "cascata plutónio". Começando com o isopo de ocorrcia natural L-235, esta série de decaimento inclui os seguintes elementos: actínio , astatine , bismuto , frâncio , chumbo , polônio , Protactínio , rádio , rádon , tálio , e tório . Todos estão presentes, pelo menos transitoriamente, em qualquer amostra contendo urânio-235, quer de metal, composto, o minério, ou mineral. Esta série termina com o isótopo estável chumbo-207 .

A energia total liberada a partir de urânio-235 para conduzir-207, incluindo a energia perdida para neutrinos , é de 46,4 MeV.

nuclide nome histórico (short) nome histórico (longo) modo de decaimento meia-vida
( a = ano)
energia liberada, MeV produto de decomposição
251 Cf α 900,6 um 6.176 247 Cm
247 Cm α 1,56 · 10 7 um 5.353 243 Pu
243 Pu β - 4.95556 h 0,579 243 Am
243 Am α 7388 um 5.439 239 Np
239 Np β - 2,3565 d 0,723 239 Pu
239 Pu α 2,41 · 10 4 um 5.244 235 L
235 L AcU urânio actina α 7,04 · 10 8 um 4.678 231 Th
231 Th UY Y urânio β - 25.52 h 0,391 231 Pa
231 Pa Pa Protactínio α 32760 a 5.150 227 Ac
227 Ac CA Actínio β - 98,62%
α 1,38%
21,772 uma 0,045
5,042
227 Th
223 P.
227 Th RDAC Radioactinium α 18,68 d 6.147 223 Ra
223 P. ACK actinium K β - 99,994%
α 0,006%
22.00 min 1.149
5.340
223 Ra
219 No
223 Ra ACX actinium X α 11,43 d 5,979 219 Rn
219 No ct 97.00%
β - 3,00%
56 s 6.275
1.700
215 Bi
219 Rn
219 Rn A Actinon,
Actinium emanação
α 3.96 s 6.946 215 Po
215 Bi β - 7,6 min 2.250 215 Po
215 Po AcA actinium A ct 99,99977%
β - 0,00023%
1.781 ms 7,527
0,715
211 Pb
215 No
215 No α 0,1 ms 8,178 211 Bi
211 Pb AcB actinium B β - 36,1 min 1.367 211 Bi
211 Bi ACC actínio C a- 99,724%
β - 0,276%
2,14 min 6,751
0,575
207 Tl
211 Po
211 Po ACC' Actínio C' α 516 ms 7.595 207 Pb
207 Tl ACC" Actinium C" β - 4,77 min 1,418 207 Pb
207 Pb AcD actínio D . estável . .


Veja também

Notas

Referências

  • CM Lederer; JM Hollander; I. Perlman (1968). Tabela de Isótopos (6th ed.). New York: John Wiley & Sons .

links externos