Radioaktiviti

Tiga Jenis Sinaran Mengion

Nukleus tidak stabil boleh melepaskan tenaga dan cas melalui tiga cara yang berbeza secara asas. Sinaran alfa dan beta telah dibezakan seawal tahun 1899 oleh Ernest Rutherford berdasarkan perbezaan kuasa penembusannya; sinaran gama yang lebih menembusi lagi, yang ditemui oleh Paul Villard pada tahun 1900, turut dikelaskan oleh Rutherford ke dalam skema ini pada tahun 1903 — jauh sebelum sifat sebenar ketiga-tiga jenis sinaran ini diketahui.

Perbandingan kuasa penembusan: alfa sudah dihentikan oleh kulit atau kertas, beta memerlukan aluminium, manakala gama baru dihentikan oleh perlindungan plumbum yang tebal.

Separuh Hayat

Reputan radioaktif adalah proses rawak tulen pada peringkat nukleus tunggal — tiada siapa yang boleh meramalkan bila tepatnya sesuatu atom tertentu akan mereput. Namun bagi bilangan nukleus yang besar, ini menghasilkan satu hukum statistik yang tepat: dalam setiap tempoh masa yang sama panjang, iaitu separuh hayat t_½, tepat separuh daripada nukleus yang masih tinggal akan mereput — tanpa mengira berapa banyak bilangannya pada mulanya.

Separuh hayat berbeza-beza secara amat ketara: Polonium-214 mereput dalam sepersepuluh milisaat, manakala Uranium-238 memerlukan 4.5 bilion tahun — hampir sama dengan usia Bumi. Ketekalan ini menjadikan isotop radioaktif "jam" yang tepat, seperti dalam kaedah karbon radioaktif.

Siri Reputan & Keseimbangan Radioaktif

Banyak nukleus berat tidak mencapai kestabilan dalam satu langkah sahaja. Uranium-238, misalnya, melalui satu siri reputan yang terdiri daripada empat belas reputan alfa dan beta berturut-turut, sebelum akhirnya sampai kepada Plumbum-206 yang stabil. Setiap produk perantaraan dalam rantaian ini adalah radioaktif dengan sendirinya, masing-masing dengan separuh hayat tersendiri yang sering kali sangat berbeza.

Nilai 1.17 minit ini adalah untuk isomer berjangka hayat pendek Protaktinium-234m, yang terbentuk dalam lebih daripada 99.8% kes; baki Protaktinium-234 yang berjangka hayat lebih panjang (keadaan asas, separuh hayat ≈ 6.7 jam) turut sampai kepada Uranium-234 melalui laluan sampingan yang lebih jarang berlaku.

Langkah pertama dalam rantaian ini — reputan alfa Uranium-238 — menunjukkan betapa sensitifnya separuh hayat terhadap fizik di sebaliknya. Untuk zarah alfa (nukleus helium) terlepas daripada nukleus uranium, secara klasik ia perlu mengatasi sawar Coulomb — tolakan elektrik antara zarah tersebut dengan baki nukleus yang bercas positif, yang sebenarnya tidak cukup tenaga untuk diatasinya. Namun ia tetap terlepas, tetapi hanya melalui kesan penerowongan kuantum: kebarangkalian yang kecil tetapi bukan sifar untuk menembusi sawar ini pada setiap percubaan, dan bukannya mengatasinya. Betapa kecilnya kebarangkalian ini bergantung secara amat sensitif kepada tenaga yang dibebaskan semasa reputan — dan Uranium-238 membebaskan tenaga yang luar biasa sedikit (kira-kira 4.3 berbanding sehingga 9 megaelektronvolt (MeV) bagi pemancar alfa lain). Ini menjadikan sawar tersebut agak tebal dan percubaan penerowongan itu jarang sekali berjaya: satu nukleus uranium "mencuba" pada kadar yang tidak terbayangkan banyaknya setiap saat, tetapi hampir selalu gagal — secara purata statistik ia baru berjaya selepas 4.47 bilion tahun.

Siri reputan yang sama, tetapi dipaparkan pada carta nuklid (N berbanding Z) dan bukan sebagai rantaian: setiap reputan alfa melompat dua petak ke kiri dan dua ke bawah (Z−2, N−2), setiap reputan beta bergerak satu petak ke kanan dan satu ke bawah (Z+1, N−1). Warna yang sama = elemen yang sama, tanpa mengira kehilangan jisim — U, Po dan Pb muncul beberapa kali sebagai isotop yang berbeza.