Hiện tượng phóng xạ, tia α, β, γ và phương trình phân rã

Ba đặc điểm cần nhớ:

• Tự phát: không do tác nhân bên ngoài. Nhiệt độ, áp suất, hoá hợp, từ trường hầu như không ảnh hưởng.
• Không điều khiển được: ta không làm nó nhanh lên hay chậm đi, cũng không dừng được.
• Ngẫu nhiên: không thể biết một hạt nhân cụ thể phân rã lúc nào; chỉ biết xác suất phân rã trong một khoảng thời gian, và với số hạt nhân rất lớn thì có quy luật thống kê (bài sau).

Trong từ trường (hoặc điện trường), tia $\alpha$ và $\beta^+$ lệch về một phía, tia $\beta^-$ lệch về phía ngược lại (vì điện tích trái dấu), tia $\gamma$ không lệch. Tia $\beta$ nhẹ hơn nhiều nên lệch mạnh hơn tia $\alpha$. Tốc độ: $\alpha$ cỡ $10^7$ m/s, $\beta$ gần bằng tốc độ ánh sáng, $\gamma$ đúng bằng $c$.

Biển báo nguy hiểm phóng xạ: hình cánh quạt ba cánh trên nền vàng. Tia phóng xạ làm tổn thương tế bào nên cần quy tắc an toàn (bài cuối của phần).

Tổng số khối và tổng điện tích hai vế bằng nhau.

Phân rã $\alpha$: hạt nhân mẹ phát ra một hạt $\alpha$.

$$^{A}_{Z}\text{X}\to{}^{4}_{2}\text{He}+{}^{A-4}_{Z-2}\text{Y}.$$

Số khối giảm $4$, số proton giảm $2$ (lùi $2$ ô trong bảng tuần hoàn). Ví dụ $^{238}_{92}\text{U}\to{}^{4}_{2}\text{He}+{}^{234}_{90}\text{Th}$.

Phân rã $\beta^-$: một neutron biến thành proton, phát ra electron và phản neutrino $\bar\nu$.

$$^{A}_{Z}\text{X}\to{}^{0}_{-1}\text{e}+{}^{A}_{Z+1}\text{Y}\ (+\bar\nu).$$

$A$ không đổi, $Z$ tăng $1$. Ví dụ $^{14}_{6}\text{C}\to{}^{0}_{-1}\text{e}+{}^{14}_{7}\text{N}$.

Phân rã $\beta^+$: một proton biến thành neutron, phát ra positron và neutrino $\nu$.

$$^{A}_{Z}\text{X}\to{}^{0}_{+1}\text{e}+{}^{A}_{Z-1}\text{Y}\ (+\nu).$$

$A$ không đổi, $Z$ giảm $1$. Ví dụ $^{22}_{11}\text{Na}\to{}^{0}_{+1}\text{e}+{}^{22}_{10}\text{Ne}$.

Phóng xạ $\gamma$: hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích, chuyển về trạng thái thấp hơn bằng cách phát phôtôn $\gamma$. $A$, $Z$ không đổi: $^{A}_{Z}\text{X}^*\to{}^{A}_{Z}\text{X}+\gamma$. Tia $\gamma$ thường đi kèm phân rã $\alpha$ hoặc $\beta$.

Neutrino không mang điện, khối lượng cực nhỏ, không ảnh hưởng $A$ và $Z$ nên bài toán cơ bản thường bỏ qua, nhưng nhờ nó mà phân rã $\beta$ mới bảo toàn được năng lượng và động lượng.

Hạt mẹ đứng yên phân rã thành hạt $\alpha$ và hạt con Y. Năng lượng toả ra $\Delta E=(m_X-m_\alpha-m_Y)c^2$ chia thành động năng hai hạt: $K_\alpha+K_Y=\Delta E$.

Bảo toàn động lượng (tổng ban đầu bằng $0$): $\vec p_\alpha+\vec p_Y=\vec 0$, nên $p_\alpha=p_Y$. Với $K=\dfrac{p^2}{2m}$:

$$\dfrac{K_\alpha}{K_Y}=\dfrac{m_Y}{m_\alpha}\ \Rightarrow\ K_\alpha=\Delta E\,\dfrac{m_Y}{m_Y+m_\alpha}.$$

Hạt nhẹ mang phần lớn động năng. Gần đúng $K_\alpha\approx\Delta E\,\dfrac{A-4}{A}$.

• Phóng xạ: tự phát, không điều khiển được, ngẫu nhiên.
• $\alpha$ ($^{4}_{2}\text{He}$): $A-4$, $Z-2$; $\beta^-$: $Z+1$; $\beta^+$: $Z-1$; $\gamma$: không đổi $A$, $Z$.
• Đâm xuyên tăng dần: $\alpha<\beta<\gamma$; ion hoá ngược lại.
• Hạt mẹ đứng yên: $p_\alpha=p_Y$, $\dfrac{K_\alpha}{K_Y}=\dfrac{m_Y}{m_\alpha}$, $K_\alpha+K_Y=\Delta E$.