ماهیت رادیواکتیویته

هنری بکرل (Henri Beequerel) در سال 1896 بطور اتفاقی کشف کرد که ترکیبات اورانیوم ، تشعشعاتی که ماهیت آن شبیه اشعه ایکس می‌باشد، منتشر می‌کنند. به عناصری از قبیل اورانیوم که بطور خود به خود بدون آنکه انرژی جذب نمایند، انرژی صادر می‌کنند، مواد رادیواکتیو طبیعی گفته می‌شود. آزمایشهایی که در آنها از میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی استفاده می‌گردد، نشان داده‌اند که اشعه انتشار یافته از نوع متمایز تشکیل شده است. یک میدان الکتریکی که بر یک پرتو باریک اشعه موازی اشعه انتشار یافته از یک منبع رادیواکتیو طبیعی اعمال شده است، آنرا به سه دسته جدا می‌سازند که با آلفا (α) ، بتا (β) و گاما (γ) علامت گذاری شده است.

• پرتو α: این پرتو که به طرف منفی صفحه فلزی منحرف می‌شود، باید از ذرات با بار مثبت تشکیل شده باشد. ذره آلفا که به صورت ⁴₂He⁺² نیز شناخته می‌شود، دو واحد بار مثبت حل نموده و دارای جرم یک هسته هلیوم می‌باشد.
  
• پرتو β: این پرتو که دارای انحراف شدیدتری به طرف صفحه فلزی مثبت می‌باشد، باید از ذرات سبکتری با بار منفی تشکیل شده باشند. بار الکتریکی و جرم یک ذره بتا همانند بار یک الکترون بود.
  
• پرتو γ: خواص اشعه گاما مشابه خواص اشعه X می‌باشد ما با این تفاوت که طول موج آنها از طول موج اشعه X کوتاهترند. اشعه گاما فوتونهایی هستند که فرکانسهای آنها چندین میلیون برابر فرکانسهای نور مرئی می‌باشد.

علت رادیواکتیویته

همچنین کشف گردید که ایزوتوپهای رادیواکتیو (رادیو ایزوتوپها) به کرات عناصر دیگر را تولید می‌نمایند به عنوان مثال ، "رادرفورد" دریافت که رادیم ، ذرات α و رادون ، که یک گاز رادیواکتیو می‌باشد، را بطور خود به خود منتشر می‌نماید. برای توجیه این مشاهدات ، "رادرفورد" و "فردریک ساری" در سال 1902 فرض نمودند که رادیواکتیویته نتیجه یک تغییر خود به خود در اتمهای یک عنصر می‌باشد که به اتمهای عنصر دیگر تبدیل می‌گردند. این واکنشهای هسته‌ای (تغییرات و تبدیلات) مشمول یک تغییر در عدد اتمی یا عدد جرمی (یا هر دو) ، رادیو ایزوتوپها می‌باشد.

واکنشهای شیمیایی و واکنشهای هسته‌ای

در واکنشهای شیمیایی ، اتمها ، نظم جدید پیدا می‌کنند. آنها بوجود نمی‌آیند و از بین نمی‌روند و منهدم نمی‌گردند. از اینجاست که در واکنشهای هسته‌ای ، اعداد جرمی ثابت باقی می‌مانند. مجموع اعداد جرمی هسته‌ها و ذرات واکنش دهنده باید با مجموع اعداد جرمی هسته‌ها و ذرات واکنش دهنده باید با مجموع اعداد جرمی هسته‌ها و ذراتی که حاصل می‌گردند، برابر باشد. بقای بار ایجاب می‌کند که مجموع اعداد اتمی هسته‌ها و ذرات واکنش دهنده با مجموع اعداد اتمی هسته‌های محصولات برابر باشد.

نوترون

اگر چه نوترونها در خارج از هسته ، به پروتونها و نوترونها تجزیه می‌گردند، لیکن از پروتونها و الکترونها تشکیل نشده‌اند. آزمایشاتی که توسط رابرت هافزتادتر Robert Hafstodter در مورد پخش الکترونی بوسیله پروتونها و نوترونها انجام پذیرفته ، مشابه آنچه که توسط رادرفورد در مورد پخش ذرات α بوسیله هسته انجام گرفت، چنین پیشنهاد می‌نماید که پروتون از یک هسته خنثی که توسط دو ابر با بار مثبت احاطه شده تشکیل گردیده است و یک نوترون دارای ساختمان مشابه می‌باشد، با این تفاوت که ابر داخلی منفی است.

در یکی ، هر دو ابر الکترونی با یکدیگر جمع شده یک واحد بار مثبت را تشکیل می‌دهند، در دیگری دو برابر از یونها ذرات فرعی فرضی با خواصی که به آنها نسبت داده شده‌اند می‌باشند. این مدل پیش بینی می‌کند که پروتون ترکیبی است از یک دیون با بار و دو دیون ، هر یک با بار که بار خالص را ایجاد می‌نماید. نوترون باید از دو دیون هر یک با بار و یک دیون با بار
تشکیل شده باشد که باهم یک بار خالص را ایجاد نماید.

انرژی هسته‌ای

انرژی واکنشها هسته‌ای ، E∆ که از اختلاف بین جرم محصولات و واکنش دهندگان طبق قانون "انیشتین" محاسبه شده است، با مقادیر اندازه گیری شده مطابقت دارد. در تبدیل Ra به Rn جرم اتمها عبارتند از:


Ra = 226.0254 و پس He + Rn = 4.0026 + 22.0176 = 226.0202 بطوریکه m∆ اختلاف جرم بین محصولات و واکنش دهندگان اولیه عبارتست از مول/گرم m = -0.0052∆ و E = ∆mC² , ∆E = -1.1x10⁸ kcal/mol
انرژیی که از هسته‌های رادیواکتیو صادر می‌گردد، حین عبور از ماده ، صرف یونیزاسیون یا تحریک اتمها یا مولکولها یا یونها شده و یا بوسیله شکستن پیوندهای شیمیایی مصرف می‌گردد. ذرات α معمولا نمی‌توانند به ضخامتی بیش از چند ورق کاغذ نفوذ نمایند. جدارهای یک ظرف شیشه‌ای معمولی می‌توانند معمولا ذرات β را متوقف سازند. پرتوهای ایکس و گاما قابلیت نفوذپذیری زیادی داشته و تنها بوسیله لایه‌های ضخیم سربی یا بتونی متوقف می‌شوند. فاصله از منبع نیز در به مینیمم رساندن اثر تشعشع مهم است. چون تغییرات شدت با عکس مربع فاصله متناسب می‌باشد.

ساختمان هسته

ساختمان هسته از نقطه نظرهای معینی مشابه ساختمان الکترونی اتمها است. مکانیک کوانتومی نشان می‌دهد که انرژی حالات (سطوح) یک ذره موجود در هسته کوانتیده بوده و بوسیله چهار عدد کوانتومی مشخص شده است. اصل طرد پاولی نیز در مورد ذرات موجود در هسته صادق است: دو پروتون و دو نوترون نمی‌تواند دارای چهار عدد کوانتومی یکسان باشند.

هسته‌ای که بعد از نشر یک ذره α یا β باقی می‌ماند، غالبا یک پرتو گاما (فوتون) منتشر می‌کند. بر حسب مدل سطح انرژی هسته ، هسته در یک حالت تحریک شده قرار داشته و یک فوتون به صورتی مشابه با نشر یک فوتون بوسیله یک اتم هیدروژن تحریک شده ، انتشار می‌یابد.

پایداری هسته

انرژی لازم جهت تجزیه یک مولکول در حالت گازی به اتمهای تشکیل دهنده آن برابر است با انرژی که در هنگام ترکیب مجدد این اتمها در همان درجه حرارت ایجاد می‌گردد. بطور مشابه ، انرژی پیوند یک هسته مقدار انرژی است که برای تجزیه هسته به ذرات تشکیل دهنده آن لازم است یا انرژی که در هنگام ترکیب مجدد نوکلئونها برای تشکیل هسته ایجاد می‌گردد. به هر حال ، گرمای واکنشهای هسته‌ای تقریبا یک میلیون برابر حرارتی است که از واکنشهای شیمیایی حاصل می‌گردند. ماهیت نیرویی که نوکلئونها را به یکدیگر نگه می‌دارد باید از نظر اصولی با نیروی الکتروستاتیکی که در پیوند اتمی (پیوند شیمیایی) دخالت دارد متفاوت باشد.

همانند پیوند شیمیایی ، جاذبه ثقل و نیروهای مغناطیسی ضعیف تر از آنند که قابل ملاحظه باشند. به علاوه، نیرو نمی تواند الکتریکی باشد. برای مثال ، دو ترون که از ک نوع ذره باردار (پروتون) و یک ذره خنثی تشکیل شده است، نمی‌تواند بوسیله نیروهای الکتریکی به یکدیگر نگهداری گردد. نمایش حتی بارزتر از آن پایداری زیاد هسته sup>4₂He> می‌باشد که در آن ، برخورد الکتروستاتیکی دو پروتون دفع کننده است. در 1935 ، "هیدکی یوکاوا" Hideki Yukava پیشنهاد کرد که یک ذره به خصوص که عملا با سرعت نور بین نوکلئونها در حال نوسان است، نیرویی است که نوکلئونها را به یکدیگر نگه می‌دارد.

او مضافا پیشنهاد نمود که این ذره باید دارای جرمی تقریبا 25±275 مرتبه بزرگتر از جرم الکترون بوده و می‌تواند از نظر الکتریکی خنثی ، مثبت یا منفی باشد. این ذرات که بعدا کشف گردیدند "پای- مزونها" یا "پیونها" نامیده می‌شوند. در نتیجه انتقال دائمی پیون ، پروتونها به نوترونها به پروتونها تغییر می‌یابند.