Radioaktiv serie
En lång radioaktiv släktlinje
Detta diagram kartlägger resan på en kärnkarta över sönderfallskedjan för uran 238. Alfasönderfallet gör att antalet protoner och neutroner minskar med 2, medan det betanegativa sönderfallet minskar antalet neutroner med 1 och ökar antalet protoner med 1. Den instabilitet som orsakas av alfasönderfallet korrigeras av det slutliga betasönderfallet, vilket leder till den stabila kärnan bly 206, med sina 82 protoner och 124 neutroner.
IN2P3Ett visst antal naturliga radioaktiva atomkärnor finns fortfarande kvar på jorden, även om deras halveringstid är särskilt kort i förhållande till vår planets ålder. Dessa radioisotoper är ättlingar till tre tunga kärnor med mycket långa halveringstider: uran 235 (med en halveringstid på 0,7 miljarder år), uran 238 (som lever i 4,47 miljarder år) och torium 232 (med en halveringstid på 14,0 miljarder år).
Dessa tre ”patriarker”, för att utvidga metaforen för den radioaktiva familjen, fanns alla i protostjärnan: det moln som så småningom kondenserades för att bilda vår sol, jorden och planeterna. Var och en av de tre är förfader till en distinkt familj av naturliga radioaktiva grundämnen, varav den kanske viktigaste är uran 238.
En kärna av uran 238 sönderfaller genom alfautsläpp för att bilda en dotterkärna, torium 234. Detta torium omvandlas i sin tur till protactinium 234 och genomgår sedan ett betanegativt sönderfall för att producera uran 234. Denna sista isotop förändras långsamt (med en halveringstid på 245 000 år) till torium 230, ännu en instabil kärna.
En sådan sönderfallskedja stoppas endast genom bildandet av en stabil kärna. Detta sker vid den fjortonde generationen av uran 238-familjen, när bly 206 slutligen bildas. De två andra familjerna, de som bildas av uran 235 och torium 232, avslutas respektive med skapandet av bly 207 och bly 208, två andra stabila isotoper av bly.
Simplifierad radioaktiv linje av uran 238. De på varandra följande sönderfallen med drastiskt olika halveringstider förändrar kärnans och därmed atomens grundstruktur. Det totala antalet nukleoner minskar med 4 när kärnan avger en alfapartikel och förändras inte när betanegativ emission sker.
IN2P3Halveringstiderna är alla extremt varierande och det är svårt att representera en rad tidsskalor som sträcker sig från enskilda sekunder till miljarder år. I denna bemärkelse liknar en kärnas härstamning ett vattenflöde över berg och slätter: störtskurar på en punkt och slöa slingrande på en annan.
Som är normalt för de tyngsta atomkärnorna är alfasönderfallet särskilt vanligt i alla tre sönderfallskedjorna. Eftersom varje emission orsakar en förlust av två protoner och två neutroner ökar dock förhållandet neutroner : protoner när vi rör oss nedåt i släktträdet. Därför behövs betasönderfall för att jämna ut balansen. I Uran-238-linjen till exempel följs det första alfafallet av två på varandra följande betasönderfall som omvandlar en torium 234-kärna till uran 234.
Alphaförfallet orsakar en förlust av fyra nukleoner medan betasönderfallet inte har någon effekt på antalet närvarande nukleoner. Detta är anledningen till att efterkommande kärnor alltid har ett multipel av fyra nukleoner mindre än sina förfäder: vilket kan ses med uran 238.
Banan för en uran-238-kärnas efterkommande på nuklidkartan som visar stabilitetsdalen. Längs denna väg minskar alfautsläpp kärnans storlek, beta-utsläpp korrigerar neutroner i överskott. Det tar miljarder år för en uran-238-kärna att nå terminus, en stabil bly-206-kärna.
CEA-IRFUMedlemmarna i uran-238-familjen har därför 4n+2 nukleoner, medan uran-235-familjen har 4n+3 och torium-232-familjen har 4n nukleoner. I princip borde den fjärde (4n+1) familjen finnas, men dess förfader, neptunium 237, har en relativt ”kort” halveringstid på 2,14 miljoner år. Därför har denna familj haft gott om tid att försvinna sedan nukleosyntesen av neptunium 237 i kärnorna av de stjärnor som föregick vår sol.
Access to page in french