3.3 Hajoamisreaktion energia

Radioaktiivisten hajoamisreaktioiden energia

Radioaktiivinen hajoaminen on spontaani reaktio, joka tapahtuu ilman ulkoista syytä. Tämä tarkoittaa, että reaktiossa vapautuu energiaa. Energia ilmenee syntyvien hiukkasten liike-energiana ja mahdollisesti syntyvänä sähkömagneettisena säteilynä. Syntyvän ionisoivan säteilyn energia siirtyy myöhemmin ympäristöön lämmöksi tai kuluu aineen mikrotason rakenteiden muutoksiin, esimerkiksi molekyylien sidosten katkaisemiseen.


Energian ja massan vastaavuus liittyy sekä ytimen sidosenergiaan että radioaktiivisiin hajoamisreaktioihin. Hajoamisreaktioissa syntyneiden hiukkasten yhteenlaskettu massa on pienempi kuin alkuperäisten ytimien massojen summa. Hajoamistuotteena syntyneen ytimen rakenneosaset ovat sitoutuneet toisiinsa vahvemmin kuin hajonneen ytimen rakenneosaset. Reaktiossa on vapautunut potentiaalienergiaa. Ytimeen jää jäljelle vähemmän energiaa, eli massaa.

Kun reaktioon osallistuvat hiukkaset tunnetaan, voidaan massan muutos [[$\Delta m$]] reaktiossa ratkaista seuraavalla periaatteella:

[[$ \quad \begin{align}&\text{massan muutos } = \\& \text{reaktioon osallistuvien hiukkasten massat } -\text{ reaktiotuotteiden massat}\end{align}$]]

Kyseessä on ydinreaktio, joten massan muutos lasketaan käyttämällä ytimien massoja. Ytimen massa saadaan vähentämällä atomin massasta sen elektronien yhteenlaskettu massa. Reaktiossa vapautuva energia [[$Q$]] lasketaan massan ja energian välisen yhteyden avulla.

[[$ \qquad Q=\Delta mc^2 $]]

Kuten atomin sidosenergiaa laskettaessa, voidaan hyödyntää tietoa atomimassayksikön ja energian vastaavuudesta: [[$ 1 \text{ u}=931{,}49 \text{ MeV}/c^2 $]].

Hajoamisreaktion energia

Hajoamisreaktiossa vapautuu energia [[$Q=\Delta mc^2$]], missä [[$\Delta m$]] on reaktiossa energiaksi vapautuva massa.

[[$ \qquad \Delta m=\text{ massat alussa }-\text{ massat lopussa}$]]

Esimerkkitilanne: Alfahajoamisen energia

Tarkastellaan alfahajoamisreaktion laskennallista käsittelyä isotoopille Ra-226. Kyseessä on alfa-aktiivinen isotooppi, jonka hajoamisen reaktioyhtälö on alla.

[[$\qquad ^{214}_{\ \ 88}\text{Ra} \rightarrow {^{210}_{\ \ 86}\text{Rn}}+{^4_2\text{He}} $]]

Massan muutoksen laskemiseksi etsitään atomien massat isotooppitaulukosta. Ydinten massat saadaan vähentämällä niistä atomin elektronien kokonaismassa.

[[$ \qquad \begin{align}m_{\text{Ra-ydin}} & =m_{\text{Ra-atomi}}-88 m_\text{e} \\ \, \\ m_{\text{Rn-ydin}} & =m_{\text{Rn-atomi}}-86m_\text{e} \\ \, \\ m_{\text{He-ydin}} & =m_{\text{He-atomi}}-2m_\text{e} \\ \end{align} $]]​

Massan muutos saadaan vähentämällä emoytimen massasta reaktiossa syntyvien radon- ja heliumytimien massat.

[[$ \qquad \begin{align} \Delta m &=m_{\text{Ra-ydin}}-m_{\text{Rn-ydin}}-m_{\text{He-ydin}} \\ \, \\ &=m_{\text{Ra-atomi}}-88 m_\text{e}-(m_{\text{Rn-atomi}}-86m_\text{e})-(m_{\text{He-atomi}}-2m_\text{e} ) \\ \, \\ &=m_{\text{Ra-atomi}}-m_{\text{Rn-atomi}}-m_{\text{He-atomi}} \\ \, \\ &=226{,}025402 \text{ u}-222{,}017570 \text{ u} -4{,}0026033 \text{ u} \\ \, \\ &=0{,}0052287\text{ u}\approx 0{,}005229\text{ u} \\ \end{align} $]]​

Sievennettäessä huomataan, että elektronien massat kumoutuvat. Massan muutos on atomimassayksiköissä laskettuna 0,0052287 u. Huomataan, että vähennyslaskun vastaus saadaan neljän merkitsevän numeron tarkkuudella. Reaktioenergia saadaan laskemalla tätä massan muutosta vastaava energia.

[[$ \qquad Q=\Delta m c^2=0{,}0052287 \cdot 931{,}49 \text{ MeV/c}^2\cdot c^2 \approx 4{,}871 \text{ MeV} $]]

Vapautuva energia muuntuu syntyvien hiukkasten liike-energiaksi. Mikäli tytärydin jää viritystilaan, osa energiasta sitoutuu siihen ja vapautuu gammasäteilynä viritystilan purkautuessa.


Jos oletetaan, että tytärydin on reaktion jälkeen jäänyt perustilaan, voidaan ratkaista, missä suhteessa reaktioenergia jakautuu tytärytimen ja alfahiukkasen kesken. Tämä perustuu liikemäärän ja energian säilymislakeihin. Emoytimen voidaan olettaa olevan levossa, jolloin liikemäärä alussa on nolla. Tällöin hajoamisen jälkeenkin systeemin kokonaisliikemäärän täytyy olla nolla. Tytärydin ja alfahiukkanen saavat siis hajoamisessa yhtä suuret, mutta vastakkaissuuntaiset liikemäärät.

[[$ \qquad m_{\text{He}}v_{\text{He}}=m_{\text{Rn}}v_{\text{Rn}} $]]

Tästä voidaan ratkaista nopeuksien suhde.

[[$ \qquad v_{\text{Rn}}=\dfrac{m_{\text{He}}}{m_{\text{Rn}}}v_{\text{He}} $]]

Energian säilymislain mukaan reaktioenergia muuttuu hiukkasten liike-energioiksi.

[[$ \qquad Q=\dfrac{1}{2}m_{\text{He}}v_{\text{He}}^2 +\dfrac{1}{2}m_{\text{Rn}}v_{\text{Rn}}^2 $]]

Voidaan eliminoida radonin nopeus, jolloin saadaan lauseke alfahiukkasen liike-energialle.

[[$ \qquad \begin{align} Q & =\dfrac{1}{2}m_\text{He}v_\text{He}^2 +\dfrac{1}{2}m_\text{Rn}\left(\dfrac{m_\text{He}}{m_\text{Rn}}v_\text{He}\right)^2 \\ \ \\ & =\dfrac{1}{2}m_\text{He}v_\text{He}^2 +\dfrac{m_\text{He}}{m_\text{Rn}}\cdot \dfrac{1}{2}m_\text{He}v_\text{He}^2 \\ \ \\ & =\left(1+\dfrac{m_\text{He}}{m_\text{Rn}}\right)\dfrac{1}{2}m_\text{He}v_\text{He}^2 \\ \end{align} $]]​

Tästä voidaan ratkaista alfahiukkasen liike-energian suhde koko reaktioenergiaan.

[[$ \qquad \dfrac{\dfrac{1}{2}m_{\mathrm{He}}v_{\mathrm{He}}^2}{Q}=\dfrac{1}{1+\dfrac{m_{\mathrm{He}}}{m_{\mathrm{Rn}}}} $]]

Massojen suhde [[$ \frac{m_{\text{He}}}{m_{\text{Rn}}} $]] on tilanteessa n. 0,018. Tämän perusteella alfahiukkasen energia on n. 98 % reaktioenergiasta. Alfahiukkasen energia on siis hajoavalle ytimelle ominainen vakio. Alfa-aktiiviset isotoopit lähettävät tietynenergistä, itselleen tyypillistä alfasäteilyä.

Alfahiukkasen energia poikkeaa hieman yllä lasketusta, mikäli tytärydin jää hajoamisen jälkeen viritystilaan. Tällöin vain osa reaktioenergiasta muuntuu syntyvien hiukkasten liike-energiaksi. Ytimen viritystilat ovat kuitenkin kvantittuneet, joten vaihtoehtoja ei ole kovin paljon. Viritystilojen tapauksissa voidaan siis havaita alfahiukkasia muutamilla eri energioilla.

Esimerkkitilanne: Beetahajoamisen energia

Tarkastellaan hajoamisen laskennallista käsittelyä isotoopille Mg-23. Kyseessä on [[$\beta^+$]]-aktiivinen isotooppi, jonka hajoamisen reaktioyhtälö on alla.

[[$\qquad ^{23}_{12}\text{Mg} \rightarrow {^{23}_{11}\text{Na}}+{^{\ \ \ 0}_{+1}\text{e}}+\nu $]]

Massan muutoksen laskemiseksi etsitään atomien massat isotooppitaulukosta. Ydinten massat saadaan vähentämällä niistä atomin elektronien kokonaismassa.

[[$ \qquad \begin{align}m_{\text{Mg-ydin}}&=m_{\text{Mg-atomi}}-12 m_\text{e} \\ \, \\ m_{\text{Na-ydin}}&=m_{\text{Na-atomi}}-11m_\text{e} \\ \end{align} $]]​

Massan muutos saadaan vähentämällä emoytimen eli magnesiumin massasta reaktiossa syntyvien natriumytimen ja positronin massat. Positronin massa on sama kuin elektronin.

[[$ \qquad \begin{align} \Delta m &=m_{\text{Mg-ydin}}-m_{\text{Na-ydin}}-m_{\text{positroni}} \\ \, \\ &=m_{\text{Mg-atomi}}-12 m_\text{e}-(m_{\text{Na-atomi}}-11m_\text{e})-m_\text{e} \quad \\ \, \\ &=m_{\text{Mg-atomi}}-m_{\text{Na-atomi}}-2m_\text{e} \\ \, \\ &= 22{,}994124 \text{ u}-22{,}989767 \text{ u}-2\cdot 5{,}485799\cdot 10^{-4} \text{ u} \\ \, \\ &=0{,}0032598402 \text{ u}\approx 0{,}003260 \text{ u} \\ \end{align} $]]​

Massan muutos on 0,003260 u. Huomataan, että vähennyslaskun vastaus saadaan neljän merkitsevän numeron tarkkuudella. Reaktioenergia saadaan laskemalla massan muutosta vastaava energia.

[[$ \qquad Q=\Delta m c^2=0{,}0032598402 \cdot 931{,}49 \text{ MeV/c}^2\cdot c^2 \approx 3{,}037 \text{ MeV} $]]

Vapautuva energia muuntuu syntyvien natriumytimen, positronin ja neutriinon liike-energiaksi. Mikäli tytärydin jää viritystilaan, osa energiasta sitoutuu siihen ja vapautuu gammasäteilynä viritystilan purkautuessa.

Jos oletetaan, että tytärydin on reaktion jälkeen jäänyt perustilaan, voidaan energian jakautumista tarkastella liikemäärän ja energian säilymisen perusteella. Tilanne on kuitenkin monimutkaisempi kuin alfahajoamisessa, jonka seurauksena tytärydin ja alfahiukkanen loittonevat toisistaan yhtä suurilla, vastakkaissuuntaisilla liikemäärillä. Beetahajoamisessa syntyy kolme hiukkasta, joiden kokonaisliikemäärän tulee olla yhtä suuri kuin emoytimen, eli nolla. Liikemäärä ja reaktiossa vapautuva energia jakautuvat kolmelle hiukkaselle, joten positronin nopeus riippuu suunnasta, johon se lähtee hajoamisen jälkeen. Näin ollen positronin liike-energia vaihtelee välillä 0...Q sen sijaan, että saisi yhden tietyn arvon. Beetasäteilyn spektri on alfasäteilystä poiketen jatkuva. Alla on kuva Cu-64-isotoopin [[$\beta^+$]]-hajoamisessa syntyvien positronien spektristä. Kyseisessä hajoamisessa massaa vapautuu energiaksi 0,653 MeV, joten tätä suurempaa energiaa positroni ei voi saada.

Pysähdy pohtimaan

Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen

1. Mikä seuraavista pitää paikkansa?
Tietyn alfa-aktiivisen ytimen hajotessa alfahiukkanen




2. Mikä seuraavista pitää paikkansa?
Tietyn beeta-aktiivisen ytimen hajotessa beetahiukkanen




3. Mitä tiedetään radioaktiivisen hajoamisreaktion energiasta?


Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen

Esimerkkejä

Esimerkki 1

Typen isotooppi N-13 on beeta+-aktiivinen. 

  1. Laske hajoamisreaktion energia.
  2. Miksi hajoamisen tuotteena syntyneen beeta+ -hiukkasen nopeus voi olla erilainen eri N-13 ytimien hajoamisreaktioissa?

Näytä ratkaisu

Esimerkki 2

Berylliumin isotooppi Be-7 hajoaa elektronisieppauksen kautta. Kirjoita hajoamisreaktio, ja laske reaktion energia.

Näytä ratkaisu

Esimerkki 3

Uraanin isotooppi U-235 on alfa-aktiivinen.

  1. Kirjoita isotoopin hajoamisreaktio, ja laske hajoamisreaktion energia.
  2. Laske alfahiukkasen liike-energia ja nopeus.

Näytä ratkaisu