Radioactive decay · Decaimento radioativo
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|---|---|
| radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ | radiação |
| positron/ˈpɒzɪtrɒn/ | pósitron |
| photon/ˈfəʊtɒn/ | fóton |
| penetration/ˌpenɪˈtreɪʃn/ | penetração |
| ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ | ionizante |
| deflected/dɪˈflektɪd/ | defletido |
| antiparticles/ˌæntɪˈpɑːtɪklz/ | antipartículas |
| neutrinos/njuːˈtriːnəʊz/ | neutrinos |
Three kinds of radiation 辐射
- An unstable nucleus settles down by throwing out radiation.
- There are three kinds — alpha, beta and gamma — and they behave very differently.
- Telling them apart is the heart of this topic.
Três tipos de radiação 辐射
- Um núcleo instável estabiliza-se emitindo radiação.
- Existem três tipos — alfa, beta e gama — e comportam-se muito de forma diferente.
- Distinguí-los é o cerne deste tópico.
What each one is
- α: a helium nucleus ($^{4}_{2}\alpha$), charge $+2e$, mass $\approx 4\ \text{u}$.
- β: a fast electron ($\beta^{-}$) or positron 正电子 ($\beta^{+}$), charge $\mp e$, tiny mass.
- γ: a high-energy photon 光子, no charge, no mass.
O que cada um é
- α: um núcleo de hélio ($^{4}_{2}\alpha$), carga $+2e$, massa $\approx 4\ \text{u}$.
- β: um eletrão rápido ($\beta^{-}$) ou positrão 正电子 ($\beta^{+}$), carga $\mp e$, massa minúscula.
- γ: um fóton 光子 de alta energia, sem carga, sem massa.
Radioactive decay · Decaimento radioativo
A = A₀·bᵗ
Activity decays · decai exponentially — set the base b below 1. · A atividade decresce exponencialmente — defina a base b abaixo de 1.
An α-particle is: · Uma partícula α é:
An α-particle is $^{4}_{2}\alpha$ — a helium-4 nucleus with charge $+2e$. · Uma partícula α é $^{4}_{2}\alpha$ — um núcleo de hélio-4 com carga $+2e$.
Penetration 穿透 and ionising 电离
- α: stopped by paper; strongly ionising.
- β: stopped by a few mm of aluminium.
- γ: only reduced by thick lead; weakly ionising.
Penetração 穿透 e ionização 电离
- α: parado por papel; fortemente ionizante.
- β: parado por alguns mm de alumínio.
- γ: apenas reduzido por chumbo espesso; fracamente ionizante.
Match each radiation to what stops it. · Associe cada radiação ao que a detém.
Penetration goes α < β < γ; ionising power goes the other way (α is the strongest ioniser). · Penetração vai α < β < γ; poder ionizante vai na direção oposta (α é o maior ionizador).
Of the three, α radiation is the most strongly ionising. · Das três, a radiação α é a mais fortemente ionizante.
Yes — α is the strongest ioniser (and so the least penetrating); γ is the weakest ioniser (and most penetrating). · Sim — α é o maior ionizador (e assim o menos penetrante); γ é o menor ionizador (e mais penetrante).
In an electric field
- The field pushes charges: α is deflected 偏转 towards the negative plate, β$^{-}$ the opposite way, γ not at all.
- The force is $F = Eq$, so the α feels twice the force of a β — but its mass is thousands of times larger, so it curves far less.
- Same rule for any two charged particles in the same field: compare the forces by charge, the accelerations by $\dfrac{q}{m}$.
Num campo elétrico
- O campo empurra cargas: α é desviado 偏转 em direção à placa negativa, β$^{-}$ na direção oposta, γ não se desvia.
- A força é $F = Eq$, logo α sente duas vezes a força de um β — mas a sua massa é milhares de vezes maior, logo curva muito menos.
- Mesma regra para quaisquer duas partículas carregadas no mesmo campo: compare as forças pela carga, as acelerações por $\dfrac{q}{m}$.
An α-particle, a β⁻ particle and a γ-ray enter the same uniform electric field side by side. Which statement is correct? · Uma partícula α, uma partícula β⁻ e um raio γ entram lado a lado no mesmo campo elétrico uniforme. Qual afirmação é correta?
Opposite charges are pushed opposite ways. The β⁻ has a far larger charge-to-mass ratio, so it accelerates far more; the uncharged γ feels no force. · Cargas opostas são empurradas em sentidos opostos. O β⁻ tem razão carga/massa muito maior, logo acelera muito mais; o γ neutro não sente força.
Antiparticles 反粒子 and neutrinos 中微子
- Every particle has an antiparticle — same mass, opposite charge (the positron is the electron's).
- β-decay always emits a (anti)neutrino too: nearly massless, no charge, very hard to detect.
Antipartículas 反粒子 e neutrinos 中微子
- Cada partícula tem uma antipartícula — mesma massa, carga oposta (o positrão é a antipartícula do eletrão).
- O decaimento β sempre emite também um (anti)neutrino: quase sem massa, sem carga, muito difícil de detetar.
The positron is the ____ of the electron. · O pósitron é o ____ do elétron.
An antiparticle has the same mass but opposite charge — the positron is $+e$ to the electron's $-e$. · Uma antipartícula tem a mesma massa mas carga oposta — o pósitron é $+e$ ao elétron's $-e$.
Why β is continuous
- α-decay shares energy between two particles → the α has one fixed energy (discrete).
- β-decay shares energy between three (with the neutrino) → β energies range from zero up to a maximum (continuous).
Por que o β é contínuo
- O decaimento α partilha energia entre duas partículas → o α tem uma energia fixa (discreta).
- O decaimento β partilha energia entre três (com o neutrino) → as energias β variam de zero até um máximo (contínua).
β-particles come out with a continuous range of energies because the energy is shared among: · Partículas β saem com um espectro contínuo de energias porque a energia é compartilhada entre:
With three particles sharing, the β can take any share up to a maximum. α-decay shares between two, fixing the α energy. · Com três partículas dividindo, o β pode levar qualquer fatia até um máximo. O decaimento α compartilha entre dois, fixando a energia do α.
Decay equations
- α: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + {}^{4}_{2}\alpha$.
- β$^{-}$: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z+1}\text{Y} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{e}$ (a neutron becomes a proton).
- β$^{+}$: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z-1}\text{Y} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{e}$ (a proton becomes a neutron).
Equações de decaimento
- α: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + {}^{4}_{2}\alpha$.
- β$^{-}$: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z+1}\text{Y} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}_{e}$ (um neutrão torna-se um próton).
- β$^{+}$: $^{A}_{Z}\text{X} \to {}^{A}_{Z-1}\text{Y} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{e}$ (um próton torna-se um neutrão).
In α-decay, by how much does the nucleon number $A$ decrease? · No decaimento α, quanto diminui o número de nucleons $A$?
The α carries away 4 nucleons (2 protons + 2 neutrons), so $A$ falls by 4 (and $Z$ by 2). · O α leva 4 nucleons (2 prótons + 2 nêutrons), logo $A$ cai em 4 (e $Z$ em 2).
In β$^{-}$ decay, the proton number $Z$: · No decaimento β$^{-}$, o número de prótons $Z$:
A neutron turns into a proton, so $Z$ rises by 1 while $A$ stays the same. · Um nêutron vira um próton, logo $Z$ sobe em 1 enquanto $A$ permanece igual.
Worked example: nitrogen-12 and a field
Nitrogen-12, $^{12}_{7}\text{N}$, decays by emitting a positron. The emitted positron and an α-particle then pass through the same uniform electric field.
- Equation: $^{12}_{7}\text{N} \to {}^{12}_{6}\text{C} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{e}$. Check: $12 = 12 + 0$ and $7 = 6 + 1$.
- Charge on the positron: $+e$ — the electron's antiparticle.
- Forces in the field: $F = Eq$, so $\dfrac{F_{\alpha}}{F_{\beta}} = \dfrac{2e}{e} = 2$.
- Accelerations: $a = \dfrac{Eq}{m}$, so $\dfrac{a_{\alpha}}{a_{\beta}} = \dfrac{2e / 4\,\text{u}}{e / (\text{u}/1840)} \approx \dfrac{1}{3700}$ — the positron accelerates thousands of times more.
- Check: twice the force but four thousand times the mass: the α barely bends. Both are pushed the same way, because both are positive.
Exemplo resolvido: nitrogénio-12 e um campo
O nitrogénio-12, $^{12}_{7}\text{N}$, decai emitindo um positrão. O positrão emitido e uma partícula α passam então pelo mesmo campo elétrico uniforme.
- Equação: $^{12}_{7}\text{N} \to {}^{12}_{6}\text{C} + {}^{0}_{+1}\beta + \nu_{e}$. Verificar: $12 = 12 + 0$ e $7 = 6 + 1$.
- Carga do positrão: $+e$ — a antipartícula do eletrão.
- Forças no campo: $F = Eq$, logo $\dfrac{F_{\alpha}}{F_{\beta}} = \dfrac{2e}{e} = 2$.
- Acelerações: $a = \dfrac{Eq}{m}$, logo $\dfrac{a_{\alpha}}{a_{\beta}} = \dfrac{2e / 4\,\text{u}}{e / (\text{u}/1840)} \approx \dfrac{1}{3700}$ — o positrão acelera milhares de vezes mais.
- Verificar: duas vezes a força, mas quatro mil vezes a massa: o α mal curva. Ambos são empurrados na mesma direção, pois ambos são positivos.
Nucleus X (charge $+2e$, mass $4\ \text{u}$) and nucleus Y (charge $+e$, mass $3\ \text{u}$) are in the same uniform electric field. What is the ratio acceleration of X : acceleration of Y? · Núcleo X (carga $+2e$, massa $4\ \text{u}$) e núcleo Y (carga $+e$, massa $3\ \text{u}$) estão no mesmo campo elétrico uniforme. Qual é a razão aceleração de X : aceleração de Y?
$a = \dfrac{Eq}{m}$, so the ratio is $\dfrac{2/4}{1/3} = \dfrac{0.5}{0.333} = 1.5$. The force ratio alone would be $2$; the masses change it. · $a = \dfrac{Eq}{m}$, então a razão é $\dfrac{2/4}{1/3} = \dfrac{0.5}{0.333} = 1.5$. A razão de forças sozinha seria $2$; as massas mudam isso.
A β$^{-}$ particle comes from the nucleus — a neutron turns into a proton — not from the orbiting electrons. A γ-ray changes neither $A$ nor $Z$; it only carries away energy. And the reason β energies are continuous is the (anti)neutrino sharing the energy — that is the exam's favourite "explain" question in this topic.
Uma partícula β$^{-}$ vem do núcleo — um neutrão transforma-se num próton — e não dos eletrões orbitais. Um raio γ altera nem $A$ nem $Z$; apenas transporta energia. E a razão pelas energias β serem contínuas é o (anti)neutrino.set partilhando a energia — essa é a pergunta "explique" favorita dos exames neste tópico.
You've got it
- α = He nucleus, $+2e$, $4\ \text{u}$ (paper-stopped, strong ioniser); β = electron/positron (Al-stopped); γ = photon (lead)
- in a field: force $\propto q$, acceleration $\propto \dfrac{q}{m}$; α and β$^{-}$ bend opposite ways, γ does not bend
- β-decay emits a (anti)neutrino, which is why its energy spectrum is continuous; α: $A{-}4, Z{-}2$; β$^{-}$: $Z{+}1$; β$^{+}$: $Z{-}1$
Entendeu?
- α = núcleo He, $+2e$, $4\ \text{u}$ (parado por papel, forte ionizador); β = eletrão/positrão (parado por Al); γ = fóton (chumbo)
- num campo: força $\propto q$, aceleração $\propto \dfrac{q}{m}$; α e β$^{-}$ curvam em direções opostas, γ não curva
- O decaimento β emite um (anti)neutrino, razão pela qual seu espectro de energia é contínuo; α: $A{-}4, Z{-}2$; β$^{-}$: $Z{+}1$; β$^{+}$: $Z{-}1$