Mục lục bài họcĐang ở d05-b2
Alpha, beta and gamma radiation
What each one is
- Alpha $\alpha$ — a helium nucleus, $^{4}_{2}\text{He}$: two protons and two neutrons, charge $+2$, relatively heavy and slow.
- Beta $\beta$ — a fast electron, $^{\ \ 0}_{-1}\text{e}$, emitted when a neutron in the nucleus turns into a proton. Charge $-1$, very light, very fast.
- Gamma $\gamma$ — a high-frequency electromagnetic wave. No charge, no mass, travels at the speed of light.
The inverse relationship you must be able to explain
| ionising power | penetration | stopped by | |
| alpha | strongest | weakest | a sheet of paper, or a few cm of air |
| beta | medium | medium | a few mm of aluminium |
| gamma | weakest | strongest | thick lead or concrete, never fully |
The two columns run opposite ways, and that is not a coincidence: alpha ionises so strongly that it loses all its energy within a short distance, which is exactly why it cannot penetrate. Gamma barely interacts with matter, so it travels far — for the same reason it ionises little.
Deflection in fields
In a magnetic field, alpha and beta are deflected in opposite directions (they carry opposite charges) and gamma is not deflected at all (no charge). Beta is deflected much more than alpha, because it is far lighter.
Decay equations
Two quantities are conserved in every equation: the total nucleon number (top) and the total proton number (bottom).
$$^{238}_{\ 92}\text{U}\rightarrow{}^{234}_{\ 90}\text{Th}+{}^{4}_{2}\text{He}\qquad(\alpha:\ A-4,\ Z-2)$$$$^{14}_{\ 6}\text{C}\rightarrow{}^{14}_{\ 7}\text{N}+{}^{\ \ 0}_{-1}\text{e}\qquad(\beta:\ A\ \text{unchanged},\ Z+1)$$Gamma emission changes neither number; it only carries away surplus energy.
Mỗi loại là gì.
- Alpha $\alpha$ — một hạt nhân heli, $^{4}_{2}\text{He}$: hai proton và hai neutron, điện tích $+2$, tương đối nặng và chậm.
- Beta $\beta$ — một electron chuyển động rất nhanh, $^{\ \ 0}_{-1}\text{e}$, phát ra khi một neutron trong hạt nhân biến thành proton. Điện tích $-1$, rất nhẹ, rất nhanh.
- Gamma $\gamma$ — một sóng điện từ tần số rất cao. Không điện tích, không khối lượng, đi với tốc độ ánh sáng.
Quan hệ nghịch phải giải thích được.
- Alpha: ion hoá mạnh nhất, đâm xuyên kém nhất — chặn bằng một tờ giấy, hoặc vài cm không khí;
- Beta: ion hoá và đâm xuyên đều ở mức trung bình — chặn bằng vài mm nhôm;
- Gamma: ion hoá yếu nhất, đâm xuyên mạnh nhất — chỉ giảm được bằng chì dày hay bê tông, không bao giờ chặn hết hoàn toàn.
Hai cột chạy ngược chiều nhau, và đó không phải trùng hợp: tia alpha ion hoá mạnh tới mức nó mất hết năng lượng chỉ sau một quãng ngắn — chính vì thế nó không đâm xuyên được. Tia gamma hầu như không tương tác với vật chất nên đi rất xa, và cũng vì lý do đó nó ion hoá rất ít.
Cambridge hỏi thẳng quan hệ này, và câu trả lời trọn điểm phải nêu được nguyên nhân chung, không chỉ liệt kê hai cột.
Lệch hướng trong từ trường. Alpha và beta lệch về hai phía ngược nhau (điện tích trái dấu), còn gamma không lệch chút nào (không mang điện). Beta lệch nhiều hơn alpha rất nhiều, vì nó nhẹ hơn hàng nghìn lần.
Phương trình phân rã. Hai đại lượng được bảo toàn: tổng số khối (số trên) và tổng số proton (số dưới).
$$^{238}_{\ 92}\text{U}\rightarrow{}^{234}_{\ 90}\text{Th}+{}^{4}_{2}\text{He}\qquad(\alpha:\ A-4,\ Z-2)$$$$^{14}_{\ 6}\text{C}\rightarrow{}^{14}_{\ 7}\text{N}+{}^{\ \ 0}_{-1}\text{e}\qquad(\beta:\ A\ \text{không đổi},\ Z+1)$$Phát tia gamma không đổi số nào cả; nó chỉ mang đi phần năng lượng dư.
Hoàn thành hai phương trình sau, tìm số khối, số proton và tên hạt còn thiếu.
$$^{226}_{\ 88}\text{Ra}\rightarrow{}^{?}_{?}\text{Rn}+{}^{4}_{2}\text{He}$$$$^{90}_{38}\text{Sr}\rightarrow{}^{?}_{?}\text{Y}+{}^{\ \ 0}_{-1}\text{e}$$Phương trình thứ nhất — phân rã alpha. Cân bằng riêng từng dòng số.
Số khối: $226=A+4$, nên $A=222$.
Số proton: $88=Z+2$, nên $Z=86$.
$$^{226}_{\ 88}\text{Ra}\rightarrow{}^{222}_{\ 86}\text{Rn}+{}^{4}_{2}\text{He}$$Phương trình thứ hai — phân rã beta.
Số khối: $90=A+0$, nên $A=90$ — không đổi, vì electron gần như không có khối lượng.
Số proton: $38=Z+(-1)$, nên $Z=39$ — tăng thêm một.
$$^{90}_{38}\text{Sr}\rightarrow{}^{90}_{39}\text{Y}+{}^{\ \ 0}_{-1}\text{e}$$Vì sao $Z$ tăng trong phân rã beta. Electron không có sẵn trong hạt nhân. Nó sinh ra khi một neutron biến thành một proton, và electron được bắn ra để bảo toàn điện tích. Số nucleon giữ nguyên vì tổng proton cộng neutron không đổi — chỉ có một hạt đổi loại.
Chỗ hay sai nhất là viết $Z=37$: thấy dấu trừ ở $-1$ nên tay tự trừ. Nhưng phương trình cân bằng đòi $38=Z-1$, tức $Z=39$. Cứ viết ra phép cân bằng thành một dòng riêng thì không nhầm dấu.
Tia alpha ion hoá mạnh nhất trong ba loại nhưng lại bị một tờ giấy chặn lại. Giải thích vì sao hai điều này không mâu thuẫn mà thực ra là cùng một nguyên nhân.
Mắt xích một. Ion hoá nghĩa là bứt electron ra khỏi nguyên tử của vật chất mà tia đi qua. Mỗi lần bứt như vậy, tia phải trả một phần năng lượng của mình.
Mắt xích hai. Hạt alpha mang điện tích $+2$ và tương đối nặng, nên nó tương tác rất mạnh với electron của các nguyên tử xung quanh. Nó ion hoá rất nhiều lần trên mỗi milimét đường đi.
Mắt xích ba. Ion hoá nhiều lần thì mất năng lượng nhanh. Sau vài centimét không khí — hay sau một tờ giấy — hạt alpha đã tiêu hết năng lượng và dừng lại.
Mắt xích bốn — chiều ngược lại. Tia gamma không mang điện và không có khối lượng, nên hầu như không tương tác với electron. Nó ion hoá rất ít, do đó mất năng lượng rất chậm, do đó đi được rất xa.
Kết luận. Khả năng ion hoá và khả năng đâm xuyên không phải hai tính chất độc lập tình cờ đi ngược nhau — chúng là hai mặt của cùng một đại lượng: mức độ tương tác với vật chất. Tương tác mạnh thì ion hoá nhiều và đi ngắn; tương tác yếu thì ion hoá ít và đi xa.
Đây là câu hỏi Cambridge ra đi ra lại, và câu trả lời chỉ liệt kê hai cột của bảng sẽ không được trọn điểm.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Nuclear Physics gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.