VIII RADIOAKTIIVISEN HAJOAMISEN MUODOT

VIII RADIOAKTIIVISEN HAJOAMISEN MUODOT Radioaktiivisessa hajoamisessa on neljä perusmuotoa: fissio alfahajoaminen betahajoaminen sisäinen siirtymä Viime vuosikymmeninä on havaittu paljon harvinaisempiakin hajoamismuotoja, kuten protoni- ja neutroniemissioon johtavia hajoamisia, mutta niitä ei käsitellä tässä yhteydessä. Spontaani fissio Fission syy on se, että ydin on liian raskas ja sitä esiintyykin vain kaikkein raskaimmilla ytimillä. Fissiossa raskas ydin hajoaa kahdeksi kevyemmäksi ytimeksi, esimerkiksi 238 U 145 Ba + 90 Kr + 3 1 n + 200MeV [VIII.I] Kuva VIII.1. Raskaan ytimen fissio kahdeksi kevyemmäksi ytimeksi. Kevyempien alkuaineiden lisäksi fissiossa syntyy 2-3 neutronia ja erittäin suuri määrä energiaa, jonka jakautuminen eri komponetteihim on esitetty taulokossa seuraavalla sivulla. Fissiota on kahta tyyppiä: spontaani eli itsestään tapahtuva fissio ja indusoitu eli aikaan saatu fissio 34

Indusoitu fissio ei kuulu radioaktiivisen hajoamisen piiriin ja sitä käsitelläänkin vasta ydinreaktioiden ja ydinenergian yhteydessä. Luonnon radionuklideista spontaanisti fissioituva on vain 238 U. Fissio ei kuitenkaan ole 238 U:n pääasiallinen hajoamismuoto. Ainoastaan 0.005% siitä hajoaa spontaanilla fissiolla ja loppu alfahajonnalla. 238 U:n fission puoliintumisaika on erittäin pitkä 8 10 15 a. Transuraaneilla ja superraskailla alkuaineilla spontaani fissio on hyvin yleinen hajoamismuoto, mutta kuten uraanillakin se kilpailee muiden hajomismuotojen, alfa- ja betahajonnan kanssa. Esimerkiksi suurin osa plutoniumisotoopeista, kaikki joiden massaluku on välillä 235-244, hajoaa spontaanilla fissiolla. Eräillä superraskailla nuklideilla, kuten 256 Cf:lla tai 250 No:lla, spontaani fissio on ainoa havaittu hajoamismuoto. Spontaani fissio on englanniksi spontaneous fission ja se lyhennetään s.f. Fissiossa syntyvät tytärnuklidit ovat aina radioaktiivisia. Koska raskailla alkuaineilla, kuten uraanilla on kevyempiä alkuaineita suurempi neutroni/protonisuhde, on fissionuklideissa liikaa neutroneja ja ne hajoavat β - -hajonnalla. Hajoaminen tapahtuu useassa vaiheessa. Neutroni/protonisuhde 238 U:lla on 1.59 ja se on suurinpiirtein sama myös primäärisillä fissiotuotenuklideilla. Sen sijaan esim. stabiilien bariumisotooppien neutroni-protonisuhde on huomattavasti alhaisempi: 1.32-1.46. Fissiossa vapautuu myös neutroneita, 2-3 kussakin hajoamisessa. Taulukko VIII.1. 235 U:n fissiossa syntyvän 200 MeV:n kokonaisenergian jakautuminen. Fissiotuotteiden liike-energia 165 MeV Neutronien liike-energia 5 MeV Halkeamishetkellä vapautuva gammaenergia 7 MeV Fissiotuotteiden betahiukkasten energia 7 MeV Fissiotuotteiden gammakvanttien energia 6 MeV Betahajomisissa syntyvien neutriinojen energia 10 MeV Alfa-hajoaminen Alfahajoamisen syy on sama kuin fissionkin, ydin on liian raskas. Hajoaminen ei kuitenkaan ole yhtä dramaattinen kuin fissiossa, vaan hajoamisessa ytimestä poistuu yksi heliumydin, jota kutsutaan alfahiukkaseksi ja merkitään α:lla. 35

226 Ra 222 Rn + 4 He (α) [VIII.II] Heliumytimessä on kaksi protonia ja kaksi neutronia, joten alfahajonnassa ytimen varausluku laskee kahdella yksiköllä ja massaluku neljällä. Alfahajonta on lyijyä raskaampien aineiden yleisimpiä hajoamismuotoja, erityisesti protonirikkailla nuklideilla. Myös monet kevyemmät nuklidit, jotka ovat erityisen protonirikkaita, hajoavat alfahajonnalla. Alfahajonta johtaa vain harvoin yksinomaan tytärytimen perustilalle. Kun alfahajoaminen johtaa tytärytimen viristystilalle, on seurauksena (kuten myöhemmin tarkemmin käsitellään) ylimääräisen viritysenergian purkautumiseen gammakvantin emissiona. Alla olevassa kuvassa on esitetty hajoamiskaavio molemmille tapauksille: hajoaminen suoraan perustilalle ( 212 Po) ja hajoaminen sekä perus- että viristystiloille ( 211 Po). Raskaammilla nuklideilla hajoaminen voi tapahtua monien, jopa yli kymmenen eri alfaenergian ja vielä useamman gammakvantin emissiona, esim. 235 U:lla. Kuva VIII.2. 212 Po:n ja 211 Po:n hajontakaaviot. Useissa alfahajoamisissa on kilpailevana prosessina betahajonta, joko β - -hajonta, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty 218 Po:n hajontakaaviossa tai elektronikaappaus, kuten 211 At:n tapauksessa, joka on samassa kuvassa. β - -hajoamisten osuus 218 Po:n hajoamisissa on 0.02% ja elektronikaappausten osuus 211 At:n hajomisissa 58.1%. Joissakin tapauksissa, esim. 226 Ac:n hajoamisessa, kaikki kolme prosessia (alfahajonta, β - -hajonta ja elektronikaappaus voivat kilpailla keskennään. 36

Kuva VIII.2. 218 Po:n ja 211 At:n hajontakaaviot. Alfahajonnassa purkautuva energia Q α, joka on emo- ja tytärnuklidien perustilojen energiaero, voidaan laskea seuraavasti. Kuten jo aiemmin todettiin, on yhtä atomimassayksikköä vastaava energia 931.5 MeV. Kun M Z on hajoavan ytimen massa, M Z-2 tytärnuklidin ja M He alfahiukkasen, on hajoamisenergian arvo: Q α = - 931.5 MeV (M Z-2 + M He - M Z ) [VIII.II] Kun esim. 238 U hajoaa alfaemissiolla 234 Th:ksi saadaan hajoamisenergiaksi: Q α = - 931.5 MeV/amu (234.043594 + 4.002603 238.0507785) [VIII.III] = - 931.5 MeV/amu (-0.0045815 amu) = 4.274 MeV Siis hajoamisessa 0.0045815 amu massaa muuttuu 4.274 MeV energiaksi. Energia jakautuu kahteen osaan. Ensinnäkin alfahiukkasen liike-energiaksi (E α ) ja toiseksi tytärytimen rekyylienergiaksi (E Z-2 ). Prosessissa säilyy paitsi kokonaisenergia, eli Q α = E α + E Z-2, myös liikemäärä eli momentti, jolloin E α = Q α (M Z-2 /M Z ) ja E Z-2 = Q α (M α /M Z ). Kun näistä yhtälöistä ratkaistaan E α ja E Z-2, saadaan alfahiukkasen liike-energiaksi 4.202 MeV ja 234 Thtyttären rekyylienergiaksi 0.072 MeV. Verrattuna alfahiukkasen energiaan on tytärytimen rekyylienergia pieni, mutta se on n. 10.000 kertaa suurempi kuin kemiallinen sidosenergia. Siten rekyyli saakin aikaan tytärytimen kemiallisten sidosten katkeamisen. Alfahiukkasten energiat ovat aina erittäin korkeita, alin havaittu energia on 144 Nd:llä 1.38 MeV ja korkein 212 Pb:llä 11.7 MeV. Yleisimmin energiat ovat välillä 4-8 MeV. 37

Alfapartikkelit saavat tarkoin määrätyn energian, koska siirtymiset emonuklidin perustilalta tytärnuklidin perustilalle ja myös viritetyille tiloille ovat siirtymisiä määrätyille kvanttitiloille. Alfapartikkelit ovat siis monoenergeettisiä, samoin kuin ovat gammakvantit, jotka syntyvät alfahajoamisten johtaessa tytärytimen viritystiloille. Alfahiukkasten energiajakaumaa kutsutaan monoenergeettisyydestä johtuen viivaspektriksi. Alla olevassa kuvassa on esitetty 241 Am:n alfahiukkasten energiajakauma ja siitä spektrometrillä mitattu spektri. 241 Am:lla on viisi alfahajoamisenergiaa 5.389 MeV (1.3%), 5.443 MeV (12.8%), 5.486 MeV (85.2%), 5.512 MeV (0.2%) ja 5.544 (0.3%). Spektrometrin vajavaisesta erottelukyvystä johtuen piikit ovat levenneet ja menevät osittain päällekkäin. Kuva VIII.4. 241 Am:n alfahajoamisten energiajakauma ja vastaava mitattu alfaspektri sekä 241 Am:n hajoamiskaavio. Syy alfahajontaan on siis ytimen liian suuri massa. Kaikki ytimet, joiden massaluku on suurempi kuin 150, ovat massansa suhteen epästabiileja ja niiden pitäisi näin ollen hajota alfahajonnalla. Kuten näkyy kuvassa IV.1., joka esittää ytimen potentiaalidiagrammia, on ytimessä korkea potentiaalivalli, joka alfapartikkelin tulee ylittää päästäkseen ytimestä. Ytimissä, joiden massaluku on välillä 150-200 ytimen sisällä muodostuvan alfahiukkasen energia ei ole riittävä tämän vallin ylitykseen. Raskaimmissakin ytimissä, joiden tiedetään hajoavan alfahajonnalla, potentiaalivalli on korkeampi kuin emittoituvan alfahiukkasen energia. Esim. 238 U-ytimen potentiaalivallin korkeus on n. 9 MeV, mutta siitä emittoituvan alfahiukkasen energia vain 4.2 MeV. Klassisen fysiikan lakien mukaan alfahajonta ei tällöin olisi mahdollista. Ilmiö on selitetty kvanttimekaniikkaa hyväksi käyttäen siten, että 38

alfahiukkasella on tietty todennäköisyys läpäistä potentiaalivalli, mitä kutsutaan tunnelointiilmiöksi. Betahajoaminen Betahajonnan syy on ytimen väärä protoni/neutronisuhde, jonka ydin korjaa oikeaksi betahajonnan avulla. Betahajontaa on kolmea eri lajia β - -hajonta positroni- eli β + -hajonta elektronisieppaus eli kaappaus joista kaksi viimeistä ovat keskenään kilpailevia mekanismeja (joissakin harvoissa tapauksissa kaikki kolme mekanismia ovat kilpailevia). Kaikille betahajonnan mekanismeille on yhteistä, että niissä ei ytimen massaluku muutu, koska betahajonnassa muuttuu joko protoni neutroniksi tai päinvastoin neutroni protoniksi. Betahajonnat tapahtuvat isobaarilinjoja myöten pysymättömien ytimien kautta kohti stabiilia ydintä (kuva alla). Kuva VIII.5. Isobaarileikkaus nuklidikartasta A=12. 39

β - -hajoaminen Betamiinus-hajonnan syy on se, että nuklidissa on liikaa neutroneja eli nuklidi on neutroniylimääräinen. Tällaisia nuklideja syntyy ensisijaisesti fissiossa ja neutronipommituksissa. Betamiinushajonnassa ytimessä oleva ylimääräinen neutroni muuttuu protoniksi ja samalla ytimestä emittoituu betahiukkanen (β - ). (n) (p + ) + β - [VIII.IV] sulkeet viittaavat ydinvoimakentässä olevaan hiukkaseen. Betahiukkanen on täysin identtinen elektronin kanssa. Sitä voidaan myös kutsua negatroniksi. β - -hajonnassa tytärytimen järjestysluku on siis yhden yksikön korkeampi kuin emoytimen. Kuten jo aiemmin todettiin, ydinhajoamisissa emonuklidin ja tytärnuklidin välillä on aina tietty energiaero, joka on riippuvainen niiden kvanttitiloista. Betahajoamisessa on kuitenkin todettu, että emittoituvilla betahiukkasilla ei ole määrätty energia, vaan se vaihtelee nollan ja kullekin nuklidille tyyppillisen maksimienergian (E max ) välillä. Alla olevassa kuvassa on esitetty tyypillinen betahiukkasten energiajakauma eli betaspektri, joka ei kuten näkyy ole viivaspektri vaan jatkuva spektri. Tämän ristiriidan ratkaisemiseksi on esitetty ratkaisu, jonka mukaan betahajoamisessa ei emittoidu pelkästään betahiukkasia vaan myös neutriinoja (υ) ja kussakin hajoamisessa näiden yhteinen kineettinen energia on vakio (E max ) mutta niiden suhteelliset osuudet vaihtelevat välillä 0-100%. Neutriino ei tule näkyviin mitatussa spektrissä, koska se on käytännöllisesti katsoen massaton ja niin ollen käytössä olevat mittalaitteet eivät kykene sitä toteamaan. Itse asiassa neutriinoja ei emittoidu β - -hajoamisessa, vaan β + -hajoamisessa, joka käsitellään hieman myöhemmin. β - -hajoamisessa emittoituu neutriinon vastapartikkeli antineutriino (υ ). Näin ollen edellä esitetty β - -hajoamisen täydellinen hajoamisyhtälö on seuraava: (n) (p + ) + β - + υ [VIII.V] 40

Kuva VIII.6. 64 Cu:n β - - ja β + -spektrit. Kuten tästä kuvasta näkyy, kineettinen energia ei jakaudu tasan betahiukkasen ja neutriinon kesken, vaan keskimääräinen betahiukkasen energia on suurinpiirtein 0.3 E max. Betahajoamisessa purkautuva energia ei tule vain betahiukkasen ja neutriinon kineettisiksi energioiksi, vaan myös tytärytimen rekyylienergiaksi. Koska hajoamisenergian jakautuminen emittoituvan partikkelin liike-energiaksi ja tytärytimen rekyylienergiaksi on liikemäärän säilymisen perusteella kääntäen verrannollinen niiden massoihin, on betahajonnassa toisin kuin alfahajonnassa rekyylienergian osuus erittäin pieni ja se voidaan jättää huomiotta kun lasketaan hajoamisenergioita. Betahajonnan energiat vaihtelevat erittäin suurella välillä. Alla olevassa taulukossa on esitetty eräitä esimerkkejä. 41

Taulukko VIII.3. Eräiden betahajoamisten keskimääräiset energiat (E) ja maksimienergiat (E max). E 0.3 E max. Nuklidi E (MeV) E Max (MeV) Nuklidi E (MeV) E max (MeV) 3 H 0.0057 0.018 32 P 0.695 1.71 14 C 0.0495 0.180 90 Y 0.935 2.30 Betahajonnat johtavat useimmiten tytärytimen viritetyille tiloille, jotka purkautuvat gammaemissiona, joista tarkemmin myöhemmin. Jotkut hajoamiset johtavat kuitenkin ainoastaan tytärytimen perustilalle ja nämä emonuklidit ovat siten puhtaita beta-emittereitä. Puhtaita β - -emittereitä ovat esim. 3 H, 14 C, 32 P, 35 S, ja 63 Ni. Alla on esitetty hajoamiskaaviot puhtaalle β - -emitterille sekä β - -emitterille, jossa emittoituu myös gammakvantteja. Kuva VIII.7. 39 Ar:n ja 41 Ar:n hajoamiskaaviot. β - -hajonnassa lasketaan hajoamisenergia yksinkertaisesti tytär- ja emoatomien massojen erosta: Q β- = -931.5 (M Z+1 - M Z ) [VIII.VI] Poistuvan betahiukkasen (elektronin) massaa ei tarvitse ottaa huomioon, koska tytärnuklidin järjestysluku on yhden emonuklidia korkeampi. Tytärnuklidi, joka syntyy ionisoituneena, ottaa poistuvaa elektronia vastaavan elektronin ympäristöstä saavuttaakseen elektroneutraalisuuden. 42

β + -hajoaminen β + -hajonta on vastakkainen prosessi β - -hajonnan kanssa. Se tapahtuu protoniylimääräisillä nuklideilla ja siinä muuttuu ytimen sisällä oleva protoni neutroniksi. Protoniylimääräisiä nuklideja saadaan aikaiseksi etupäässä protonipommituksella erilaisissa kiihdyttimissä. β + - hajonnassa on kaksi kilpailevaa prosessia: positroniemissio elektronikaappaus Positroniemissio Positroniemissiossa ytimen sisällä oleva protoni muuttuu neutroniksi ja ytimestä emittoituu positronihiukkanen (β + ). (p + ) (n) + β + [VIII.VII] Positronihiukkanen on massaltaan elektronin suuruinen, mutta sen varaus on vastakkaismerkkinen eli sillä on yhden yksikön positiivinen varaus. Analogisesti β - -hajonnan kanssa hajoamisenergia jakaantuu positronin ja neutriinon kanssa ja täydellinen reaktioyhtälö on siten: (p + ) (n) + β + + υ [VIII.VIII] Positroniemissiossa siis tytärytimen järjestysluku on yhtä pienempi kuin emoytimen. Kuten betaminushajonnassakin myös positroniemissiossakin hajoaminen johtaa useimmiten tytärytimen viritystiloille ja myöhemmin niiden purkautumiseen gammakvantteina. Jotkut positronitemitterit, erityisesti kevyet nuklidit kuten 11 C, 13 N, 15 O, 18 F ovat kuitenkin puhtaita positroniemittereitä. Alla olevassa kuvassa on esitetty hajoamiskaaviot puhtaalle positroniemitterille sekä viritetylle tilalle johtavalle β + -hajonnalle. 43

Kuva VIII.8. 18 F:n ja 22 Na:n hajoamiskaaviot. Toisin kuin betamiinushajonnassa täytyy positroniemissiossa ottaa hajoamisenergiaa laskettaessa huomioon myös positronin ja elektronin massat, koska tytäratomin järjestysluku on emoatomia yhtä pienempi ja näin ollen siitä täytyy poistua yksi elektroni. Tämän lisäksi ytimestä poistuu toinen elektronin massa emittoituvan positronin myötä. Näin ollen hajoamisenergia on: Q β+ = -931.5 (M Z-1 + 2M e - M Z ) [VIII.IX] elektronin massa on 0.000548597 amu, joka vastaa energiaa 0.000548597 amu x 931.5 MeV/amu = 0.511 MeV. Betaminushajonnassa emittoituva positronihiukkanen on pysymätön. Kun se on menettänyt väliaineessa liike-energiansa se yhtyy vastahiukkaseensa, johonkin väliaineen elektroniin. Yhtymisprosessissa molemmat hiukkaset häviävät eli annihiloituvat ja niiden energia muuttuu sähkömagneettiseksi gammasäteilyksi, jota kutsutaan annihilaatio- eli häviämissäteilyksi. Annihilaatiossa syntyy kaksi gammakvanttia, jotka emittoituvat vastakkaisiin suuntiin. Koska elektronin ja positronin lepomassaa vastaava energia on 0.511 MeV, on molempien emittoituvien gammakvanttien energia 0.511 MeV. Näitä gammoja käytetäänkin positroniemittereiden havaitsemiseen ja laskemiseen, koska niiden havaitseminen on yksinkertaisempaa kuin itse positronien. 44

Kuva VIII.9. Positroniemissio ja positronien annihilaatio. Positronien energiajakauma on hieman erilainen kuin β - -hiukkasten (ks. VIII.7.). Verrattuna β - -hajontaan suurempi osuus hajoamisenergiasta tulee positronin liike-energiaksi ja positronien keskimääräinen energia onkin n. 0.4E max, kun se β - -hiukkasilla on 0.3E max. Elektronisieppaus Elektonisieppaus eli kaappaus (electron capture EC) on siis kilpaileva prosessi positroniemission kanssa. Se on vallitseva betahajonnan muoto raskailla alkuaineilla (Z>80). Positroniemissio puolestaan on vallitseva kevyillä alkuaineilla (Z<30) ja näiden välillä eli kun Z=30-80, molemmat tapahtuvat rinnan. Elektronisieppauksessa ytimessä oleva protoni muuttuu neutroniksi sieppaamalla yhden oman atomin rataelektronin (p + ) + e - (n) + υ [VIII.X] Siis kuten positroniemissiossakin on tytäratomin järjestysluku yhden alhaisempi kuin emoatomin. Yleisimmin elektronikaappaus tapahtuu sisemmältä K-kuorelta, harvemmin L- kuorelta ja erittäin harvoin tätä ulommilta. Kuten betaminushajoamisessa ei elektronisieppauksessakaan tarvitse ottaa huomioon siepatun elektronin massaa laskettaessa hajoamisenegiaa, koska tytäratomin järjestysluku on yhtä alhaisempi ja näin ollen tarvitseekin yhden elektronin vähemmän. Hajoamisenergia lasketaan vain emo- ja tytäratomien massoista: 45

Q EC = -931.5 (M Z-1 - M Z ) [VIII.XI] kuten EC:n hajoamisyhtälössä jo esitettiin, myös elektronikaappauksessa syntyy neutriinoja. Itse asiassa koko hajoamisenergia emittoituu neutriinon myötä. Siis itse hajoamisessa ei synny havaittavaa säteilyä. Sen sijaan, kun siepatun elektronin aukko täyttyy ylemmiltä elektronikuorilta tulevilla elektroneilla, syntyy kyseiselle atomille, siis tytäratomille, karakteristista röntgensäteilyä, jota käytetäänkin EC-nuklidien mittaamiseen. Samoin, jos tytärydin jää viritetylle tilalle, sen purkautuessa havaitaan myös sähkömagneettista säteilyä. Kuva VIII.10. Elektronisieppaus ja karakteristisen röntgensäteilyn muodostuminen. Kuva VIII.11. 55 Fe:n hajoamiskaavio ja hajoamisen seurauksena syntyvän röntgensäteilyn spektri. 55 Mn:n 46

Odd-even-ongelma Kuten ytimien stabiilisuutta kuvaavassa osassa kerrottiin, on puoliempiirisen massan kaava vakiomassaluvulle laskettuna parabeli, jonka reunoilla ovat beta-aktiiviset nuklidit, vasemmalla reunalla β - -aktiiviset, oikealla β + /EC-aktiiviset ja parabelin pohjalla stabiilit nuklidit. Nämä parabelit ovat isobaaripoikkileikkauksia energialaaksosta, jonka kuva on esitetty sivulla 24. Riippuen isobaarin massaluvusta, saadaan joko yksi tai kaksi parabelia: parittomilla massaluvuilla on vain yksi parabeli kun sen sijaan parillisilla on kaksi. Parittomilla massaluvuilla on on parabelin pohjalla vain yksi stabiili nuklidi, parillisilla massaluvuilla kaksi tai jopa kolme. Parillisten massalukujen ylemmällä isobaarikuvaajaparabelilla olevilla nuklideilla on sekä pariton järjestysluku että neutroniluku eli ne ovat odd-odd-nuklideja. Alemman parabelin nuklidit ovat even-even-nuklideja. Betahajoaminen parittomalla massaluvulla. Alla on esitetty isobaarileikkaus massaluvulle 145. Parabeleja on siis vain yksi. Vasemmalla rinteellä tapahtuu β - 145 -hajoamista: 58 Ce hajoaa 145 Pr 145 59 : ksi ja tämä edelleen stabiiliksi 60 Nd : ksi. Oikealla rinteellä tapahtuu sekä β + - hajoamista että elektronisieppausta: 145 Sm 145 62 hajoaa 61 Pm : ksi ja tämä edelleen stabiiliksi 145 145 60 Nd : ksi. Parabelin pohjalla olevalla 60 Nd : llä on pienin massa eli se on stabiilein. Sillä on parillinen järjestysluku, mutta pariton neutroniluku eli se on even-odd-nuklidi. Tällaisia isobaarileikkauksia ja vastaavia stabiileja odd-even- tai even-odd-nuklideja on kaikkiaan 105. Kuva VIII.12. Betahajoamisen isobaarileikkaus massaluvulla 145. 47

Betahajoaminen parillisella massaluvulla. Parillisella massaluvulla on isobaarileikkauksella kaksi parabelikuvaajaa. Kuten parittomillakin massaluvuilla betahajoaminen tapahtuu parabelin rinteitä pitkin, nyt vain siten, että hajoaminen johtaa aina siirtymiseen parabelilta toiselle. Harvinaisimmat hajoamiset johtavat ylemmän parabelin pohjanuklidiin.tällaisia nuklideja on vain neljä kevyintä odd-odd-nuklidia 2 H, 6 Li, 10 B ja 14 N. Raskaammat odd-oddnuklidit ovat aina (ehkä 50 V:a lukuun ottamatta) epästabiileja nukleoniparittomuutensa tähden. Esimerkki tällaisesta tapauksesta on kuvassa VIII.13., jossa esitetään isobaaripoikkileikkaus massaluvulle 142. Siinä ylemmän parabelin pohjanuklidi raskaampi kuin alemmalla parabelilla olevat viereiset even-even-nuklidit niin ollen 142 59 Pr, joka on odd-odd-nuklidi, on 142 Ce 142 58 ja Nd 60 ja 142 59 Pr voikin periaatteessa hajota molemmiksi näiksi nuklideiksi. Käytännössä betamiinushajoaminen on vallitseva. Eräillä muilla odd-odd-nuklideilla tapahtuu hajoamista molempiin suuntiin. Tällaisesta tapauksesta on esimerkkinä 64 Cu:n hajoamiskaavio (Kuva VIII.14). Massaluvun A=142 isobaarileikkauksessa huomataan vielä, 142 58 Ce on raskaampi ydin kuin 142 60 Nd ja näin ollen hajoamisen täksi kevyemmäksi ytimeksi tulisi tapahtua. 142 142 58 Ce : n hajoaminen betamiinushajonnalla 60 Nd : ksi edellyttäisi kuitenkin ensin hajoamista raskaamman 142 59 Pr -nuklidin kautta, mikä on mahdotonta. Ainoa mahdollisuus tälle hajoamiselle onkin kaksoisbetamiinushajoaminen. Joitakin tällaisia kaksoisbetamiinushajoamisia onkin havaittu, esim. 82 Se hajoaa 82 Kr:ksi emittoimalla kaksi betaa, jolloin järjestysluku kasvaa kahdella yksikköllä. Hajoaminen on erittäin hidasta, sen puoliintumisaika on noin 1.7 10 20 vuotta. Kuva VIII.13. Betahajoamisen isobaarileikkaus parillisella massaluvulla A=142. Stabiileja nuklideja on kaksi, molemmat ovat even-even-nuklideja. 48

Kuva VIII.14. 64 Cu:n hajoamiskaavio. Alla on vielä kaksi parillisen massaluvun isobaarileikkauskuvaajaa, joista vasemmassa syntyy yksi stabiili even-even-nuklidi ja oikeassa kolme stabiilia even-even-nuklidia. Vasemman puoleinen tapaus on yleinen, niitä tunnetaan kaiken kaikkiaan 78. Oikean puoleinen on sen sijaan erittäin harvinainen: vain kolme tapausta tunnetaan, esim. massaluvulla 96, jossa syntyvät stabiilit nuklidit 124 Xe, 124 Te ja 124 Sn. Kuva VIII.15. Betahajoamisen isobaarileikkaus parillisella massaluvulla. Vasen puoli: yksi stabiili nuklidi, esim massaluku A = 66. Oikea puoli: A= 124, stabiileja nuklideja kolme. 49

Tytärytimen rekyyli betahajonnoissa Neutriinon emittoitumisuuntaa ei tiedetä, mutta jos se emittoituu päivastaiseen suuntaan kuin betahiukkanen, on tytärytimen rekyyli nolla. Jos sen sijaan molemmat emittoituvat samaan suuntaan, on rekyylienergia maksimissaan, jolloin sen energiaa merkitään E d :llä. Hajoamisenergia on niin ollen Q = E d + E max [VIII.XII] missä E max on betahiukkasen maksimienergia. Kuten jo edellä todettiin rekyylienergia on elektronin/positronin pienestä koosta johtuen erittäin pieni. Näin ollen Q ja E max ovat käytännössä yhtä suuret. Esim 14 C:n hajoamisessa, jossa E max on 0.155 MeV, on E d :n arvo vain 7 ev. Verrattuna kemiallisen sidoksen energiaan tämä energia on kuitenkin merkittävä ja niin ollen betahajoamisen aiheuttama rekyyli usein johtaakin tytärytimen kemiallisten sidosten katkeamiseen. Betahajoamisen seurausilmiöt Betahajoamisessa syntyy primäärisäteilynä β - -hiukkasia, positroneja ja neutriinoja, joista jälkimmäisiä ei kuitenkaan mittalaitteilla havaita. Eräiden nuklidien hajoamisessa, esim. 14 C:n hajoamisessa, ei muuta säteilyä synnykään kuin betahiukkasia. Monissa tapauksissa, joista eräitä onkin jo mainittu, seuraa betahajoamista muita prosesseja, joissa syntyy sekundääristä säteilyä. Tällaisia ovat: Betahajoaminen johtaa tytärytimen virittyneelle tilalle, joka purkautuu sisäisellä siirtymällä. Positronien häviämisessä eli annihilaatiossa syntyy 0.511 MeV:n gammasäteilyä. Elektronisieppauksessa syntyy tytäratomin karakteristista röntgensäteilyä. Auger-elektronien syntyminen elektronikaappauksen jälkeen. Auger-elektronien syntyminen Elektronisieppauksessa K-kuorella syntyvät röntgenkvantit voivat irrottaa ulommilta elektronikuorilta (L,M) elektroneja. Näiden, ns. Auger-elektronien, energiat ovat verraten pieniä, enintään muutaman kymmenen elektronivolttia. Alla on esitetty täsät esimerkkinä 50

57 Fe:n viritystilan purkautuminen. Tämä voi tapahtua joko a) 14.4 kev:n gammaemissiona tai b) 7.3 kev:n konversioelektronien muodostumisena. K-kuoren röntgenkvantit voivat irrottaa ulomman kuoren elektroneja radaltaan, jolloin muodostuu 5.6 kev:n Auger-elektroneja. Elektronikuorien täyttyessä ylemmiltä kuorilta, syntyy mm. 1 kev:n ja 6.6 kev:n röntgenkvantteja. Kuva VIII.16. Auger-elektronien syntyminen 57 Fe hajoamisen seurauksena. Sisäinen siirtymä - gammahajoaminen ja sisäinen konversio Beta- ja alfahajonnassa ydin ei useimmiten hajoa suoraan tytärytimen perustilalle vaan hajoaminen tapahtuu tytärytimen viritystilojen kautta. Tytärytimen viritystilat purkautuvat kahdella tavalla: gammahajoamisen kautta tai sisäisen konversion kautta Yhteisellä nimellä näitä kutsutaan sisäiseksi siirtymäksi (internal transition IT). Gammahajoaminen Gammahajomisessa tytärydin purkaa viritysenergiaansa emittoimalla sähkömagneettista gammasäteilyä. Kun esimerkiksi 212 Bi hajoaa alfahajonnalla 208 Tl:ksi vain kohtuullisen pieni osa alfahiukkasista saa liike-energiakseen maksimienergian 6.08 MeV. Suurin osa hajonnoista tapahtuu viritystilojen kautta, jolloin syntyy gammasäteilyä. Gammakvanttien energiat voi 51

laskea hajoamisenergian ja alfahiukkasten erona: esim. 5.76 MeV:n alfahiukkasta vastaa 6.08-5.76 = 0.32 MeV:n gammakvantti. Gamma-hajoamiset tapahtuvat useimmiten erittäin nopeasti, < 10-12 sekunnissa, eikä niiden elinikää tällöin kyetä mittaamaan. Gammahajoamiset tapahtuvat usein portaittain viritystilalta toiselle ja lopulta perustilalle. Gammahajoamisten sanotaan tällöin olevan kaskaadissa. Gammahajoamisten, joilla on edellä mainittua pidempiä elinikiä, hajoamisnopeuksia kyetään mittaamaan ja niitä tiedetään useita. Mikäli gammahajonnalla on mitattava elinikä, nuklidia, siis tytärnuklidia viritystilalla, kutsutaan isomeeriksi ja tällaista nuklidia merkitään pienellä m:llä massaluvun vieressä, esim. 137m Ba, jonka puoliintumisaika 2.6 minuuttia. Isomeerien puoliintumisajat vaihtelevat suuresti ja pisin on 192m Ir:n 900 vuotta. Gammahajoamiset tapahtuvat tytärytimen viritystilojen välillä ja niiltä perustilalla. Viritystiloilla on määrätyt energiansa, jotka riippuvat ytimen kvanttitiloista. Näin ollen myös gammakvanteilla on aina määrätyt energiat eli gammahajoamisessa saadaan viivaspektri. Alla on esitetty 198 Au:n hajoamiskaavio ja vastaava gammaspektri. Kuva VIII.17. 198 Au:n hajoamiskaavio ja gammaspektri. Gammahajoavia nuklideja saadaan paitsi alfa- ja betahajonnan jälkituotteina myös virittämällä stabiileja nuklideja sähkömagneettisella tai hiukkassäteilyllä. Gammasäteilyä syntyy myös fissioissa. 52

Gammasäteily aiheuttaa tytärytimeen vain pienen rekyylienergian, jonka arvo on < 0.1% gammaenergiasta, joten käytännöllisesti katsoen koko hajoamisenergia purkautuu gammkavantin energiana. Sisäinen konversio Kuten jo sanottiin, gammahajoamisen kanssa kilpailee toinen prosessi: sisäinen konversio (internal conversion IC). Siinä virittyneestä tytärytimestä ei emittoidukaan gammakvanttia, vaan viritysenergia siirtyy suoraan tytärytimen rataelektronille, joka irtautuu atomista. Ilmiö on analoginen Auger-elektronien syntymisen kanssa karakteristisen röntgenviritysenergian purkautumisessa. Elektronit, joita kutsutaan tässä tapauksessa konversioelektroneiksi, ovat monoenergeettisia. Niiden liike-energia on yhtä suuri kuin viritysenergia, josta vähennetään elektronin sidosenergia. Useimmiten konversioelektronit ovat peräisin sisemmältä K-kuorelta, koska sillä ydintä lähimpänä on sen kanssa suurin vuorovaikutus. Esim. 137m Ba:n hajoamisessa tapahtuu konversio viisi kertaa useammin K-kuorelta kuin L-kuorelta. Konversioelektronit näkyvät jatkuvassa betaspektrissä piikkeinä, esim. 137 Cs:n betaspektrissä (alla) näkyy sekä K- että L-kuorilta peräisin olevat konversioelektronit. Kuva VIII.18. 137 Cs:n betaspektri. Sisäisen konversion intensiteetin suhdetta gammahajomisen intensiteettiin kutsutaan konversiokertoimeksi α IC 53

α IC = I IC /I γ [VIII.XIII] Alla on esitetty 137 Cs:n hajoamiskaavio: 94.6% betahajoamisista kulkee virittyneen 137m Ba:n kautta. Tämä viritystila purkautuu 89.8%.sti 662 kev:n gammaemissiolla ja loput 10.2% purkautuu sisäisen konversion kautta. Tässä tapauksessa konversiokerroin on 0.11. Kuva VIII.19. 137 Cs:n hajoamiskaavio. Yhteenveto radioaktiivisen hajoamisen hiukkasista ja kvanteista Taulukko VIII.4. Ydinhajoamisissa ja niiden jälkiseurauksissa mukana olevia hiukkasia ja kvantteja. Hiukkanen symboli massa (amu) varaus protoni p 1.007277 +1 neutroni n 1.008665 0 elektroni, negatroni, betahiukkanen e, e -, β - 0.00054859-1 positroni β + 0.00054859 +1 neutriino υ 0 0 antineutriino υ 0 0 gammakvantti röntgenkvantti γ rtg, X 54