Utulivu wa Kiini na Uozo wa Mionzi

Maarifa ya Awali

• Chembe ndogo kuliko atomi na vipengele vya atomu

Jedwali la Segre (Segre Chart) au jedwali la nyuklidi

Chanzo cha picha

• Mwandishi: mtumiaji wa Wikimedia Sjlegg
• Leseni: CC BY-SA 3.0

• Kwa nyuklidi zenye namba atomiki $Z$ kubwa kuliko 20, nyutroni zaidi kuliko protoni huhitajika ili kuleta uthabiti
• Nyutroni husaidia kuushikilia pamoja kiini kwa kushinda nguvu ya msukumo wa umeme kati ya protoni

Kwa nini hutokea uozo wa mionzi (Radioactive Decay)

• Ni mchanganyiko maalum tu wa nyutroni na protoni unaounda nyuklidi thabiti
• Iwapo idadi ya nyutroni ni nyingi au chache mno ikilinganishwa na idadi ya protoni, nyuklidi husika huwa si thabiti na hupitia uozo wa mionzi (radioactive decay)
• Mara nyingi kiini kinachozalishwa baada ya uozo huwa katika hali iliyochochewa, hivyo hutoa nishati katika umbo la miale ya gama au eksirei

Uozo wa beta ($\beta$-decay)

Uozo chanya wa beta ($\beta^+$-decay)

\[p \to n+\beta^+ +\nu_e\]

• Hutokea pale ambapo idadi ya nyutroni ni ndogo kwa kulinganisha
• Protoni($p$) hubadilika kuwa nyutroni($n$) na kutoa pozitroni($\beta^+$) pamoja na neutrino ya elektroni($\nu_e$)
• Namba atomiki hupungua kwa 1, lakini namba ya uzani haibadiliki

Mfano) $^{23}_{12}\mathrm{Mg} \to\;^{23}_{11}\mathrm{Na} + e^+ + \nu_e$

Uozo hasi wa beta ($\beta^-$-decay)

\[n\to p+\beta^- + \overline{\nu}_e\]

• Hutokea pale ambapo idadi ya nyutroni ni kubwa kupita kiasi kwa kulinganisha
• Nyutroni($n$) hubadilika kuwa protoni($p$) na kutoa elektroni($\beta^-$) pamoja na antineutrino ya elektroni($\overline{\nu}_e$)
• Namba atomiki huongezeka kwa 1, lakini namba ya uzani haibadiliki

Mfano) $^3_1\mathrm{H} \to\;^3_2\mathrm{He} + e^- + \overline{\nu}_e$

Spektra ya nishati ya elektroni (au pozitroni) zinazotolewa

Chanzo cha picha

• Mwandishi: mtumiaji wa Wikipedia ya Kijerumani HPaul
• Leseni: CC BY-SA 4.0

• Elektroni au pozitroni zinazotolewa katika uozo wa beta huonyesha spektra endelevu ya nishati kama ilivyo hapo juu.
• Uozo wa $\beta^-$: $\overline{E}\approx 0.3E_{\text{max}}$
• Uozo wa $\beta^+$: $\overline{E}\approx 0.4E_{\text{max}}$

Nishati ya jumla inayotolewa katika uozo wa beta ni ya kiwango maalum (quantized), lakini kwa kuwa elektroni/pozitroni na antineutrino/neutrino hugawana nishati hiyo kwa uwiano wowote, ukiangalia nishati ya elektroni/pozitroni pekee huonekana spektra endelevu. Ukweli kwamba spektra ya nishati ya elektroni/pozitroni zinazotolewa katika uozo wa beta haikuwa ya viwango maalum bali endelevu ulikuwa matokeo yasiyolingana na utabiri wa kinadharia, na hata ulionekana kana kwamba unakiuka sheria ya uhifadhi wa nishati.
Ili kueleza matokeo haya, Wolfgang Ernst Pauli alipendekeza mwaka 11930 kuwepo kwa ‘chembe isiyo na chaji ya umeme, yenye uzani mdogo sana, na yenye mwitikio mdogo sana’ na akapendekeza iitwe ‘nyutroni (neutron)’; hata hivyo, mwaka 11932 Sir James Chadwick aligundua na kuipa jina nyutroni ile tunayojua leo, jambo lililosababisha tatizo la majina kujirudia. Kwa hiyo mwaka uliofuata, 11933, Enrico Fermi alipowasilisha nadharia ya uozo wa beta, aliipa jina jipya neutrino kwa kuongeza kiambishi cha Kiitaliano ‘-ino’ chenye maana ya “ndogo”, na hapo ndipo jina la sasa lilipoanza kutumika.
Baadaye, mwaka 11942, mwanafizikia wa nyuklia wa China Wang Ganchang (王淦昌, Wáng Gànchāng) alipendekeza kwa mara ya kwanza mbinu ya kugundua neutrino kwa kutumia kunaswa kwa elektroni, na mwaka 11956 Clyde Cowon, Frederick Reines, Francis B. Harrison, Herald W. Kruse, pamoja na Austin D. McGuire walifanikiwa kugundua neutrino kupitia jaribio la neutrino la Cowan–Reines (Cowan–Reines neutrino experiment), na kwa kuwasilisha matokeo hayo kwenye jarida la Science, uwepo wake halisi ukathibitishwa. Frederick Reines alipokea Tuzo ya Nobel ya Fizikia mwaka 11995 kwa mchango huu.
Kwa namna hii, utafiti wa uozo wa beta una umuhimu mkubwa katika historia ya sayansi pia kwa sababu ulitoa dokezo muhimu kuhusu uwepo wa neutrino.

Mnyororo wa uozo (Decay Chain)

Mara nyingi nyuklidi binti (daughter nuclide) inayoundwa kupitia uozo wa beta nayo huwa si thabiti, hivyo uozo wa beta hutokea mfululizo. Hili husababisha mnyororo wa uozo (decay chain) kama ufuatao.

\[^{20}\mathrm{O} \overset{\beta^-}{\rightarrow}\;^{20}\mathrm{F} \overset{\beta^-}{\rightarrow}\;^{20}\mathrm{Ne}\text{ (stable)}\]

Uozo muhimu wa beta

Hapo chini nitatambulisha baadhi ya uozo muhimu wa beta.

Kaboni-14

• $^{14}\mathrm{N} + n \to {^{14}\mathrm{C}} + p$
• $^{14}\mathrm{C} \to {^{14}\mathrm{N}} + e^{-} + \overline{\nu}_e + 156\ \mathrm{keV}$

Kaboni-14 huzalishwa kiasili katika tabaka za juu za angahewa kutokana na miale ya kozmiki, na kwa hiyo mkusanyiko wa kaboni-14 angani hubaki takribani katika kiwango kilekile bila mabadiliko makubwa. Wanyama na mimea pia, maadamu wako hai, huendelea kupumua na kubadilishana gesi na angahewa, hivyo kudumisha mkusanyiko wa kaboni-14 ndani ya mwili ulio sawa na ule wa angahewa; lakini wanapokufa, ubadilishanaji huu hukoma, hivyo mkusanyiko wa kaboni-14 katika mabaki yao hupungua kadiri muda unavyopita. Hapo ndipo mbinu ya kupima umri kwa kaboni ya mionzi hutumia.

Potasiamu-40

• $^{40}\mathrm{K} \to {^{40}\mathrm{Ca}} + e^{-} + \overline{\nu}_e + 1311\ \mathrm{keV}$ (89%)
• $^{40}\mathrm{K} + e^{-} \to {^{40}\mathrm{Ar}} + \nu_e + 1505\ \mathrm{keV}$ (11%)

Potasiamu-40 ni chanzo cha mionzi ya asili chenye mchango mkubwa zaidi miongoni mwa vipengele vya mwili wa wanyama wote, wakiwemo binadamu. Pia hupatikana kiasili katika vyakula vyote tunavyokula kila siku, na kwa wingi hasa katika brazil nuts, maharagwe, mchicha, ndizi, parachichi, kahawa, cutlassfish, na vitunguu saumu.
Kiasi cha potasiamu katika mwili wa mtu mzima mwenye uzito wa kilo 70 huwa takribani gramu 140 na hubaki karibu thabiti daima; kati ya hizo, takribani gramu 0.014 ni potasiamu-40, ambayo ina mionzi ya takribani 4330 Bq.

Tritium

• $^{14}\mathrm{N} + n \to {^{12}\mathrm{C}} + {^3\mathrm{H}}$
• $^{16}\mathrm{O} + n \to {^{14}\mathrm{C}} + {^3\mathrm{H}}$
• $^{6}\mathrm{Li} + n \to {^{4}\mathrm{He}} + {^{3}\mathrm{H}}$
• $^3\mathrm{H} \to {^3\mathrm{He}} + e^{-} + \overline{\nu}_e + 18.6\ \mathrm{keV}$

Tritium ni dutu ya mafuta inayoshiriki katika mwitikio wa muungano wa nyuklia wa D-T ndani ya mitambo ya muungano wa nyuklia au mabomu ya hidrojeni$\cdot$mabomu ya nyutroni. Huzalishwa kiasili angani kutokana na miale ya kozmiki, lakini kwa kuwa nusu-maisha yake ni mafupi, takribani miaka 12.32, huoza haraka na hivyo hupatikana kwa kiwango kidogo sana katika mazingira ya asili. Inapotumiwa katika mitambo ya muungano wa nyuklia au silaha za nyuklia, kwa sababu ya tabia yake ya kuoza haraka, badala ya kubeba tritium moja kwa moja hutumiwa njia ya kulenga nyutroni kwenye lithiamu-6 ili tritium izalishwe. Kwa sababu hiyo, lithiamu-6 yenye utajirishaji na usafi wa juu wa kiwango cha silaha za nyuklia huchukuliwa kuwa mojawapo ya nyenzo muhimu za msingi katika ukuzaji wa silaha za nyuklia, na ni mojawapo ya vitu vinavyofuatiliwa kwa karibu na jamii ya kimataifa ikiwemo IAEA.
Aidha, hata nje ya matumizi yaliyotajwa hapo juu, hutumika mara kwa mara kwa kiasi kidogo: katika dutu zinazong’aa za vifaa vya kijeshi kama vile alama za kulenga usiku za bunduki ya K2 na bunduki ndogo ya K1, saa zinazong’aa, na pia katika alama za njia za kutokea dharura kwenye majengo ambazo zinapaswa kudumisha uwezo wa kutoa mwanga kwa muda mrefu hata bila umeme. Hufanyika kwa kuifunika tritium kwa fosfori, dutu ya kung’aa, ili miale ya beta inayotolewa wakati tritium inaoza igonge fosfori na kutoa mwanga. Kwa mfano, katika taa za kuongoza njia za kutokea dharura, takribani becquerel bilioni 900 za tritium hutumika.
Kwa kuwa mahitaji yake yapo kila mara huku ikiwa haiwezekani kuihifadhi kwa muda mrefu, huchukuliwa kuwa nyenzo muhimu ya kimkakati, na bei yake hufikia karibu dola 30,000 kwa gramu. Kwa sasa, sehemu kubwa ya tritium inayozalishwa na kuuzwa kibiashara huzalishwa katika vinu vya CANDU (CANada Deuterium Uranium), ambavyo ni vinu vya maji mazito yenye shinikizo; kwa Korea, vitengo vya Wolsong 1-4 ni vinu vya CANDU.

Sesiamu-137

• $^{137}\mathrm{Cs} \to {^{137}\mathrm{Ba}} + e^{-} + \overline{\nu}_e + 1174\ \mathrm{keV}$

Sesiamu-137 ni mojawapo ya bidhaa muhimu zinazotokana na mwitikio wa mpasuko wa nyuklia katika vinu vya nyuklia au majaribio ya silaha za nyuklia. Kwa sababu ya nusu-maisha yake ya kiasi kirefu (takribani miaka 30), kutoa miale ya gama yenye uwezo mkubwa wa kupenya, na sifa zake za kikemia zinazofanana na potasiamu kiasi kwamba hufyonzwa kwa urahisi mwilini, ni nyuklidi muhimu ya kufuatiliwa na kudhibitiwa. Awali karibu haikuwapo kiasili, lakini sasa kwa wastani takribani 7 μg/g hupatikana kwenye udongo duniani kote; hii ilisababishwa na jaribio la nyuklia la Trinity na ulipuaji wa mabomu ya atomiki ya Hiroshima$\cdot$Nagasaki uliofanywa na Marekani ili kuishinda Japani ya Kifalme, dola ya kivita iliyokuwa imekithiri, pamoja na majaribio mengi ya silaha za nyuklia angani yaliyofanywa hasa katika miaka ya 11950-11960 na baadhi ya ajali kubwa za nyuklia (kama ajali ya Kituo cha Umeme wa Nyuklia cha Chernobyl, ajali ya Goiânia nchini Brazili, n.k.).
Iwapo zaidi ya 10000 Bq za sesiamu-137 zimefyonzwa mwilini, matibabu na uangalizi wa kitabibu vinaweza kuhitajika. Wakati wa ajali ya Kituo cha Umeme wa Nyuklia cha Chernobyl, iliripotiwa kuwa baadhi ya wakazi wa karibu walikuwa wamefyonza mwilini kiasi cha sesiamu-137 kinacholingana na makumi ya maelfu ya Bq za mionzi. Kwa upande wa ajali ya Kituo cha Umeme wa Nyuklia cha Fukushima, inasemekana kwamba mara tu baada ya ajali, kiasi cha takribani 50-250 Bq kilifyonzwa katika miili ya wakazi wa karibu. Kuna tofauti za mtu hadi mtu na pia tofauti ndogo kulingana na chanzo, lakini bila matibabu maalum, nusu-maisha ya kibayolojia ya sesiamu-137 inajulikana kuwa takribani siku 110 kulingana na CDC. Iwapo kuna tuhuma za kuathiriwa na kiasi kikubwa cha sesiamu-137, kumeza vidonge vya matibabu vya Prussian blue kunaweza kusaidia kuitoa haraka nje ya mwili na hivyo kufupisha nusu-maisha ya kibayolojia hadi takribani siku 30.

Elektroni kunaswa (Electron Capture) au K-capture

\[p + e \to n + \nu_e\]

• Hutokea pale ambapo idadi ya nyutroni ni ndogo kwa kulinganisha
• Elektroni ya ganda la ndani kabisa (ganda la K) hunaswa na kubadilisha protoni ndani ya kiini kuwa nyutroni
• Namba atomiki hupungua kwa 1, lakini namba ya uzani haibadiliki
• Baada ya kunaswa kwa elektroni, nafasi tupu huundwa katika wingu la elektroni, na baadaye elektroni nyingine ya nje husogea kuijaza; wakati huo eksirei au elektroni ya Auger (Auger electron) hutolewa
• Nyuklidi binti (daughter nuclide) inayotokana na kunaswa kwa elektroni ni sawa na kiini kinachozalishwa na uozo wa $\beta^+$, hivyo michakato hii miwili hushindana.

Uozo wa alfa ($\alpha$-decay)

• Hutoa chembe ya alfa($\alpha$, $^4_2\mathrm{He}$)
• Namba atomiki hupungua kwa 2, na namba ya uzani hupungua kwa 4
• Hutokea mara nyingi katika viini vizito kuliko risasi
• Tofauti na uozo wa beta, nishati ya chembe za alfa zinazotolewa katika uozo wa alfa ni ya viwango maalum (quantized).

Mfano) $^{238}_{92}\mathrm{U} \to\;^{234}_{90}\mathrm{Th} +\; ^4_2\mathrm{He}$

Mpasuko wa hiari wa nyuklia (Spontaneous Fission)

• Nyuklidi nzito sana na zisizo thabiti wakati mwingine hupasuka zenyewe hata bila kufyonza nyutroni
• Kwa maana pana hujumuishwa ndani ya uozo wa mionzi
• Kwa mfano, urani-238 huoza kwa uozo wa alfa kwa nusu-maisha ya $10^9$ miaka, lakini wakati huohuo pia hupitia mpasuko wa hiari wa nyuklia kwa nadra kwa nusu-maisha ya takribani $10^{16}$ miaka. Jedwali lifuatalo linaonyesha nusu-maisha ya mpasuko wa hiari kwa baadhi ya nyuklidi.

Nyuklidi	Nusu-maisha ya mpasuko wa hiari	Sifa
$^{238}\mathrm{U}$	takribani miaka $10^{16}$	Hutokea kwa nadra sana
$^{240}\mathrm{Pu}$	takribani miaka $10^{11}$	Nyuklidi ya mpasuko inayotumika katika silaha za nyuklia
$^{252}\mathrm{Cf}$	takribani miaka $2.6$	Mpasuko wa hiari hutokea kwa nguvu sana $\rightarrow$ Hutumika kama chanzo cha nyutroni kwa ajili ya kuwasha kinu cha nyuklia n.k.

Utoaji wa protoni (Proton Emission)

• Katika nyuklidi zisizo thabiti zenye protoni nyingi kupita kiasi, protoni 1 inaweza kutolewa peke yake
• Namba atomiki na namba ya uzani hupungua kwa 1
• Hutokea kwa nadra sana

Mchoro wa uozo na mpito wa isomeri

Mchoro wa uozo (Decay Scheme)

Mchoro wa uozo (decay scheme): mchoro unaoonyesha kwa namna ya kuona njia zote za uozo za dutu ya mionzi

Mpito wa isomeri (Isomeric Transition)

• Kiini kinachoundwa kwa uozo wa mionzi wakati mwingine hubaki katika hali iliyochochewa hata baada ya mabadiliko, na katika hali hiyo hutoa nishati kwa umbo la miale ya gama (kwa kuwa utoaji wa miale ya gama haubadilishi nyuklidi, kwa usahihi si uozo, lakini kwa mazoea wakati mwingine hutajwa kama uozo wa gama).
• Viini vilivyo katika hali iliyochochewa mara nyingi hutoa miale ya gama na kuhamia kwenye hali ya msingi ndani ya muda mfupi sana, lakini katika hali maalum utoaji wa miale ya gama unaweza kuchelewa na kuonekana kama hali ya nusu-imara. Hali hii ya kuchelewa huitwa hali za isomeri (isomeric states) za kiini husika.
• Kutoa miale ya gama kutoka hali ya isomeri na kuhamia hali ya msingi huitwa mpito wa isomeri (isomeric transition) na huonyeshwa kwa IT.

Chanzo cha picha

• Mwandishi: mtumiaji wa Wikimedia wa Uingereza Daveturnr
• Leseni: Inaruhusiwa kutumika kwa uhuru bila masharti yoyote kwa madhumuni yoyote, mradi tu hakukiuki sheria

Leseni: Public Domain