Нуклидите се характеризират с атомния си номер (брой протони) и атомно масово число (общ брой протони и неутрони). Броят на протоните диктува какъв елемент е той, а общият брой на протоните и неутроните определя изотопа.
Радиоизотопите (радиоактивни изотопи) са атоми, които имат нестабилно ядро и са склонни към ядрен разпад. Те са във високоенергийно състояние и искат да скочат в по-ниско енергийно състояние, като освобождават тази енергия, под формата на светлина или други частици. Полуживотът на радиоизотоп или времето, необходимо на половината от атомите на радиоизотопа да се разпадне, е много полезна мярка, която трябва да се знае.
Радиоактивните елементи обикновено са на последния ред на периодичната таблица и на последния ред на редкоземните елементи.
Радиоактивно разпадане
Радиоактивните изотопи имат нестабилни ядра, при които енергията на свързване, поддържаща протоните и неутроните плътно заключени заедно, не е достатъчно силна, за да се задържи постоянно. Представете си топка, седнала на върха на хълм; леко докосване ще го изпрати да се търкаля, сякаш в състояние на по-ниска енергия. Нестабилните ядра могат да станат по-стабилни, като отделят част от енергията си под формата на светлина или други частици като протони, неутрони и електрони. Това освобождаване на енергия се нарича радиоактивен разпад.
Процесът на разпадане може да приеме много форми, но основните видове радиоактивен разпад са:алфаразпад (емисия на алфа-частица / хелиево ядро),бетаразпадане (емисия на бета частица или улавяне на електрони) игамаразпадане (излъчване на гама лъчи или гама лъчение). Алфа и бета разпадът трансмутира радиоизотопа в друг нуклид, често наричан дъщерен нуклид. И трите процеса на разпад създават йонизиращо лъчение, вид високоенергийна радиация, която може да навреди на живата тъкан.
При алфа-разпад, наричан още алфа-емисия, радиоизотопът излъчва два протона и два неутрона като ядро на хелий-4 (известно още като алфа-частица). Това кара масовото число на радиоизотопа да намалее с четири, а атомният му номер да намалее с две.
Бета-разпад, наричан още бета-емисия, е излъчването на електрон от радиоизотоп, когато един от неговите неутрони се превръща в протон. Това не променя масовото число на нуклида, но увеличава атомния му номер с един. Съществува и един вид бета разпад, който е почти обратен на първия: нуклидът излъчва позитрон (положително зареденият антиматериален партньор на електрон) и един от неговите протони се превръща в неутрон. Това намалява атомния номер на нуклида с едно. И позитронът, и електронът ще се считат за бета частици.
Специален вид бета разпад се нарича бета разпадане на улавяне на електроните: Един от най-вътрешните електрони на нуклида е уловен от протон в ядрото, превръщайки протона в неутрон и излъчвайки свръхмалка, супер бърза частица, наречена електрон неутрино.
Радиоактивността обикновено се измерва в една от двете единици: бекерелът (bq) и кюрито. Бекерелите са стандартните (SI) единици на радиоактивност и представляват скорост от един спад в секунда. Куриите се основават на броя на разпаданията в секунда на един грам радий-226 и са кръстени на известния учен по радиоактивност Мария Кюри. Откриването й на радиоактивността на радия доведе до първото използване на медицински рентгенови лъчи.
Какво е полуживот?
Времето на полуживот на радиоактивен изотоп е средното време, което отнема около половината от атомите в проба от радиоизотоп, за да се разпадне. Различните радиоизотопи се разпадат с различна скорост и могат да имат диво различен полуживот; тези периоди на полуразпад могат да бъдат само няколко микросекунди, например в случая на полоний-214, и няколко милиарда години, като уран-238.
Важната концепция е, че даден радиоизотоп щевинагиразпад със същата скорост. Неговият полуживот е присъща характеристика.
Може да изглежда странно да се характеризира елемент по това колко време отнема половината от него да се разпадне; няма смисъл да говорим например за времето на полуразпад на един атом. Но тази мярка е полезна, тъй като не е възможно да се определи точно кое ядро и кога - процесът може да се разбере само статистически, средно, с течение на времето.
В случай на едно атомно ядро, общата дефиниция на полуживот може да бъде обърната: вероятността това ядро да се разпадне за по-малко време от неговия полуживот е около 50%.
Уравнение за радиоактивно разпадане
Има три еквивалентни уравнения, които дават броя на ядрата, останали във времетоT. Първият е даден от:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
КъдетоT1/2е полуживотът на изотопа. Вторият включва променливаτ, което се нарича среден живот или характерното време:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Третият използва променливаλ, известна като константа на разпадане:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
ПроменливитеT1/2, τиλвсички са свързани от следното уравнение:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Независимо коя променлива или версия на уравнението използвате, функцията е отрицателна експоненциална, което означава, че никога няма да достигне нула. За всеки полуживот, който преминава, броят на ядрата се намалява наполовина, става все по-малък и по-малък, но никога не изчезва - поне това се случва математически. На практика, разбира се, проба се състои от краен брой радиоактивни атоми; след като пробата се понижи до един атом, този атом в крайна сметка ще се разпадне, без да остане атоми от първоначалния изотоп.
Радиоактивно датиране
Учените могат да използват скоростта на радиоактивно разпадане, за да определят възрастта на старите предмети или артефакти.
Например въглеродът-14 постоянно се попълва в живите организми. Всички живи същества имат еднакво съотношение на въглерод-12 към въглерод-14. Това съотношение се променя, след като организмът умре, тъй като въглеродът-14 се разпада, докато въглеродът-12 остава стабилен. Като знаем скоростта на разпадане на въглерод-14 (той има период на полуразпад 5 730 години) и измерваме колко от въглерода-14 в пробата има трансмутирани в други елементи спрямо количеството въглерод-12, тогава е възможно да се определи възрастта на вкаменелостите и подобни обекти.
Радиоизотопите с по-дълъг период на полуразпад могат да се използват за датиране на по-стари обекти, въпреки че трябва да има някакъв начин да се каже колко от този радиоизотоп е бил в пробата първоначално. Въглеродното датиране може да датира само обекти на възраст под 50 000 години, тъй като след девет полуживота обикновено остава твърде малко от въглерода-14, за да се вземе точна мярка.
Примери
Ако полуживотът на морски боргиум-266 е 30 секунди и започваме с 6,02 × 1023 атоми, можем да намерим колко остава след пет минути, като използваме уравнението за радиоактивно разпадане.
За да използваме уравнението за радиоактивно разпадане, включваме 6,02 × 1023 атоми зан0, 300 секунди заTи 30 секунди заT1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Ами ако имахме само началния брой атоми, крайния брой атоми и полуживота? (Това е, което учените имат, когато използват радиоактивен разпад, за да датират древни вкаменелости и артефакти.) Ако проба от плутоний-238 започва с 6.02 × 1023 атоми и вече има 2,11 × 1015 атоми, колко време е минало, като се има предвид, че полуживотът на плутоний-238 е 87,7 години?
Уравнението, което трябва да решим, е
2,11 \ по 10 ^ {15} = (6,02 \ по 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
и трябва да го решим заT.
Разделяне на двете страни на 6,02 × 1023, получаваме:
3.50 \ по 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
След това можем да вземем дневника на двете страни и да използваме правилото на експонентите във функциите на дневника, за да получим:
-19,47 = (t / 87,7) дневник (1/2)
Можем да решим това алгебрично, за да получим t = 2463,43 години.
