Nuklidy jsou charakterizovány svým atomovým číslem (počet protonů) a počtem atomových hmot (celkový počet protonů a neutronů). Počet protonů určuje, o jaký prvek jde, a celkový počet protonů a neutronů určuje izotop.
Radioizotopy (radioaktivní izotopy) jsou atomy, které mají nestabilní jádro a jsou náchylné k jadernému rozpadu. Jsou ve vysokoenergetickém stavu a chtějí skočit do nízkoenergetického stavu uvolněním této energie, ať už ve formě světla nebo jiných částic. Poločas radioizotopu, neboli doba, za kterou se rozpadne polovina atomů radioizotopu, je velmi užitečné znát.
Radioaktivní prvky bývají na poslední řadě periodické tabulky a na poslední řadě prvků vzácných zemin.
Radioaktivní rozpad
Radioaktivní izotopy mají nestabilní jádra, kde vazebná energie udržující protony a neutrony pevně spojené dohromady není dost silná na to, aby trvale držela. Představte si kouli sedící na vrcholu kopce; lehký dotek ji pošle dolů, jako by do stavu nižší energie. Nestabilní jádra se mohou stát stabilnějšími uvolněním části jejich energie, a to buď ve formě světla nebo jiných částic, jako jsou protony, neutrony a elektrony. Toto uvolňování energie se nazývá radioaktivní rozpad.
Proces rozpadu může mít mnoho forem, ale základní typy radioaktivního rozpadu jsou:alfarozpad (emise částice alfa / jádra helia),betarozpad (emise beta částice nebo elektronový záchyt) agamarozpad (emise gama záření nebo gama záření). Alfa a beta rozpad transmutují radioizotop na jiný nuklid, často nazývaný dceřiným nuklidem. Všechny tři procesy rozpadu vytvářejí ionizující záření, druh vysokoenergetického záření, které může být škodlivé pro živou tkáň.
Při rozpadu alfa, nazývaném také emise alfa, radioizotop emituje dva protony a dva neutrony jako jádro helia-4 (také známé jako alfa částice). To způsobí, že hmotnostní číslo radioizotopu klesne o čtyři a jeho atomové číslo klesne o dvě.
Beta rozpad, nazývaný také beta emise, je emise elektronu z radioizotopu, když se jeden z jeho neutronů změní na proton. To nemění hmotnostní číslo nuklidu, ale zvyšuje jeho atomové číslo o jednu. Existuje také druh rozpadu beta, který je téměř inverzní k prvnímu: nuklid emituje pozitron (pozitivně nabitý antihmotový partner elektronu) a jeden z jeho protonů se změní na neutron. Tím se sníží atomové číslo nuklidu o jednu. Pozitron i elektron by byly považovány za beta částice.
Zvláštní druh rozpadu beta se nazývá rozpad beta elektronového záchytu: Jeden z nejvnitřnějších elektronů nuklidu je zachycen proton v jádře, přeměňující proton na neutron a emitující ultratenkou, superrychlou částici zvanou elektron neutrino.
Radioaktivita se obvykle měří v jedné ze dvou jednotek: becquerel (bq) a curie. Becquerely jsou standardní (SI) jednotky radioaktivity a představují rychlost jednoho rozpadu za sekundu. Curie jsou založeny na počtu rozpadů za sekundu jednoho gramu radia 226 a jsou pojmenovány po slavné vědkyni o radioaktivitě Marii Curie. Její objev radioaktivity rádia vedl k prvnímu použití lékařských rentgenů.
Co je Half-Life?
Poločas radioaktivního izotopu je průměrné množství času, které trvá přibližně jedné polovině atomů ve vzorku radioizotopu k rozpadu. Různé radioizotopy se rozpadají různou rychlostí a mohou mít divoce odlišné poločasy; tyto poločasy mohou být tak krátké jako několik mikrosekund, jako je tomu v případě polonia-214, a tak dlouho, jak několik miliard let, jako je uran-238.
Důležitým konceptem je, že daný radioizotop budevždyrozpadat se stejnou rychlostí. Jeho poločas je inherentní charakteristikou.
Může se to zdát divné charakterizovat prvek podle toho, jak dlouho trvá jeho rozpadnutí poloviny; nemá smysl mluvit například o poločasu rozpadu jediného atomu. Ale toto opatření je užitečné, protože není možné přesně určit, které jádro se rozpadne a kdy - procesu lze rozumět pouze statisticky, v průměru v průběhu času.
V případě jednoho atomového jádra lze převrátit běžnou definici poločasu: pravděpodobnost rozpadu tohoto jádra za kratší dobu než jeho poločas je asi 50%.
Rovnice radioaktivního rozpadu
Existují tři ekvivalentní rovnice, které udávají počet jader zbývajících v časet. První je dán:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Kdet1/2je poločas izotopu. Druhý zahrnuje proměnnouτ, která se nazývá střední doba života nebo charakteristická doba:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Třetí používá proměnnouλ, známá jako rozpadová konstanta:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Proměnnét1/2, τaλvšechny souvisí s následující rovnicí:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Bez ohledu na to, jakou proměnnou nebo verzi rovnice použijete, je funkce záporným exponenciálem, což znamená, že nikdy nedosáhne nuly. U každého poločasu, který projde, se počet jader sníží na polovinu, bude stále menší a menší, ale nikdy zcela nezmizí - alespoň k tomu dochází matematicky. V praxi je samozřejmě vzorek tvořen konečným počtem radioaktivních atomů; jakmile vzorek klesne na jediný atom, tento atom se nakonec rozpadne a nezanechá po sobě žádné atomy původního izotopu.
Radioaktivní seznamka
Vědci mohou k určení stáří starých předmětů nebo artefaktů použít rychlosti radioaktivního rozpadu.
Například uhlík-14 je neustále doplňován v živých organismech. Všechno živé má stejný poměr uhlíku-12 k uhlíku-14. Tento poměr se změní, jakmile organismus zemře, protože uhlík-14 se rozpadá, zatímco uhlík-12 zůstává stabilní. Znát rychlost rozpadu uhlíku-14 (má poločas rozpadu 5 730 let) a měřit, kolik uhlíku-14 ve vzorku má přeměněné na jiné prvky vzhledem k množství uhlíku-12, pak je možné určit stáří fosilií a podobně předměty.
Radioizotopy s delšími poločasy lze použít k datování starších objektů, i když musí existovat nějaký způsob, jak zjistit, kolik tohoto radioizotopu bylo původně ve vzorku. Uhlíkové datování může datovat pouze objekty staré méně než 50 000 let, protože po devíti poločasech rozpadu uhlíku 14 zbývá příliš málo na to, aby bylo možné provést přesné měření.
Příklady
Pokud je poločas rozpadu seaborgium-266 30 sekund, začneme 6,02 × 1023 atomů, můžeme zjistit, kolik zbylo po pěti minutách pomocí rovnice radioaktivního rozpadu.
Abychom mohli použít rovnici radioaktivního rozpadu, připojíme 6,02 × 1023 atomy proN0, 300 sekund po dobuta 30 sekund pot1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Co kdybychom měli pouze počáteční počet atomů, konečný počet atomů a poločas rozpadu? (To je to, co mají vědci, když používají radioaktivní rozpad k datování starověkých fosilií a artefaktů.) Pokud vzorek plutonia 238 začínal 6,02 × 1023 atomy a nyní má 2,11 × 1015 atomy, kolik času uplynulo vzhledem k tomu, že poločas rozpadu plutonia 238 je 87,7 roku?
Rovnice, kterou musíme vyřešit, je
2,11 \ krát 10 ^ {15} = (6,02 \ krát 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
a musíme to vyřešitt.
Dělení obou stran o 6,02 × 1023, dostaneme:
3,50 \ krát 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
Poté můžeme vzít protokol obou stran a použít pravidlo exponentů ve funkcích protokolu k získání:
-19,47 = (t / 87,7) log (1/2)
Můžeme to vyřešit algebraicky, abychom získali t = 2463,43 let.