Τα νουκλεΐδια χαρακτηρίζονται από τον ατομικό αριθμό τους (αριθμός πρωτονίων) και τον αριθμό ατομικής μάζας (συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων). Ο αριθμός των πρωτονίων υπαγορεύει ποιο στοιχείο είναι και ο συνολικός αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων καθορίζει το ισότοπο.
Τα ραδιοϊσότοπα (ραδιενεργά ισότοπα) είναι άτομα που έχουν ασταθή πυρήνα και είναι επιρρεπή σε πυρηνική διάσπαση. Βρίσκονται σε κατάσταση υψηλής ενέργειας και θέλουν να μεταβούν σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας απελευθερώνοντας αυτήν την ενέργεια, είτε με τη μορφή φωτός είτε με άλλα σωματίδια. Ο χρόνος ημιζωής ενός ραδιοϊσότοπου, ή ο χρόνος που χρειάζεται το μισό από τα άτομα του ραδιοϊσότοπου για να αποσυντεθεί, είναι ένα πολύ χρήσιμο μέτρο που πρέπει να γνωρίζετε.
Τα ραδιενεργά στοιχεία τείνουν να βρίσκονται στην τελευταία σειρά του περιοδικού πίνακα και στην τελευταία σειρά των στοιχείων σπάνιων γαιών.
Ραδιενεργός αποσύνθεση
Τα ραδιενεργά ισότοπα έχουν ασταθείς πυρήνες, όπου η ενέργεια δέσμευσης που διατηρεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια κλειστά μεταξύ τους δεν είναι αρκετά ισχυρή ώστε να συγκρατεί μόνιμα. Φανταστείτε μια μπάλα να κάθεται στην κορυφή ενός λόφου. ένα ελαφρύ άγγιγμα θα το στείλει προς τα κάτω, σαν σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας. Οι ασταθείς πυρήνες μπορούν να γίνουν πιο σταθεροί απελευθερώνοντας μέρος της ενέργειας τους, είτε με τη μορφή φωτός είτε με άλλα σωματίδια όπως πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Αυτή η απελευθέρωση ενέργειας ονομάζεται ραδιενεργή αποσύνθεση.
Η διαδικασία αποσύνθεσης μπορεί να έχει πολλές μορφές, αλλά οι βασικοί τύποι ραδιενεργών αποσύνθεσης είναι:άλφααποσύνθεση (εκπομπή πυρήνα άλφα σωματιδίου / ηλίου),βήτααποσύνθεση (εκπομπή σωματιδίων βήτα ή δέσμευσης ηλεκτρονίων) καιγάμμααποσύνθεση (εκπομπή ακτίνων γάμμα ή ακτινοβολία γάμμα). Η διάσπαση άλφα και βήτα μεταδίδει το ραδιοϊσότοπο σε άλλο νουκλίδιο, που συχνά ονομάζεται θυγατρικό νουκλίδιο. Και οι τρεις διαδικασίες αποσύνθεσης δημιουργούν ιοντίζουσα ακτινοβολία, έναν τύπο ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας που μπορεί να βλάψει τον ζωντανό ιστό.
Στη διάσπαση άλφα, που ονομάζεται επίσης εκπομπή άλφα, το ραδιοϊσότοπο εκπέμπει δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια ως πυρήνα ηλίου-4 (επίσης γνωστό ως σωματίδιο άλφα). Αυτό αναγκάζει τον αριθμό μάζας του ραδιοϊσότοπου να μειωθεί κατά τέσσερα και τον ατομικό αριθμό του να μειωθεί κατά δύο.
Η διάσπαση βήτα, που ονομάζεται επίσης εκπομπή βήτα, είναι η εκπομπή ενός ηλεκτρονίου από ένα ραδιοϊσότοπο καθώς ένα από τα νετρόνια του μετατρέπεται σε πρωτόνιο. Αυτό δεν αλλάζει τον αριθμό μάζας του νουκλεϊδίου, αλλά αυξάνει τον ατομικό του αριθμό κατά ένα. Υπάρχει επίσης ένα είδος διάσπασης βήτα που είναι σχεδόν αντίστροφο από το πρώτο: το νουκλίδιο εκπέμπει ποζιτρόνιο (ο θετικά φορτισμένος αντιύλος συνεργάτης ενός ηλεκτρονίου) και ένα από τα πρωτόνια του μετατρέπεται σε νετρόνιο. Αυτό μειώνει τον ατομικό αριθμό του νουκλεϊδίου κατά ένα. Τόσο το ποζιτρόνιο όσο και το ηλεκτρόνιο θα θεωρούνται βήτα σωματίδια.
Ένα ειδικό είδος διάσπασης beta ονομάζεται αποσύνθεση βήτα ηλεκτρονικής δέσμευσης: Ένα από τα εσωτερικά ηλεκτρόνια του νουκλεϊδίου συλλαμβάνεται από ένα πρωτόνιο στον πυρήνα, μετατρέποντας το πρωτόνιο σε νετρόνιο και εκπέμποντας ένα πολύ μικροσκοπικό, εξαιρετικά γρήγορο σωματίδιο που ονομάζεται ηλεκτρόνιο νετρίνο.
Η ραδιενέργεια μετράται συνήθως σε μία από τις δύο μονάδες: το becquerel (bq) και το curie. Τα Becquerels είναι οι τυπικές μονάδες ραδιενέργειας (SI) και αντιπροσωπεύουν ρυθμό μίας διάσπασης ανά δευτερόλεπτο. Οι τερηδόνες βασίζονται στον αριθμό των αποσυνθέσεων ανά δευτερόλεπτο ενός γραμμαρίου ραδίου-226, και πήραν το όνομά τους από τη διάσημη επιστήμονα ραδιενέργειας Marie Curie Η ανακάλυψη της ραδιενέργειας του ραδίου οδήγησε στην πρώτη χρήση ιατρικών ακτινογραφιών.
Τι είναι το Half-Life;
Ο χρόνος ημίσειας ζωής ενός ραδιενεργού ισότοπου είναι ο μέσος χρόνος που χρειάζεται περίπου το ήμισυ των ατόμων σε ένα δείγμα ραδιοϊσότοπου για αποσύνθεση. Διαφορετικά ραδιοϊσότοπα αποσυντίθενται σε διαφορετικούς ρυθμούς και μπορεί να έχουν άγρια διαφορετικές ημιζωές. Αυτές οι ημιζωές μπορεί να είναι τόσο μικρές όσο μερικά μικροδευτερόλεπτα, όπως στην περίπτωση του πολωνίου-214, και όσο μερικά δισεκατομμύρια χρόνια, όπως το ουράνιο-238.
Η σημαντική ιδέα είναι ότι ένα δεδομένο ραδιοϊσότοπο θα το κάνειπάντααποσύνθεση με τον ίδιο ρυθμό. Ο χρόνος ημιζωής του είναι εγγενές χαρακτηριστικό.
Μπορεί να φαίνεται περίεργο να χαρακτηρίζουμε ένα στοιχείο από πόσο καιρό χρειάζεται για να αποσυντεθεί το μισό. δεν έχει νόημα να μιλάμε για τον χρόνο ημιζωής ενός ατόμου, για παράδειγμα. Αλλά αυτό το μέτρο είναι χρήσιμο επειδή δεν είναι δυνατόν να προσδιοριστεί ακριβώς ποιος πυρήνας θα αποσυντεθεί και πότε - η διαδικασία μπορεί να γίνει κατανοητή μόνο στατιστικά, κατά μέσο όρο, με την πάροδο του χρόνου.
Στην περίπτωση ενός ατομικού πυρήνα, ο κοινός ορισμός της ημιζωής μπορεί να αντιστραφεί: η πιθανότητα αυτού του πυρήνα να αποσυντεθεί σε λιγότερο χρόνο από τον χρόνο ημιζωής του είναι περίπου 50%.
Ραδιενεργός εξίσωση αποσύνθεσης
Υπάρχουν τρεις ισοδύναμες εξισώσεις που δίνουν τον αριθμό των πυρήνων που απομένουν στο χρόνοτ. Το πρώτο δίνεται από:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Οπουτ1/2είναι ο χρόνος ημίσειας ζωής του ισότοπου. Το δεύτερο περιλαμβάνει μια μεταβλητήτ, που ονομάζεται μέση διάρκεια ζωής ή ο χαρακτηριστικός χρόνος:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Το τρίτο χρησιμοποιεί μια μεταβλητήλ, γνωστή ως σταθερά αποσύνθεσης:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Οι μεταβλητέςτ1/2, τκαιλσχετίζονται όλα με την ακόλουθη εξίσωση:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Ανεξάρτητα από ποια μεταβλητή ή έκδοση της εξίσωσης χρησιμοποιείτε, η συνάρτηση είναι αρνητική εκθετική, που σημαίνει ότι δεν θα φτάσει ποτέ στο μηδέν. Για κάθε χρόνο ημιζωής που περνά, ο αριθμός των πυρήνων μειώνεται στο μισό, γίνεται μικρότερος και μικρότερος αλλά ποτέ δεν εξαφανίζεται - τουλάχιστον, αυτό συμβαίνει μαθηματικά. Στην πράξη, φυσικά, ένα δείγμα αποτελείται από έναν πεπερασμένο αριθμό ραδιενεργών ατόμων. Μόλις το δείγμα πέσει σε ένα μόνο άτομο, αυτό το άτομο τελικά θα αποσυντεθεί, χωρίς να αφήσει άτομα του αρχικού ισότοπου πίσω.
Ραδιενεργό ραντεβού
Οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν ραδιενεργούς ρυθμούς αποσύνθεσης για να καθορίσουν τις ηλικίες των παλαιών αντικειμένων ή των αντικειμένων.
Για παράδειγμα, ο άνθρακας-14 ανανεώνεται συνεχώς σε ζωντανούς οργανισμούς. Όλα τα έμβια όντα έχουν την ίδια αναλογία άνθρακα-12 προς άνθρακα-14. Αυτός ο λόγος αλλάζει όταν ο οργανισμός πεθάνει επειδή ο άνθρακας-14 αποσυντίθεται ενώ ο άνθρακας-12 παραμένει σταθερός Γνωρίζοντας τον ρυθμό αποσύνθεσης του άνθρακα-14 (έχει χρόνο ημιζωής 5,730 ετών) και μετρά πόση ποσότητα του άνθρακα-14 στο δείγμα έχει μετατρέπεται σε άλλα στοιχεία σε σχέση με την ποσότητα του άνθρακα-12, τότε είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η ηλικία των απολιθωμάτων και παρόμοια αντικείμενα.
Τα ραδιοϊσότοπα με μεγαλύτερο χρόνο ημιζωής μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την χρονολόγηση παλαιότερων αντικειμένων, αν και πρέπει να υπάρχει κάποιος τρόπος για να καταλάβουμε πόσο αρχικά ήταν αυτό το ραδιοϊσότοπο στο δείγμα. Η χρονολόγηση άνθρακα μπορεί να χρονολογεί αντικείμενα ηλικίας κάτω των 50.000 ετών μόνο επειδή μετά από εννέα ημιζωές, συνήθως απομένει πολύ λίγο από τον άνθρακα-14 για να ληφθεί ακριβές μέτρο.
Παραδείγματα
Εάν ο χρόνος ημιζωής του seaborgium-266 είναι 30 δευτερόλεπτα και ξεκινάμε με 6,02 × 1023 άτομα, μπορούμε να βρούμε πόσα απομένουν μετά από πέντε λεπτά χρησιμοποιώντας την εξίσωση ραδιενεργού αποσύνθεσης.
Για να χρησιμοποιήσετε την εξίσωση ραδιενεργού αποσύνθεσης, συνδέουμε 6,02 × 1023 άτομα γιαΝ0, 300 δευτερόλεπτα γιατκαι 30 δευτερόλεπτα γιατ1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Τι γίνεται αν είχαμε μόνο τον αρχικό αριθμό ατόμων, τον τελικό αριθμό ατόμων και τον χρόνο ημιζωής; (Αυτό έχουν οι επιστήμονες όταν χρησιμοποιούν ραδιενεργή διάσπαση μέχρι σήμερα αρχαία απολιθώματα και αντικείμενα.) Εάν ένα δείγμα πλουτωνίου-238 ξεκίνησε με 6,02 × 1023 άτομα και τώρα έχει 2,11 × 1015 άτομα, πόσος χρόνος έχει περάσει δεδομένου ότι ο χρόνος ημιζωής του πλουτωνίου-238 είναι 87,7 χρόνια;
Η εξίσωση που πρέπει να λύσουμε είναι
2,11 \ φορές 10 ^ {15} = (6,02 \ φορές 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
και πρέπει να το λύσουμετ.
Διαίρεση και των δύο πλευρών με 6,02 × 1023, παίρνουμε:
3,50 \ φορές 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
Στη συνέχεια μπορούμε να πάρουμε το αρχείο καταγραφής και των δύο πλευρών και να χρησιμοποιήσουμε τον κανόνα των εκθετών στις λειτουργίες καταγραφής για να λάβουμε:
-19,47 = (t / 87,7) ημερολόγιο (1/2)
Μπορούμε να το λύσουμε αλγεβρικά για να αποκτήσουμε t = 2463,43 χρόνια.