Nukliide iseloomustavad nende aatomnumber (prootonite arv) ja aatomimassi arv (prootonite ja neutronite koguarv). Prootonite arv määrab, mis element see on, prootonite ja neutronite koguarv määrab isotoobi.
Radioisotoopid (radioaktiivsed isotoopid) on aatomid, millel on ebastabiilne tuum ja mis on altid tuuma lagunemisele. Nad on suure energiaga olekus ja soovivad hüpata madalama energiaga olekusse, vabastades selle energia kas valguse või muude osakeste kujul. Radioisotoobi poolväärtusaeg ehk aeg, mis kulub ühel pool radioisotoobi aatomite lagunemiseks, on selle tundmine väga kasulik meede.
Radioaktiivsed elemendid asuvad perioodilisustabeli viimasel real ja haruldaste muldmetallide elementide viimasel real.
Radioaktiivne lagunemine
Radioaktiivsetel isotoopidel on ebastabiilsed tuumad, kus prootoneid ja neutroneid tihedalt fikseeriv sidumisenergia ei ole piisavalt tugev, et püsivalt kinni hoida. Kujutage ette palli istumist mäe tipus; kerge puudutus saadab selle alla veerema, justkui madalama energiaga olekusse. Ebastabiilsed tuumad võivad muutuda stabiilsemaks, vabastades osa oma energiast kas valguse või muude osakeste nagu prootonid, neutronid ja elektronid kujul. Seda energia eraldumist nimetatakse radioaktiivseks lagunemiseks.
Lagunemisprotsess võib olla mitmel kujul, kuid radioaktiivse lagunemise põhiliigid on:alfalagunemine (alfaosakese / heeliumi tuuma eraldumine),beetalagunemine (beetaosakeste või elektronide püüdmine) jagammalagunemine (gammakiirte või gammakiirguse kiirgus). Alfa- ja beetalagunemine muudavad radioisotoopi teiseks nukliidiks, mida sageli nimetatakse tütrenukliidiks. Kõik kolm lagunemisprotsessi loovad ioniseeriva kiirguse, mis on kõrge energiaga kiirgus, mis võib kahjustada elusat koe.
Alfa lagunemisel, mida nimetatakse ka alfaemissiooniks, kiirgab radioisotoop heelium-4 tuumana (tuntud ka kui alfaosake) kaks prootonit ja kaks neutronit. See põhjustab radioisotoobi massinumbri languse nelja ja aatomnumbri kahandamise.
Beeta lagunemine, mida nimetatakse ka beetaemissiooniks, on radioisotoopi elektronemissioon, kui üks selle neutronitest muutub prootoniks. See ei muuda nukliidi massinumbrit, küll aga suurendab selle aatomnumbrit ühe võrra. Samuti on olemas mingi beeta lagunemine, mis on peaaegu esimese pöördvõrdeline: nukliid kiirgab positroni (elektroni positiivselt laetud antiaine partner) ja üks selle prootonitest muutub neutroniks. See vähendab nukliidi aatomnumbrit ühe võrra. Nii positronit kui ka elektroni peetaks beetaosakesteks.
Spetsiaalset beeta-lagunemist nimetatakse elektronide hõivamise beeta-lagunemiseks: üks nukliidi sisemistest elektronidest on prooton tuumas, muutes prootoni neutroniks ja eraldades ülipisikese ülikiire osakese, mida nimetatakse elektroniks neutriino.
Radioaktiivsust mõõdetakse tavaliselt ühes kahest ühikust: bekerell (bq) ja curie. Becquerels on standardne (SI) radioaktiivsuse ühik ja selle kiirus on üks lagunemine sekundis. Kurjused põhinevad ühe grammi raadium-226 lagunemiste arvul sekundis ja need on nimetatud tuntud radioaktiivsusteadlase Marie Curie järgi. Tema avastatud raadiumi radioaktiivsus viis esmakordselt meditsiinilise röntgenikiirguseni.
Mis on poolestusaeg?
Radioaktiivse isotoobi poolväärtusaeg on keskmine aeg, mis kulub umbes poolel radioisotoobi proovis olevast aatomist lagunemiseks. Erinevad radioisotoopid lagunevad erineva kiirusega ja nende poolestusaeg võib olla pööraselt erinev; need poolväärtusajad võivad olla nii lühikesed kui paar mikrosekundit, näiteks poloonium-214 puhul, ja kuni paar miljardit aastat, näiteks uraan-238.
Oluline kontseptsioon on see, et antud radioisotoop seda teebalatilaguneda sama kiirusega. Selle poolestusaeg on omane omadus.
Võib tunduda kummaline iseloomustada elementi selle järgi, kui kaua selle lagunemine võtab aega; pole mõtet rääkida näiteks ühe aatomi poolväärtusajast. Kuid see meede on kasulik, sest pole võimalik täpselt kindlaks määrata, milline tuum laguneb ja millal - protsessi saab statistiliselt mõista ainult aja jooksul keskmiselt.
Ühe aatomituuma korral saab poolväärtusaja üldise määratluse ümber pöörata: selle tuuma lagunemise tõenäosus vähem kui poolväärtusaeg on umbes 50%.
Radioaktiivse lagunemise võrrand
On kolm samaväärset võrrandit, mis annavad hetkel järelejäänud tuumade arvut. Esimese annab:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Kust1/2on isotoobi poolväärtusaeg. Teine hõlmab muutujatτ, mida nimetatakse keskmiseks elueaks või iseloomulikuks ajaks:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Kolmas kasutab muutujatλ, tuntud kui lagunemiskonstant:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Muutujadt1/2, τjaλon kõik seotud järgmise võrrandiga:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Sõltumata sellest, millist muutujat või võrrandi versiooni te kasutate, on funktsioon negatiivne eksponentsiaal, mis tähendab, et see ei jõua kunagi nulli. Iga möödunud poolväärtusaja kohta väheneb tuumade arv poole võrra, see muutub järjest väiksemaks, kuid ei kao kunagi päris ära - matemaatiliselt juhtub vähemalt nii. Praktikas koosneb loomulikult proov lõplikust hulgast radioaktiivsetest aatomitest; kui proov on jõudnud ühe aatomini, siis see aatom lõpuks laguneb, jättmata maha algse isotoobi aatomeid.
Radioaktiivsed kohtingud
Teadlased saavad vanade esemete või esemete vanuse määramiseks kasutada radioaktiivset lagunemiskiirust.
Näiteks süsinik-14 on elusorganismides pidevalt täiendatud. Kõigil elusolenditel on süsinik-12 ja süsinik-14 sama suhe. See suhe muutub pärast organismi surma, kuna süsinik-14 laguneb, samal ajal kui süsinik-12 jääb stabiilseks. Teades süsinik-14 lagunemiskiirust (selle poolväärtusaeg on 5730 aastat) ja mõõtes, kui palju proovis sisalduvast süsinik-14-st on muundatud muudeks elementideks süsinik-12 koguse suhtes, siis on võimalik määrata fossiilide jms vanused objektid.
Pikemate poolväärtusaegadega radioisotoope saab kasutada vanemate objektide dateerimiseks, kuigi peab olema mingi viis öelda, kui palju seda radioisotoopi algselt proovis oli. Süsinikkuupäevaga saab dateerida ainult vähem kui 50 000 aasta vanuseid esemeid, sest pärast üheksa poolväärtusaega on süsinik-14 täpseks mõõtmiseks tavaliselt liiga vähe järele jäänud.
Näited
Kui seaborgium-266 poolestusaeg on 30 sekundit ja alustame väärtusega 6,02 × 1023 aatomid, leiame, kui palju on viie minuti pärast järele jäänud, kasutades radioaktiivse lagunemise võrrandit.
Radioaktiivse lagunemise võrrandi kasutamiseks ühendame pistiku 6,02 × 1023 aatomidN0, 300 sekundittja 30 sekunditt1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Mis oleks, kui meil oleks ainult aatomite algarv, lõplik aatomite arv ja poolestusaeg? (See on teadlastel, kui nad kasutavad iidsete fossiilide ja esemete dateerimiseks radioaktiivset lagunemist.) Kui plutoonium-238 proov algas 6,02 × 1023 aatomid ja sellel on nüüd 2,11 × 1015 aatomid, kui palju aega on möödas, arvestades, et plutoonium-238 poolväärtusaeg on 87,7 aastat?
Võrrand, mille peame lahendama, on
2.11 \ korda 10 ^ {15} = (6.02 \ korda 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
ja me peame selle lahendamat.
Mõlemate külgede jagamine 6,02 × 10-ga23, saame:
3,50 \ korda 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
Seejärel saame võtta mõlema poole logi ja kasutada logifunktsioonides eksponentide reeglit, et saada:
-19,47 = (t / 87,7) log (1/2)
Me saame selle lahendada algebraliselt, et saada t = 2463,43 aastat.