Nuklide karakterizira njihov atomski broj (broj protona) i atomski maseni broj (ukupan broj protona i neutrona). Broj protona diktira o kojem je elementu riječ, a ukupan broj protona i neutrona određuje izotop.
Radioizotopi (radioaktivni izotopi) su atomi koji imaju nestabilnu jezgru i skloni su nuklearnom raspadanju. Oni su u visokoenergetskom stanju i žele skočiti u nižeenergijsko oslobađanje te energije, bilo u obliku svjetlosti ili drugih čestica. Vrijeme poluraspada radioizotopa ili vrijeme potrebno za raspadanje polovine atoma radioizotopa vrlo je korisna mjera koju treba znati.
Radioaktivni elementi obično se nalaze u posljednjem redu periodnog sustava i u zadnjem redu rijetkih zemaljskih elemenata.
Radioaktivni raspad
Radioaktivni izotopi imaju nestabilne jezgre, gdje energija vezanja koja drži protone i neutrone čvrsto spojenim nije dovoljno jaka da bi se mogla trajno zadržati. Zamislite loptu kako sjedi na vrhu brda; lagan dodir dodirnut će ga kotrljanjem, kao da je u stanju niže energije. Nestabilne jezgre mogu postati stabilnije oslobađajući dio svoje energije, bilo u obliku svjetlosti ili drugih čestica poput protona, neutrona i elektrona. To se oslobađanje energije naziva radioaktivnim raspadom.
Proces raspadanja može imati različite oblike, ali osnovne vrste radioaktivnog raspada su:alfaraspad (emisija alfa čestice / jezgre helija),betaraspad (emisija beta čestice ili hvatanje elektrona) igamaraspad (emisija gama zraka ili gama zračenja). Alfa i beta raspad transformiraju radioizotop u drugi nuklid, koji se često naziva kćernim nuklidom. Sva tri procesa raspada stvaraju ionizirajuće zračenje, vrstu visokoenergetskog zračenja koje može oštetiti živo tkivo.
U alfa raspadu, koji se naziva i alfa emisijom, radioizotop emitira dva protona i dva neutrona kao jezgru helij-4 (poznatu i kao alfa čestica). To uzrokuje da se maseni broj radioizotopa smanji za četiri, a njegov atomski broj za dva.
Beta raspad, koji se naziva i beta emisija, emisija je elektrona iz radioizotopa dok se jedan od njegovih neutrona pretvara u proton. To ne mijenja maseni broj nuklida, ali povećava njegov atomski broj za jedan. Postoji i vrsta beta raspada koja je gotovo obrnuta od prve: nuklid emitira pozitron (pozitivno nabijeni antimaterijski partner elektrona), a jedan od njegovih protona pretvara se u neutron. To smanjuje nukleidni atomski broj za jedan. I pozitron i elektron smatrat će se beta česticama.
Posebna vrsta beta raspada naziva se beta raspad koji zahvaća elektrone: Jedan od najnutarnjih elektrona nuklida zarobljen je protona u jezgri, pretvarajući proton u neutron i emitirajući ultra sitnu, super brzu česticu zvanu elektron neutrino.
Radioaktivnost se obično mjeri u jednoj od dvije jedinice: bekerelu (bq) i curieju. Bekereli su standardne (SI) jedinice radioaktivnosti i predstavljaju brzinu od jednog propadanja u sekundi. Kuriji se temelje na broju raspada jednog grama radija-226 u sekundi, a nazvani su po proslavljenoj znanstvenici o radioaktivnosti Marie Curie. Njezino otkriće radioaktivnosti radija dovelo je do prve upotrebe medicinskih x-zraka.
Što je poluživot?
Vrijeme poluraspada radioaktivnog izotopa je prosječno vrijeme potrebno približno polovici atoma u uzorku radioizotopa da propadne. Različiti radioizotopi propadaju različitim brzinama i mogu imati divlje različite poluvijekove; ti poluvijekovi mogu biti kratki i nekoliko mikrosekundi, kao u slučaju polonija-214, i nekoliko milijardi godina, poput urana-238.
Važan je koncept da će dati radioizotopstalnopropadanje istom brzinom. Njegov je poluživot svojstvena karakteristika.
Možda se čini čudnim karakterizirati element prema tome koliko vremena treba polovici da propadne; nema smisla govoriti o poluživotu pojedinog atoma, na primjer. No, ova je mjera korisna jer nije moguće točno odrediti koja će se jezgra raspadati i kada - proces se vremenom može razumjeti samo statistički, u prosjeku.
U slučaju jedne atomske jezgre, uobičajena definicija poluživota može se preokrenuti: vjerojatnost da ta jezgra propadne za manje vremena od poluživota iznosi oko 50%.
Jednadžba radioaktivnog raspada
Postoje tri ekvivalentne jednadžbe koje daju broj preostalih jezgri u vremenut. Prvo daje:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Gdjet1/2je poluživot izotopa. Drugi uključuje varijabluτ, koji se naziva srednjim životnim vijekom ili karakterističnim vremenom:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Treći koristi varijabluλ, poznata kao konstanta raspada:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Varijablet1/2, τiλsvi su povezani sljedećom jednadžbom:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Bez obzira koju varijablu ili verziju jednadžbe koristite, funkcija je negativni eksponencijal, što znači da nikada neće doseći nulu. Za svako poluvrijeme koje prođe, broj se jezgara prepolovi, postaje sve manji i manji, ali nikad sasvim nestaje - barem se to matematički događa. U praksi se, naravno, uzorak sastoji od konačnog broja radioaktivnih atoma; nakon što se uzorak spusti na jedan atom, taj će atom na kraju propasti, ne ostavljajući za sobom atome izvornog izotopa.
Radioaktivno datiranje
Znanstvenici mogu koristiti stope radioaktivnog propadanja kako bi utvrdili starost starih predmeta ili artefakata.
Na primjer, ugljik-14 se neprestano dopunjava u živim organizmima. Sva živa bića imaju jednak omjer ugljika-12 i ugljika-14. Taj se omjer mijenja nakon što organizam umre, jer ugljik-14 propada, dok ugljik-12 ostaje stabilan. Poznavanjem stope raspadanja ugljika-14 (poluživot je 5.730 godina) i mjerenjem koliko ugljika-14 u uzorku ima transmutirani u druge elemente u odnosu na količinu ugljika-12, tada je moguće odrediti starost fosila i slično predmeta.
Radioizotopi s duljim vremenom poluraspada mogu se koristiti za datiranje starijih objekata, iako mora postojati način da se utvrdi koliko je tog radioizotopa izvorno bilo u uzorku. Ugljično datiranje može datirati samo objekte stare manje od 50 000 godina, jer nakon devet poluvrijeme, obično ostaje premalo ugljika-14 da bi se poduzele točne mjere.
Primjeri
Ako je poluživot seaborgium-266 30 sekundi, a započinjemo sa 6,02 × 1023 atoma, možemo pronaći koliko ostane nakon pet minuta pomoću jednadžbe radioaktivnog raspada.
Da bismo koristili jednadžbu radioaktivnog raspada, priključujemo 6,02 × 1023 atomi zaN0, 300 sekundi zati 30 sekundi zat1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Što ako bismo imali samo početni broj atoma, konačni broj atoma i vrijeme poluraspada? (To je ono što znanstvenici imaju kada koriste radioaktivni raspad da bi pronašli drevne fosile i artefakte.) Ako je uzorak plutonija-238 započeo sa 6,02 × 1023 atoma i sada ima 2,11 × 1015 atomi, koliko je vremena prošlo s obzirom na to da je poluživot plutonija-238 87,7 godina?
Jednadžba koju moramo riješiti je
2,11 \ puta 10 ^ {15} = (6,02 \ puta 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
i to moramo riješitit.
Dijeljenje obje strane sa 6,02 × 1023, dobivamo:
3,50 \ puta 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
Tada možemo uzeti zapisnik obje strane i upotrijebiti pravilo eksponenata u funkcijama dnevnika kako bismo dobili:
-19,47 = (t / 87,7) log (1/2)
To možemo algebarski riješiti da bismo dobili t = 2463,43 godine.