A nuklidokat atomszámuk (protonok száma) és atomtömegszámuk (protonok és neutronok teljes száma) jellemzi. A protonok száma meghatározza, hogy milyen elemről van szó, a protonok és a neutronok teljes száma meghatározza az izotópot.
A radioizotópok (radioaktív izotópok) instabil maggal rendelkező atomok, amelyek hajlamosak a mag bomlására. Nagy energiájú állapotban vannak, és alacsonyabb energiájú állapotba akarnak ugrani azáltal, hogy felszabadítják ezt az energiát, akár fény, akár más részecskék formájában. A radioizotóp felezési ideje, vagy az az időtartam, amely alatt a radioizotóp atomjainak egyik fele elbomlik, nagyon hasznos mérőszám.
A radioaktív elemek általában a periódusos rendszer utolsó sorában vannak, és a ritkaföldfémek utolsó sorában.
Radioaktív bomlás
A radioaktív izotópok instabil magokkal rendelkeznek, ahol a kötő energia, amely a protonokat és a neutronokat szorosan összekapcsolja, nem elég erős ahhoz, hogy tartósan megtartsa őket. Képzeljen el egy labdát, amely a domb csúcsán ül; enyhe érintéssel lejjebb gördül, mintha alacsonyabb energiájú állapotba kerülne. Az instabil magok stabilabbá válhatnak, ha energiájuk egy részét felszabadítják, akár fény, akár más részecskék, például protonok, neutronok és elektronok formájában. Ezt az energia felszabadulást radioaktív bomlásnak nevezzük.
A bomlási folyamat számos formát ölthet, de a radioaktív bomlás alapvető típusai a következők:alfabomlás (alfa-részecske / héliummag kibocsátása),bétabomlás (béta részecske vagy elektron befogás kibocsátása) ésgammabomlás (gammasugarak vagy gammasugárzás kibocsátása). Az alfa- és béta-bomlás átalakítja a radioizotópot egy másik nuklidba, amelyet gyakran leánynuklidnak neveznek. Mindhárom bomlási folyamat ionizáló sugárzást hoz létre, egy olyan nagy energiájú sugárzást, amely káros lehet az élő szövetekre.
Az alfa-bomlásban, amelyet alfa-emissziónak is neveznek, a radioizotóp két protont és két neutront bocsát ki hélium-4 magként (alfa részecskének is nevezik). Ez azt eredményezi, hogy a radioizotóp tömegszáma négyszer, az atomszáma pedig kettővel csökken.
A béta-bomlás, más néven béta-emisszió, egy radio-izotóp elektronkibocsátása, amikor az egyik neutronja protonná alakul. Ez nem változtatja meg a nuklid tömegszámát, de eggyel növeli annak atomszámát. Van egyfajta béta-bomlás is, amely szinte inverz az elsőre: a nuklid pozitront bocsát ki (az elektron pozitív töltésű antianyag-partnere), és egyik protonja neutronrá változik. Ez eggyel csökkenti a nuklid atomszámát. A pozitron és az elektron is béta részecskéknek tekinthető.
A béta-bomlás speciális fajtáját elektron-befogó béta-bomlásnak hívják: A nuklid legbelső elektronjait egy proton a magban, a protont neutronná változtatva ultrapicit, szupergyors részecskét bocsát ki, amelyet elektronnak hívnak neutrino.
A radioaktivitást általában két egység egyikében mérik: a becquerel (bq) és a curie. A Becquerels a radioaktivitás standard (SI) egysége, és másodpercenként egy bomlási sebességet képvisel. A cury-k egy gramm rádium-226 másodpercenkénti bomlásainak számán alapulnak, és az ünnepelt radioaktivitás-tudós, Marie Curie nevét viselik. A rádium radioaktivitásának felfedezése az orvosi röntgen első használatához vezetett.
Mi a felezési idő?
A radioaktív izotóp felezési ideje az az átlagos időtartam, amely alatt a radioizotóp mintában lévő atomok körülbelül fele lebomlik. A különböző radioizotópok különböző sebességgel bomlanak le, és felezési ideje rendkívül eltérő lehet; ezek a felezési idők rövidek lehetnek, mint néhány mikroszekundum, például a polónium-214 esetében, és akár néhány milliárd év is, például az urán-238.
A fontos koncepció az, hogy egy adott radioizotóp fogmindigugyanolyan ütemben bomlik. Felezési ideje velejárója.
Furcsának tűnhet egy elemet úgy jellemezni, hogy mennyi idő alatt lebomlik; nincs értelme például egyetlen atom felezési idejéről beszélni. De ez az intézkedés azért hasznos, mert nem lehet pontosan meghatározni, hogy melyik mag mikor és mikor bomlik el - a folyamat csak statisztikailag, átlagosan, idővel érthető meg.
Egy atommag esetében megfordítható a felezési idő közös meghatározása: annak a valószínűsége, hogy a mag felezési idejénél rövidebb idő alatt elbomlik, körülbelül 50%.
Radioaktív bomlási egyenlet
Három egyenértékű egyenlet adja meg az időben megmaradt magok számátt. Az elsőt a következők adják:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Holt1/2az izotóp felezési ideje. A második egy változót foglal magábanτ, amelyet átlagos élettartamnak vagy jellemző időnek nevezünk:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
A harmadik változót használλbomlási állandó néven ismert:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
A változókt1/2, τésλa következő egyenlettel kapcsolódnak:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Függetlenül attól, hogy melyik változót vagy az egyenlet verzióját használja, a függvény negatív exponenciális, vagyis soha nem éri el a nullát. Minden eltelt felezési idő esetén a magok száma felére csökken, egyre kisebbé válik, de soha nem tűnik el teljesen - legalábbis ez történik matematikailag. A gyakorlatban természetesen egy minta véges számú radioaktív atomból áll; amint a minta egyetlen atomra süllyed, ez az atom végül lebomlik, és nem hagy maga után az eredeti izotóp atomjait.
Radioaktív randevú
A tudósok radioaktív bomlási sebességgel meghatározhatják a régi tárgyak vagy műtárgyak korát.
Például a szén-14 folyamatosan újratöltődik az élő organizmusokban. Minden élőlénynek azonos a szén-12 és a szén-14 aránya. Ez az arány megváltozik, ha a szervezet meghal, mert a szén-14 lebomlik, míg a szén-12 stabil marad. A szén-14 bomlási arányának ismeretében (felezési ideje 5730 év), és megmérve, hogy a mintában lévő szén-14 mekkora része van átalakítva más elemekké a szén-12 mennyiségéhez viszonyítva, akkor meghatározható a kövületek és hasonló korok tárgyakat.
A hosszabb felezési idejű radioizotópok felhasználhatók a régebbi tárgyak dátumozására, bár valamilyen módon meg kell tudni állapítani, hogy e radioizotóp mennyi volt eredetileg a mintában. A széndátummal csak 50 000 évnél fiatalabb tárgyakat lehet randevúzni, mert kilenc felezési idő után általában túl kevés marad a 14-es szén-dioxidból a pontos méréshez.
Példák
Ha a seaborgium-266 felezési ideje 30 másodperc, és 6,02 × 10-el kezdjük23 atomok esetén a radioaktív bomlási egyenlet segítségével megtudhatjuk, mennyi van hátra öt perc után.
A radioaktív bomlási egyenlet használatához 6,02 × 10-et csatlakoztatunk23 atomok számáraN0, 300 másodperctés 30 másodpercigt1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Mi lenne, ha csak az atomok kezdő száma, a végső atomszám és a felezési idő lenne? (Ez az, ami a tudósoknak van, amikor radioaktív bomlást használnak az ősi kövületek és műtárgyak datálásához.) Ha a plutónium-238 mintája 6,02 × 10-vel kezdődött23 atomok, és most 2,11 × 1015 atomok, mennyi idő telt el, tekintettel arra, hogy a plutónium-238 felezési ideje 87,7 év?
Az az egyenlet, amelyet meg kell oldanunk, az
2,11-szer 10 ^ {15} = (6,02-szer 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
és meg kell oldanunk azértt.
Mindkét oldal elosztása 6,02 × 10-gyel23, kapunk:
3,50 \ szor 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
Ezután felvehetjük mindkét oldal naplóját, és a kitevők szabályát használhatjuk a naplófüggvényekben a
-19,47 = (t / 87,7) log (1/2)
Ezt algebrailag megoldhatjuk a t = 2463,43 év megszerzésére.