הגרעינים מאופיינים במספר האטומי שלהם (מספר הפרוטונים) ומספר המסה האטומי (המספר הכולל של פרוטונים ונייטרונים). מספר הפרוטונים מכתיב באיזה יסוד מדובר, ומספר הפרוטונים והנייטרונים הכולל קובע את האיזוטופ.
רדיואיזוטופים (איזוטופים רדיואקטיביים) הם אטומים שיש להם גרעין לא יציב והם נוטים להתפוררות גרעינית. הם נמצאים במצב של אנרגיה גבוהה ורוצים לקפוץ למצב בעל אנרגיה נמוכה יותר על ידי שחרור אנרגיה זו, בצורה של אור או חלקיקים אחרים. מחצית החיים של רדיואיזוטופ, או משך הזמן שלוקח למחצית האטומים של רדיואיזוטופ להתפורר, הם מדד שימושי מאוד לדעת.
יסודות רדיואקטיביים נוטים להיות בשורה האחרונה בטבלה המחזורית, ובשורה האחרונה של יסודות האדמה הנדירה.
דעיכה רדיואקטיבית
באיזוטופים רדיואקטיביים יש גרעינים לא יציבים, כאשר אנרגיית הקישור השומרת על הפרוטונים והנייטרונים נעולים היטב יחד אינה חזקה דיה להחזיק לצמיתות. תאר לעצמך כדור יושב בשיא הגבעה; מגע קל ישלח אותו להתגלגל מטה, כאילו למצב של אנרגיה נמוכה יותר. גרעינים לא יציבים יכולים להיות יציבים יותר על ידי שחרור חלק מהאנרגיה שלהם, בצורה של אור או חלקיקים אחרים כמו פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. שחרור אנרגיה זה נקרא ריקבון רדיואקטיבי.
תהליך הריקבון יכול ללבוש צורות רבות, אך הסוגים הבסיסיים של ריקבון רדיואקטיבי הם:אלפאריקבון (פליטת גרעין אלפא / הליום),בטאריקבון (פליטת חלקיק בטא או לכידת אלקטרונים)גמאריקבון (פליטת קרני גמא או קרינת גמא). ריקבון אלפא ובטא משדרים את הרדיואיזוטופ לגרעין אחר, המכונה לעתים קרובות גרעין בת. כל שלושת תהליכי הריקבון יוצרים קרינה מייננת, סוג של קרינה באנרגיה גבוהה העלולה להזיק לרקמה החיה.
בהתפרקות אלפא, המכונה גם פליטת אלפא, הרדיואיזוטופ פולט שני פרוטונים ושני נויטרונים כגרעין הליום -4 (הידוע גם כחלקיק אלפא). זה גורם למספר המסה של הרדיואיזוטופ לרדת בארבע ולמספר האטומי שלו לרדת בשניים.
ריקבון בטא, הנקרא גם פליטת בטא, הוא פליטת אלקטרונים מרדיואיזוטופ כשאחד הנויטרונים שלו הופך לפרוטון. זה לא משנה את מספר המסה של הגרעין, אלא מגדיל את המספר האטומי שלו באחד. יש גם סוג של ריקבון בטא שהוא כמעט הפוך מהראשון: הגרעין פולט פוזיטרון (השותף האנטי-מטען החיובי של אלקטרון), ואחד הפרוטונים שלו הופך לנויטרון. זה מוריד את מספר האטום של הגרעין באחד. הן הפוזיטרון והן האלקטרון ייחשבו לחלקיקי בטא.
סוג מיוחד של ריקבון בטא נקרא ריקבון בטא של לכידת אלקטרונים: אחד האלקטרונים הפנימיים ביותר של הגרעין נלכד על ידי פרוטון בגרעין, הופך את הפרוטון לנויטרון ופולט חלקיק זעיר במיוחד ומהיר הנקרא אלקטרון נייטרינו.
רדיואקטיביות נמדדת בדרך כלל באחת משתי יחידות: הבקלור (bq) והקירי. Becquerels הם היחידות הסטנדרטיות (SI) של רדיואקטיביות, ומייצגות קצב של ריקבון אחד לשנייה. קורי מבוסס על מספר הדעיכות לשנייה של גרם אחד של רדיום -226, ונקרא על שם מדען הרדיואקטיביות המהולל מארי קירי. גילוי הרדיואקטיביות של רדיום הוביל לשימוש ראשון בצילומי רנטגן רפואיים.
מהו מחצית חיים?
זמן מחצית החיים של איזוטופ רדיואקטיבי הוא משך הזמן הממוצע שלוקח למחצית האטומים בדגימת רדיואיזוטופ להתפורר. רדיואיזוטופים שונים מתפוררים בקצב שונה ויכולים להיות בעלי מחצית חיים שונים זה מזה. מחצית חיים אלה יכולה להיות קצרה כמו כמה מיקרו-שניות, כמו במקרה של פולוניום -214, וכמה וכמה מיליארדי שנים, כמו אורניום -238.
הרעיון החשוב הוא שרדיואיזוטופ נתון יהיהתמידריקבון באותו קצב. מחצית החיים שלה היא מאפיין מובנה.
זה אולי נראה מוזר לאפיין אלמנט כמה זמן לוקח למחצית ממנו להתפורר; זה מעט הגיוני לדבר על מחצית חיים של אטום בודד, למשל. אך מדד זה שימושי מכיוון שלא ניתן לקבוע בדיוק איזה גרעין יתכלה ומתי - ניתן להבין את התהליך רק סטטיסטית, בממוצע, לאורך זמן.
במקרה של גרעין אטומי אחד, ניתן להפוך את ההגדרה המקובלת למחצית החיים: ההסתברות שאותו גרעין יתכלה בפחות זמן מחצי החיים שלו הוא כ- 50%.
משוואת ריקבון רדיואקטיבית
ישנן שלוש משוואות שוות ערך המספקות את מספר הגרעינים שנותרו בזמןt. הראשון ניתן על ידי:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
איפהt1/2הוא מחצית החיים של האיזוטופ. השנייה כוללת משתנהτ, הנקרא משך החיים הממוצע, או הזמן האופייני:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
השלישי משתמש במשתנהλ, המכונה קבוע ריקבון:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
המשתניםt1/2, τוλכולם קשורים במשוואה הבאה:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
לא משנה באיזה משתנה או גרסה של המשוואה אתה משתמש, הפונקציה היא אקספוננציאלית שלילית, כלומר לעולם לא תגיע לאפס. עבור כל מחצית חיים שעוברת, מספר הגרעינים מחצית, הופך קטן יותר ויותר אך אף פעם לא ממש נעלם - לפחות זה מה שקורה מתמטית. בפועל, כמובן, מדגם מורכב ממספר סופי של אטומים רדיואקטיביים; ברגע שהמדגם מגיע לאטום יחיד, אטום זה יתפורר בסופו של דבר ולא ישאיר אחריו אטומים של האיזוטופ המקורי.
היכרויות רדיואקטיביות
מדענים יכולים להשתמש בשיעורי ריקבון רדיואקטיביים כדי לקבוע את גילם של חפצים ישנים או חפצים.
לדוגמא, פחמן 14 מתחדש כל הזמן באורגניזמים חיים. לכל היצורים החיים אותו יחס של פחמן 12 לפחמן 14. יחס זה משתנה ברגע שהאורגניזם מת כיוון שפחמן 14 מתפורר ואילו פחמן 12 נשאר יציב. על ידי ידיעת קצב הדעיכה של פחמן 14 (יש לו מחצית חיים של 5,730 שנים), ומדידת כמות הפחמן 14 במדגם. מועבר לאלמנטים אחרים יחסית לכמות הפחמן -12, אז אפשר לקבוע את גילאי המאובנים ודומים להם חפצים.
ניתן להשתמש ברדיואיזוטופים עם מחצית חיים ארוכים יותר כדי לתארך עצמים ישנים יותר, אם כי חייבת להיות דרך כלשהי לדעת כמה מאותו רדיואיזוטופ היה במקור. תיארוך מפחמן יכול לתארך רק אובייקטים בני פחות מ -50,000 שנה מכיוון שלאחר תשע מחצית חיים, בדרך כלל נותר מעט מדי מפחמן 14 שנותר בכדי לנקוט במדויק.
דוגמאות
אם מחצית החיים של seaborgium-266 היא 30 שניות, ואנחנו מתחילים עם 6.02 × 1023 באטומים, אנו יכולים למצוא כמה נותר לאחר חמש דקות באמצעות משוואת הריקבון הרדיואקטיבית.
כדי להשתמש במשוואת הדעיכה הרדיואקטיבית, אנו מחברים 6.02 × 1023 אטומים עבורנ0, 300 שניות למשךtו- 30 שניות למשךt1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
מה אם היה לנו רק את מספר האטומים ההתחלתי, את מספר האטומים הסופי ואת מחצית החיים? (זה מה שיש למדענים כאשר הם משתמשים בריקבון רדיואקטיבי עד כה למאובנים וחפצים עתיקים.) אם דגימה של פלוטוניום -238 התחילה עם 6.02 × 1023 אטומים, ועכשיו יש 2.11 × 1015 אטומים, כמה זמן עבר בהתחשב בכך שמחצית החיים של פלוטוניום -238 היא 87.7 שנים?
המשוואה שעלינו לפתור היא
2.11 \ פעמים 10 ^ {15} = (6.02 \ פעמים 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
ואנחנו חייבים לפתור את זה בשבילt.
חלוקת שני הצדדים ב 6.02 × 1023, אנחנו מקבלים:
3.50 \ פעמים 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
לאחר מכן נוכל לקחת את היומן של שני הצדדים ולהשתמש בכלל המעריכים בפונקציות היומן כדי להשיג:
-19.47 = (t / 87.7) יומן (1/2)
אנו יכולים לפתור זאת באופן אלגברי כדי להשיג t = 2463.43 שנים.