როგორ გამოვთვალოთ რადიოაქტიურობა

ქიმიისა და ფიზიკის ერთი შეხედვით უსაზღვრო რაოდენობის მსგავსად, ფართო საზოგადოებამ სიტყვა ”რადიოაქტიური” ისე აირჩია, რომ სხვა რამეს ნიშნავს, რასაც ფიზიკური მეცნიერები გულისხმობენ. ყოველდღიურ ინგლისურ ენაზე რაიმეს რადიოაქტიურად აღსაწერად ნიშნავს, რომ მასთან მიახლოება ცუდი იდეაა, რადგან რაც არ უნდა გესაუბროთ, შეუქცევადად დააზარალა დაბინძურებული ძალა.

Რეალობაში, რადიოაქტივობა შეიძლება მართლაც საშიში იყოს ცოცხალი არსებისთვის გარკვეული ფორმებით და, ალბათ, არ შეიძლება დაეხმაროს ამდენს ხალხი ამ ტერმინს რეფლექსურად უკავშირებს ატომური ბომბების არასასურველ სურათებს და "გაჟონულ" ბირთვულ ენერგიას მცენარეები. ეს ტერმინი მოიცავს უამრავ ფიზიკურ მოვლენას, რომელთაგან მრავალი ტანჯვა ნელა ვითარდება, მაგრამ ასევე მნიშვნელოვანია მეცნიერებისთვის მრავალი თვალსაზრისით.

რადიოაქტივობას, რომელიც არ არის "რამ", არამედ მასთან დაკავშირებული პროცესების ჯგუფი, ეხება ცვლილებები ატომების ბირთვებში, რაც იწვევს ნაწილაკების ემისიას. (ამას შეადარეთ ჩვეულებრივი ქიმიური რეაქციები, რომელშიც ატომების ელექტრონები ურთიერთქმედებენ, მაგრამ ატომური ბირთვები უცვლელი რჩება.) რადგან პროცესები ხდება სხვადასხვა ატომები მოცემულ ნიმუშში სხვადასხვა დროს სხვადასხვა დროს, გამოთვლები, რომლებიც მოიცავს რადიოაქტიურობას, ფოკუსირდება ამ ნიმუშებზე და არა ინდივიდუალური ქცევაზე. ატომები.

რადიოაქტივობა არის ტერმინი, რომელიც აღნიშნავს ა რადიონუკლიდი. როგორც ნახავთ, ეს "დაშლა" ბიოლოგიურ მატერიასთან დაკავშირებული არ არის, იმ გაგებით, რომ იგი ემორჩილება მკაცრ მათემატიკურ წესებს, მაგრამ ის მაინც აღწერს დროთა განმავლობაში ნივთიერების მასის შემცირება, სხვა ნივთიერების ან ნივთიერებების შედეგად დაგროვებით (კონსერვაციის კანონის შესაბამისად მასა).

რადიოაქტიური ნიმუშის აქტივობა წარმოიქმნება დაძაბულობას შორის ძლიერ ბირთვულ ძალას, ბუნების ყველაზე ძლიერ ძალასა და "წებოს" შორის, რომელიც აკავშირებს პროტონები და ნეიტრონები ბირთვში და ელექტროსტატიკური ძალა, მეორე უძლიერესი ძალა და ერთი, რომელიც მიდრეკილია პროტონების ატომურ ბირთვებში ჩაგდებისკენ გარდა. ეს უწყვეტი "ბრძოლა" იწვევს ზოგჯერ ბირთვების სპონტანურად რეფორმაციას და მათგან დისკრეტული ნაწილაკების გამოყოფას.

"გამოსხივება" - ამ ნაწილაკების სახელია, რომლებიც რადიოაქტივობის შედეგია. რადიაციის (ან დაშლის) სამი ყველაზე გავრცელებული ტიპია ალფა (α), ბეტა (β) და გამა (γ) გამოსხივება, რომელიც დეტალურად არის აღწერილი ქვემოთ.

• ალფა გამოსხივება შედგება ორი პროტონისა და ორი ნეიტრონისგან, რაც ჰელიუმის (ის) ატომის ბირთვს უდრის, ანუ ჰელიუმს ორი ელექტრონის გარეშე. ამ ნაწილაკის დიდი მასის კომბინაციის გამო (დაახლოებით 7000-ჯერ მეტი ბეტაზე) ნაწილაკი, ქვემოთ) და +2 ელექტრული მუხტი, ეს ნაწილაკები ძალიან შორს არ მოძრაობენ ბირთვებისგან, რომლებიც ასხივებენ მათ. ისინი მკაცრად ურთიერთქმედებენ მატერიის უმეტესობასთან და შეუძლიათ სერიოზული ბიოლოგიური ზიანის მიყენება, თუ შეყავთ (გადაყლაპავთ).
  
• ბეტა გამოსხივება არის უარყოფითად დამუხტული ელექტრონის გამოყოფა სუბატომიურ ნაწილაკთან ერთად ელექტრონული ანტინეიტრინო. იგი ასევე შეიძლება ეხებოდეს პოზიტრონის ემისიას, რომელსაც აქვს ელექტრონის მასა (დაახლოებით 9,9 × 10^–31 კგ) მაგრამ დადებითი მუხტი. რაც უფრო მცირე ზომისაა, ეს ნაწილაკები უფრო გამჭოლია, ვიდრე ალფა გამოსხივება, მაგრამ ასევე გადაყლაპვისას ზიანს აყენებს ჯანმრთელობას.
  
• გამა გამოსხივება არის ელექტრომაგნიტური ენერგიის გამოყოფა ბირთვიდან და არა ნაწილაკებით, თუნდაც უმნიშვნელო მასით. ეს გამონაბოლქვები მსგავსია რენტგენის სხივებისა, გარდა იმისა, რომ ეს უკანასკნელი ბირთვებში არ იღებს სათავეს. ეს გამოსხივება სასარგებლოა სამედიცინო გამოყენებებში იმავე მიზეზით, რაც შეიძლება ძალზე საშიში იყოს: იგი ღრმად აღწევს ბიოლოგიურ (და ზოგჯერ ბევრად უფრო მკვრივ) ნივთიერებებში.

რადიოაქტიური დაშლის კანონი, რომელსაც ოფიციალურად შემოგთავაზებთ მალე, უკავშირდება დაშლილი ბირთვების რაოდენობას ორ სხვადასხვა დროის წერტილში იმ პარამეტრთან, რომელსაც ეწოდება დაშლის მუდმივი λ (ბერძნული ასო lambda). ეს მუდმივი გამომდინარეობს ნახევარი ცხოვრება კონკრეტული რადიონუკლიდის.

• იფიქრეთ რადიონუკლიდზე, როგორც იზოტოპის მსგავსი, გარდა იმისა, რომ იგი ხაზს უსვამს სპეციფიკურ პროტონის და ნეიტრონის რიცხვს, მაგალითად, ნახშირბადი -14 არის ნახშირბადის ბირთვი, რომელსაც აქვს ექვსი პროტონი და რვა ნეიტრონი. ნეიტრონის რიცხვი უმნიშვნელოა ქიმიური რეაქციების დროს, მაგრამ მნიშვნელოვანია რადიოაქტიურობისთვის. სწორედ ამიტომ, იზოტოპები შეიძლება დაჯგუფდნენ ერთი და იგივე ელემენტთან პერიოდულ სისტემაში, რადგან ეს ხაზს უსვამს ქიმიურ ქცევას ფიზიკურ ქცევაზე.

ნივთიერების ნახევარგამოყოფის პერიოდი არის დრო, რაც საჭიროა t = 0 დროს არსებული ნივთიერების ოდენობის ნახევარზე გაჭრა. კრიტიკულად, ეს თვისება დამოუკიდებელია აბსოლუტური თანხებისგან ნებისმიერ წერტილში. ეს დრო განსაზღვრულია ტ_1/2 და განსხვავდება ატომურ სახეობებს შორის.

ნიმუშის აქტივობა არის დაშლის რაოდენობა ერთეულის დროში, რაც განაკვეთს ქმნის. იფიქრეთ დაშლის საერთო რაოდენობასა და აქტივობას შორის სხვაობაზე, როგორც სხვაობა პოზიციასა და სიჩქარეს შორის, ან ენერგიასა და ძალას შორის: ეს უკანასკნელი იყოფა დროის ერთზე (ჩვეულებრივ წამში, SI დროის ერთეულად მეცნიერებები).

რადიოაქტივობის ძირითადი ფორმულა, რომლითაც უნდა გაეცნოთ, ჩამოყალიბდა როგორც კანონი, რაც იმას ნიშნავს, რომ არსად და არავითარ პირობებში არ არის მიჩნეული, რომ ეს არის დარღვეული. მას აქვს ფორმა:

აქ ნ₀ არის t = 0 დროს არსებული ბირთვების რაოდენობა, და N არის დარჩენილი t დრო. E არის მუდმივი, რომელიც ცნობილია როგორც ბუნებრივი ლოგარითმის ფუძე და მისი ღირებულება დაახლოებით 2.71828. Λ, როგორც აღვნიშნეთ, გახრწნის მუდმივია, რომელიც წარმოადგენს წილადი (არა რიცხვი) ბირთვები, რომლებიც იშლება დროის ერთეულზე.

რადიოაქტივობის ფორმულიდან გაითვალისწინეთ, რომ ნიმუშის ზომა განახევრდება ან შემცირდება (1/2) N დრო₀, წარმოდგენილია N განტოლებით (1/2)₀ = ნ₀ე^–Λt. ეს განტოლება ადვილად ამცირებს (1/2) = e^–Λt. თითოეული მხარის ბუნებრივი ლოგარითმის (ln კალკულატორზე) მიღება და t– ის ჩანაცვლება კონკრეტული მნიშვნელობით t_1/2, გარდაქმნის ამ გამონათქვამს ln (1/2) = –λt_1/2, ან - (ln 2) = –λt_1/2. ლამბდას გადაჭრა იძლევა:

λ = ln 2 / ტ_1/2 = 6 0.693 / ტ_1/2

• ~, ან ტილდა, წარმოადგენს "დაახლოებით" მათემატიკას, როდესაც რიცხვის წინა მხარეს ემატება.

ეს ნიშნავს, რომ თუ იცით, რომ სიჩქარის მუდმივა გახრწნის პროცესისთვის შეგიძლიათ განსაზღვროთ ნახევარგამოყოფის პერიოდი და პირიქით. გაანგარიშების ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ტიპი მოიცავს იმის გარკვევას, რამდენი დრო გავიდა მას შემდეგ, რაც ნიმუში "დასრულდა", ფრაქციის N / N საფუძველზე₀ ბირთვების დარჩენილი. მოგვიანებით სტატიაში მოცემულია ასეთი გამოთვლის მაგალითი, ისევე როგორც რადიოაქტიური დაშლის კალკულატორი.

ბევრ სტუდენტს მიაჩნია, რომ რადიოაქტიური დაშლის დეფინიცია ნახევარგამოყოფის ცხოვრების კონცეფციით გარკვეულწილად იმედგაცრუებულია ან თავიდან მაინც უცხოა. თუ თქვენ ის ადამიანი ხართ, ვინც თქვენს სახლში ხილის წვენს ყიდულობს და შეამჩნევთ, რომ ქილაების რაოდენობა 48-დან 24-მდე შემცირდა გასულ კვირას, მაშინ თქვენ შეგიძლიათ განსაზღვროთ ოფიციალური მათემატიკის გაკეთების გარეშე, რომ მოგიწევთ მეტი ხილის წვენის აღება ზუსტად აქ კვირა რეალურ სამყაროში "დაშლის" პროცესები ხაზოვანია; ისინი ფიქსირებული სიჩქარით ხდება, არ აქვს მნიშვნელობა რამდენი ნივთიერება არსებობს.

• გარკვეული პრეპარატები ემორჩილებიან ორგანიზმში მეტაბოლიზმის ნახევარგამოყოფის პერიოდს. სხვები, მაგალითად, ეთანოლი, ქრება ფიქსირებული სიჩქარით, მაგალითად, საათში დაახლოებით ერთი ალკოჰოლური სასმელი.

ის ფაქტი, რომ რადიონუკლიდების დაშლის ზოგიერთი პროცესი ხდება ასეთ დროს ნელი სიჩქარეშესაბამისად უზარმაზარი ნახევარგამოყოფის პერიოდის განმავლობაში, გარკვეული სახის რადიოიზოტოპური დათარიღების მეთოდებს ფასდაუდებელს ხდის სხვადასხვა მეცნიერებაში, მათ შორის არქეოლოგიასა და ისტორიაში. რამდენ ხანს გრძელდება ამ ნახევარგამოყოფის პერიოდი?

რადიოაქტივობის ფორმულა არაფერს ამბობს ინდივიდუალურ ატომებზე. თუ თქვენ გაჰყურებდით ერთ ატომურ ბირთვს ცნობილი ნახევარგამოყოფის პერიოდით, თუნდაც საკმაოდ მოკლედ (ვთქვათ 60 წუთი), თქვენ უნდა გამოიცნოთ იცოდეთ დაიშლება თუ დაიშლება ეს რადიონუკლიდი შემდეგი 15, 30 ან 60 წლის განმავლობაში წუთები თუ თქვენ გაქვთ დიდი ნიმუში, შეგიძლიათ გამოიყენოთ სტატისტიკური პრინციპები იმის დასადგენად, თუ რა ფრაქცია გარდაიქმნება მოცემულ ვადებში; თქვენ უბრალოდ ვერ შეძლებთ წინასწარ გაარჩიოთ რომელი.

• SI– ს საქმიანობის ერთეული ცნობილია როგორც ბეკერელი, ან Bq, რომელიც წარმოადგენს წამში ერთ დაშლას. არასტანდარტული ერთეული, რომელსაც curie (Ci) ეწოდება, უდრის 3.7 × 10-ს¹⁰ BQ

გაითვალისწინეთ, რომ დაშლის მუდმივისგან განსხვავებით, აქტივობა დროთა განმავლობაში იცვლება. ამას უნდა ელოდოთ რადიოაქტიური გახრწნის ქვეშ მყოფი ნივთიერების გრაფიკიდან; რადგან ბირთვების რაოდენობა N– დან ეცემა₀ რომ (N₀/ 2) (N₀/ 4) (N₀/ 8) და ა.შ. თანმიმდევრული ნახევარგამოყოფის პერიოდის განმავლობაში, მრუდი გრაფიკი ბრტყელდება; თითქოს ნივთიერება სიამოვნებით ქრება, მაგრამ მას სურს კიდევ აყოვნდეს და კიდევ გაითავისოს, ისე რომ არასდროს გააღწიოს კარი. ასე რომ მოხდეს, დროთა განმავლობაში ბირთვების შეცვლის სიჩქარე (ტოლი გამოთქმების ტოლია –dN / dt) უნდა შემცირდეს (ანუ გრაფიკის დახრა დროთა განმავლობაში ნაკლებად ხდება უარყოფითი).

ბევრი სერიოზული ადამიანი ხშირად იყენებს ამ ტერმინს ნახშირბადის დათარიღება არასწორად ეს პრაქტიკა გულისხმობს ზოგად პროცესს, რომელსაც რადიოიზოტოპის (ან რადიონუკლიდის) დათარიღების სახელით იცნობენ. როდესაც რაღაც კვდება, ნახშირბადი -14 იწყებს დაშლას, მაგრამ მისი ბევრად უფრო სტაბილური ნახშირბად -12 ნუკლიდები არ იკლებს. დროთა განმავლობაში, ეს ნახშირბადოვ-14-ის ნახშირბად-12-ის თანაფარდობა თანდათანობით ეცემა 1: 1-დან.

ნახშირბადის -14 ნახევარგამოყოფის პერიოდი დაახლოებით 5,730 წელია. ეს დიდი ხანია ქიმიის კურსთან შედარებით, მაგრამ უბრალო თვალის დახუჭვა გეოლოგიურ დროთან შედარებით, რადგან დედამიწა 4,4 – დან 4,5 მილიარდ წლამდეა. მაგრამ ეს შეიძლება სასარგებლო იყოს ანტიკურ არტეფაქტების ასაკის დასადგენად ადამიანის მასშტაბით.

მაგალითი: ნახშირბადოვ -14 და ნახშირბად -12 შეფარდება ძველი წიგნის გარეკანზე კარგად შემონახულ ოფლის ლაქაში არის 0,88. რამდენი წლისაა წიგნი?

გაითვალისწინეთ, რომ თქვენ არ გჭირდებათ იცოდეთ N– ის ზუსტი მნიშვნელობები₀ ან N; მათი თანაფარდობა საკმარისია. თქვენ ასევე უნდა გამოთვალოთ დაშლის მუდმივა λ ნახშირბადის 14 ნახევარგამოყოფის პერიოდიდან: λ = 0,693 / 5,730 = 1,21 × 10^–4 იშლება / წ. (ეს ნიშნავს, რომ 1 წამში პერიოდში ნებისმიერი ბირთვის დაშლის ალბათობა დაახლოებით 1 10000-ია).

რადიოაქტიური დაშლის კანონის განტოლება ამ პრობლემისთვის იძლევა:

(0.88) ნ₀ = ნ₀ე^{- λt}

0,88 = ე^–Λt

ln 0,88 = –λt

–1.2783 = –(1.21 × 10^–4) ტ

t = 10,564 წელი.

ეს მნიშვნელობა არაზუსტია და მრგვალდება 10,560 ან თუნდაც 10,600 წლამდე, რაც დამოკიდებულია ტესტების რაოდენობაზე და სხვა ფაქტორებზე.

ბევრად უფრო ძველი ეგზემპლარებისათვის, როგორიცაა ნამარხი, უნდა იქნას გამოყენებული სხვა რადიონუკლიდები, რომელთა ნახევარგამოყოფის პერიოდი უფრო გრძელია. მაგალითად, კალიუმ -40-ს ნახევარგამოყოფის პერიოდი შეადგენს დაახლოებით 1,27 მილიარდს (1 × 10)⁹) წლები.

რესურსებში ნახავთ ინსტრუმენტს, რომლის საშუალებითაც შეგიძლიათ ასობით სხვადასხვა ბირთვი ითამაშოთ ნახევარგამოყოფის დიდი დიაპაზონით და განსაზღვროთ დარჩენილი დარჩენილი ნაწილი საწყისი თარიღი, ან გამოიყენეთ დარჩენილი თანხა ნიმუშის გარეგნობის დასადგენად (ან თუნდაც სავარაუდო თარიღი, როდესაც ბიოლოგიურ აქტივობას ეხება ნიმუში) შეჩერდა).