핵종은 원자 번호 (양성자 수)와 원자 질량 번호 (양성자와 중성자의 총 수)로 특징 지어집니다. 양성자의 수는 그것이 어떤 원소인지를 나타내며 양성자와 중성자의 총 수는 동위 원소를 결정합니다.
방사성 동위 원소 (방사성 동위 원소)는 불안정한 핵을 가지고 있으며 핵 붕괴를 일으키기 쉬운 원자입니다. 그들은 고 에너지 상태에 있고 빛이나 다른 입자의 형태로 그 에너지를 방출함으로써 저에너지 상태로 점프하기를 원합니다. 방사성 동위 원소의 반감기 또는 방사성 동위 원소 원자의 절반이 붕괴하는 데 걸리는 시간은 알아두면 매우 유용한 척도입니다.
방사성 원소는 주기율표의 마지막 줄과 희토류 원소의 마지막 줄에있는 경향이 있습니다.
방사성 붕괴
방사성 동위 원소는 불안정한 핵을 가지고 있는데, 여기서 양성자와 중성자를 단단히 묶어 두는 결합 에너지는 영구적으로 유지할만큼 충분히 강하지 않습니다. 언덕 꼭대기에 공이 앉아 있다고 상상해보십시오. 가벼운 터치는 마치 낮은 에너지 상태에있는 것처럼 굴러 내려갑니다. 불안정한 핵은 빛이나 양성자, 중성자 및 전자와 같은 다른 입자의 형태로 에너지의 일부를 방출함으로써 더 안정해질 수 있습니다. 이 에너지 방출을 방사성 붕괴라고합니다.
붕괴 과정은 여러 형태를 취할 수 있지만 방사성 붕괴의 기본 유형은 다음과 같습니다.알파붕괴 (알파 입자 / 헬륨 핵의 방출),베타붕괴 (베타 입자 방출 또는 전자 포획) 및감마붕괴 (감마선 또는 감마선 방출). 알파 및 베타 붕괴는 방사성 동위 원소를 종종 딸 핵 종이라고하는 다른 핵종으로 변환합니다. 세 가지 붕괴 과정은 모두 살아있는 조직에 손상을 줄 수있는 고 에너지 방사선의 일종 인 이온화 방사선을 생성합니다.
알파 방출이라고도하는 알파 붕괴에서 방사성 동위 원소는 헬륨 -4 핵 (알파 입자라고도 함)으로 두 개의 양성자와 두 개의 중성자를 방출합니다. 이로 인해 방사성 동위 원소의 질량 수는 4 개, 원자 번호는 2 개 감소합니다.
베타 방출이라고도 불리는 베타 붕괴는 중성자 중 하나가 양성자로 변할 때 방사성 동위 원소에서 전자가 방출되는 것입니다. 이것은 핵종의 질량 수를 변경하지 않지만 원자 번호를 하나씩 증가시킵니다. 또한 첫 번째와 거의 반대 인 일종의 베타 붕괴가 있습니다. 핵종은 양전자를 방출합니다. (양전하를 띤 전자의 반물질 파트너) 양성자 중 하나가 중성자로 변합니다. 이것은 핵종의 원자 번호를 하나씩 낮 춥니 다. 양전자와 전자는 모두 베타 입자로 간주됩니다.
특수한 종류의 베타 붕괴를 전자 포획 베타 붕괴라고합니다. 핵종의 가장 안쪽 전자 중 하나는 핵 속의 양성자, 양성자를 중성자로 바꾸고 전자라고하는 초소형 초고속 입자를 방출합니다. 중성 미자.
방사능은 일반적으로 베크렐 (bq)과 퀴리의 두 단위 중 하나로 측정됩니다. 베크렐은 방사능의 표준 (SI) 단위이며 초당 1 회 붕괴 속도를 나타냅니다. 큐리는 1 그램의 라듐 -226의 초당 붕괴 수를 기반으로하며 유명한 방사능 과학자 인 마리 큐리의 이름을 따서 명명되었습니다. 라듐의 방사능을 발견 한 그녀는 의료용 X- 레이를 처음으로 사용하게되었습니다.
반감기는 무엇입니까?
방사성 동위 원소의 반감기는 방사성 동위 원소 샘플에서 원자의 약 절반이 붕괴하는 데 걸리는 평균 시간입니다. 서로 다른 방사성 동위 원소는 서로 다른 속도로 붕괴하고 매우 다른 반감기를 가질 수 있습니다. 이러한 반감기는 폴로늄 -214의 경우와 같이 수 마이크로 초 정도로 짧을 수 있으며 우라늄 -238과 같이 수십억 년까지 길 수 있습니다.
중요한 개념은 주어진 방사성 동위 원소가항상같은 속도로 부패합니다. 반감기는 고유 한 특성입니다.
요소의 절반이 부패하는 데 걸리는 시간으로 요소를 특성화하는 것은 이상하게 보일 수 있습니다. 예를 들어 단일 원자의 반감기에 대해 이야기하는 것은 말이되지 않습니다. 그러나이 측정은 어떤 핵이 언제 붕괴 될지 정확히 결정할 수 없기 때문에 유용합니다. 프로세스는 시간이 지남에 따라 평균적으로 통계적으로 만 이해할 수 있습니다.
하나의 원자핵의 경우 반감기의 일반적인 정의를 뒤집을 수 있습니다. 반감기보다 짧은 시간에 핵이 붕괴 할 확률은 약 50 %입니다.
방사성 붕괴 방정식
시간에 남아있는 핵의 수를 나타내는 세 가지 등가 방정식이 있습니다.티. 첫 번째는 다음과 같습니다.
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
어디티1/2동위 원소의 반감기입니다. 두 번째는 변수를 포함합니다.τ, 이는 평균 수명 또는 특성 시간이라고합니다.
N (t) = N_0e ^ {-t / τ}
세 번째는 변수를 사용합니다.λ, 붕괴 상수로 알려진 :
N (t) = N_0e ^ {-λt}
변수티1/2, τ과λ모두 다음 방정식으로 관련됩니다.
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
사용하는 방정식의 변수 또는 버전에 관계없이 함수는 음의 지수이므로 0에 도달하지 않습니다. 통과하는 각 반감기에 대해 핵의 수는 절반으로 줄어들어 점점 작아 지지만 결코 사라지지는 않습니다. 적어도 수학적으로는 이런 일이 발생합니다. 물론 실제로 샘플은 한정된 수의 방사성 원자로 구성됩니다. 샘플이 단일 원자로 내려 가면 그 원자는 결국 붕괴되어 원래의 동위 원소 원자가 남지 않습니다.
방사성 연대 측정
과학자들은 방사능 붕괴율을 사용하여 오래된 물체 나 인공물의 나이를 결정할 수 있습니다.
예를 들어, 탄소 -14는 살아있는 유기체에서 지속적으로 보충됩니다. 모든 생물은 탄소 -12와 탄소 -14의 비율이 동일합니다. 이 비율은 유기체가 죽으면 탄소 -14가 붕괴하는 반면 탄소 -12는 안정적으로 유지되기 때문에 변합니다. 탄소 -14의 붕괴율 (반감기가 5,730 년임)을 알고 샘플에있는 탄소 -14의 붕괴율을 측정하여 탄소 -12의 양과 관련하여 다른 원소로 변환되면 화석의 나이를 결정할 수 있습니다. 사물.
더 긴 반감기를 가진 방사성 동위 원소는 오래된 물체의 연대 측정에 사용될 수 있지만, 원래 샘플에 얼마나 많은 방사성 동위 원소가 있었는지 알 수있는 방법이 있어야합니다. 탄소 연대 측정은 50,000 년 미만의 물체 만 연대 측정 할 수 있습니다. 9 개의 반감기가 지나면 일반적으로 정확한 측정을하기에는 탄소 -14가 너무 적기 때문입니다.
예
seaborgium-266의 반감기가 30 초이고 6.02 × 10으로 시작하면23 원자, 우리는 방사능 붕괴 방정식을 사용하여 5 분 후 얼마나 남았는지 알 수 있습니다.
방사성 붕괴 방정식을 사용하기 위해 6.02 × 10을 연결합니다.23 원자엔0, 300 초티30 초 동안티1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
처음 원자 수, 최종 원자 수, 반감기 만 있으면 어떨까요? (이것이 과학자들이 방사성 붕괴를 사용하여 고대 화석과 유물을 연대 측정 한 결과입니다.) 플루토늄 -238 샘플이 6.02 × 10으로 시작된 경우23 원자, 그리고 이제 2.11 × 1015 원자, 플루토늄 -238의 반감기가 87.7 년이라는 점을 감안할 때 얼마나 많은 시간이 지났습니까?
우리가 풀어야하는 방정식은
2.11 \ times 10 ^ {15} = (6.02 \ times 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
그리고 우리는 그것을 해결해야합니다티.
양면을 6.02 × 10으로 나누기23, 우리는 다음을 얻습니다.
3.50 \ times 10 ^ {-9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
그런 다음 양쪽의 로그를 취하고 로그 함수의 지수 규칙을 사용하여 다음을 얻을 수 있습니다.
-19.47 = (t / 87.7) 로그 (1/2)
이것을 대수적으로 풀면 t = 2463.43 년을 얻을 수 있습니다.