Nuklidams būdingas jų atominis skaičius (protonų skaičius) ir atominės masės skaičius (bendras protonų ir neutronų skaičius). Protonų skaičius lemia, koks tai elementas, o bendras protonų ir neutronų skaičius lemia izotopą.
Radioizotopai (radioaktyvieji izotopai) yra atomai, turintys nestabilų branduolį ir linkę į branduolio irimą. Jie yra didelės energijos būsenoje ir nori pereiti į žemesnės energijos būseną, išlaisvindami tą energiją šviesos ar kitų dalelių pavidalu. Radioizotopo pusinės eliminacijos laikas arba laikas, per kurį sunyksta pusė radioizotopo atomų, yra labai naudinga priemonė žinoti.
Radioaktyvūs elementai dažniausiai būna paskutinėje periodinės lentelės eilutėje ir paskutinėje retųjų žemių elementų eilėje.
Radioaktyvusis skilimas
Radioaktyvieji izotopai turi nestabilius branduolius, kur jungimosi energija, palaikanti protonus ir neutronus, yra tvirtai užrakinta, nėra pakankamai stipri, kad galėtų nuolat laikytis. Įsivaizduokite, kad kamuolys sėdi kalvos viršūnėje; lengvas prisilietimas jį nuleis žemyn, tarsi į mažesnės energijos būseną. Nestabilūs branduoliai gali tapti stabilesni išlaisvindami dalį savo energijos šviesos arba kitų dalelių, tokių kaip protonai, neutronai ir elektronai, pavidalu. Šis energijos išsiskyrimas vadinamas radioaktyviu skilimu.
Skilimo procesas gali būti įvairių formų, tačiau pagrindiniai radioaktyviojo skilimo tipai yra šie:alfaskilimas (alfa dalelės / helio branduolio emisija),beta versijaskilimas (beta dalelės arba elektronų surinkimas) irgamaskilimas (gama spindulių ar gama spinduliuotės emisija). Alfa ir beta skilimas paverčia radioizotopą į kitą nuklidą, dažnai vadinamą dukteriniu. Visi trys skilimo procesai sukuria jonizuojančią spinduliuotę, kuri yra didelės energijos spinduliuotė, kuri gali pakenkti gyvam audiniui.
Alfa skilimo metu, dar vadinamame alfa spinduliavimu, radioizotopas išskiria du protonus ir du neutronus kaip helio-4 branduolį (dar vadinamą alfa dalele). Tai lemia radioizotopo masės skaičiaus sumažėjimą keturiomis, o atominį - dviem.
Beta skilimas, dar vadinamas beta emisija, yra elektrono emisija iš radioizotopo, kai vienas iš jo neutronų virsta protonu. Tai nekeičia nuklidų masės skaičiaus, tačiau padidina jo atominį skaičių vienu. Taip pat yra tam tikras beta skilimas, kuris yra beveik atvirkštinis pirmojo: nuklidas skleidžia pozitroną (teigiamai įkrautas antimaterijos partneris elektrone), o vienas iš jo protonų virsta neutronu. Tai sumažina nuklido atominį skaičių vienu. Tiek pozitronas, tiek elektronas būtų laikomi beta dalelėmis.
Speciali beta skilimo rūšis vadinama elektronų sugavimo beta skilimu: vieną iš vidinių nuklidų elektronų užfiksuoja protonas branduolyje, paversdamas protoną neutronu ir išskirdamas itin mažą, labai greitą dalelę, vadinamą elektronu neutrino.
Radioaktyvumas paprastai matuojamas vienu iš dviejų vienetų: bekereliu (bq) ir kuriu. Becquerels yra standartiniai (SI) radioaktyvumo vienetai ir reiškia vieno skilimo per sekundę greitį. Kuri yra pagrįsta vieno gramo radžio-226 skilimų per sekundę skaičiumi ir yra pavadinta garsios radioaktyvumo mokslininkės Marie Curie vardu. Atradus radžio radioaktyvumą, pirmą kartą buvo panaudoti medicininiai rentgeno spinduliai.
Kas yra pusinės eliminacijos laikas?
Radioaktyviojo izotopo pusinės eliminacijos laikas yra vidutinis laikas, per kurį sunyksta maždaug pusei radioizotopo mėginyje esančių atomų. Skirtingi radioizotopai skyla skirtingu greičiu ir jų pusperiodis gali būti labai skirtingas; šie pusinės eliminacijos periodai gali būti net keli mikrosekundės, pavyzdžiui, polonio-214 atveju, ir keli milijardai metų, pavyzdžiui, uranas-238.
Svarbi koncepcija yra ta, kad tam tikras radioizotopas tai padarysvisadairimas tokiu pat greičiu. Jo pusinės eliminacijos laikas yra būdinga savybė.
Gali atrodyti keista apibūdinti elementą pagal tai, per kiek laiko sunyksta pusė jo; nėra prasmės kalbėti, pavyzdžiui, apie vieno atomo pusinės eliminacijos periodą. Bet ši priemonė yra naudinga, nes neįmanoma tiksliai nustatyti, kuris branduolys ir kada suskaidys - procesą galima suprasti tik statistiškai, vidutiniškai, laikui bėgant.
Vieno atomo branduolio atveju galima apversti bendrą pusinės eliminacijos periodo apibrėžimą: tikimybė, kad tas branduolys suirs greičiau nei jo pusinės eliminacijos laikas, yra apie 50%.
Radioaktyviojo skilimo lygtis
Yra trys lygiavertės lygtys, nurodančios likusių branduolių skaičiųt. Pirmąjį pateikia:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Kurt1/2yra izotopo pusinės eliminacijos laikas. Antrasis apima kintamąjįτ, kuris vadinamas vidutiniu gyvenimo laikotarpiu arba būdingu laiku:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Trečiasis naudoja kintamąjįλ, žinomas kaip skilimo konstanta:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Kintamiejit1/2, τirλvisi yra susieti pagal šią lygtį:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Nepriklausomai nuo to, kurį kintamąjį ar lygties versiją naudojate, funkcija yra neigiamas eksponentinis, o tai reiškia, kad ji niekada nepasieks nulio. Kiekvienam praeinančiam pusinės eliminacijos periodui branduolių skaičius sumažėja perpus, jis tampa vis mažesnis, bet niekada neišnyksta - matematiškai taip nutinka. Praktikoje, žinoma, mėginį sudaro galutinis skaičius radioaktyviųjų atomų; kai mėginys nusileis iki vieno atomo, tas atomas galiausiai suirs, nepalikdamas pradinio izotopo atomų.
Radioaktyvios pažintys
Mokslininkai gali naudoti radioaktyvų skilimo greitį nustatydami senų daiktų ar dirbinių amžių.
Pavyzdžiui, anglis-14 nuolat papildoma gyvais organizmais. Visų gyvų būtybių anglies-12 ir anglies-14 santykis yra vienodas. Šis santykis keičiasi mirus organizmui, nes anglies-14 skyla, o anglies-12 išlieka stabilus. Žinodamas anglies-14 skilimo greitį (jo pusinės eliminacijos laikas yra 5730 metų) ir matuodamas, kiek anglies-14 mėginyje yra anglies dvideginio kiekis, tada galima nustatyti fosilijų ir panašių amžių amžių objektai.
Senesnių objektų datai galima naudoti radioizotopus, kurių pusinės eliminacijos laikas yra ilgesnis, nors turi būti tam tikras būdas pasakyti, kiek to radioizotopo buvo imtyje iš pradžių. Anglies datos gali būti nustatytos tik tuo atveju, jei objektai yra senesni nei 50 000 metų, nes po devynių pusinės eliminacijos laikotarpių anglies-14 paprastai būna per mažai, kad būtų galima tiksliai įvertinti.
Pavyzdžiai
Jei seaborgium-266 pusinės eliminacijos laikas yra 30 sekundžių, ir mes pradedame nuo 6,02 × 1023 atomų, galime sužinoti, kiek liko po penkių minučių, naudojant radioaktyviojo skilimo lygtį.
Norėdami naudoti radioaktyviojo skilimo lygtį, prijungiame 6,02 × 1023 atomaiN0, 300 sekundžiųtir 30 sekundžiųt1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Ką daryti, jei mes turėtume tik pradinį atomų skaičių, galutinį atomų skaičių ir pusinės eliminacijos laiką? (Tai, ką mokslininkai turi naudodami radioaktyvų skilimą senovės fosilijoms ir artefaktams datuoti.) Jei plutonio-238 mėginys prasidėjo 6,02 × 1023 atomų, o dabar turi 2,11 × 1015 atomų, kiek laiko praėjo, atsižvelgiant į tai, kad plutonio-238 pusinės eliminacijos laikas yra 87,7 metų?
Lygtis, kurią turime išspręsti, yra
2,11 \ kartus 10 ^ {15} = (6,02 \ kartus 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
ir mes turime tai išspręstit.
Abiejų pusių padalijimas iš 6,02 × 1023, mes gauname:
3,50 \ kartus 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
Tada mes galime paimti abiejų pusių žurnalą ir naudoti rodiklių taisyklę žurnalo funkcijose, kad gautume:
-19,47 = (t / 87,7) rąstas (1/2)
Tai galime išspręsti algebriškai, kad gautume t = 2463,43 metus.