Nuklīdus raksturo to atomu skaits (protonu skaits) un atomu masas skaits (kopējais protonu un neitronu skaits). Protonu skaits nosaka, kāds elements tas ir, un kopējais protonu un neitronu skaits nosaka izotopu.
Radioizotopi (radioaktīvie izotopi) ir atomi, kuriem ir nestabils kodols un kuri ir pakļauti kodola sabrukšanai. Viņi atrodas augstas enerģijas stāvoklī un vēlas pāriet uz zemākas enerģijas stāvokli, atbrīvojot šo enerģiju vai nu gaismas, vai citu daļiņu veidā. Radioizotopa pussabrukšanas periods jeb laiks, kas nepieciešams, lai sadalītos puse radioizotopu atomu, ir ļoti noderīgs pasākums, lai to uzzinātu.
Radioaktīvie elementi mēdz būt periodiskās tabulas pēdējā rindā un retzemju elementu pēdējā rindā.
Radioaktīvā sabrukšana
Radioaktīvajiem izotopiem ir nestabili kodoli, kur saistīšanās enerģija, kas cieši bloķē protonus un neitronus, nav pietiekami spēcīga, lai pastāvīgi noturētos. Iedomājieties bumbu, kas sēž kalna virsotnē; viegls pieskāriens to sūtīs uz leju, it kā zemākas enerģijas stāvoklī. Nestabili kodoli var kļūt stabilāki, atbrīvojot daļu no enerģijas vai nu gaismas, vai citu daļiņu, piemēram, protonu, neitronu un elektronu, formā. Šo enerģijas izdalīšanos sauc par radioaktīvo sabrukšanu.
Sabrukšanas procesam var būt dažādas formas, taču radioaktīvās sabrukšanas pamatveidi ir:alfasabrukšana (alfa daļiņas / hēlija kodola emisija),betasabrukšana (beta daļiņu vai elektronu uztveršanas emisija) ungammasabrukšana (gamma staru vai gamma starojuma emisija). Alfa un beta sabrukšana pārveido radioizotopu citā nuklīdā, ko bieži sauc par meitas nuklīdu. Visi trīs sabrukšanas procesi rada jonizējošo starojumu, tāda veida augstas enerģijas starojumu, kas var kaitēt dzīvajiem audiem.
Alfa sabrukšanas laikā, ko dēvē arī par alfa emisiju, radioizotops kā hēlija-4 kodols (pazīstams arī kā alfa daļiņa) izstaro divus protonus un divus neitronus. Tas izraisa radioizotopu masas skaita samazināšanos par četriem un tā atomu skaitu - par diviem.
Beta sabrukšana, saukta arī par beta emisiju, ir elektrona emisija no radioizotopa, kad viens no tā neitroniem pārvēršas par protonu. Tas nemaina nuklīda masas numuru, bet palielina tā atomu skaitu par vienu. Pastāv arī sava veida beta sabrukšana, kas ir gandrīz apgriezta ar pirmo: nuklīds izstaro pozitronu (pozitīvi uzlādēts elektronu antimatter partneris), un viens no tā protoniem pārvēršas par neitronu. Tas samazina nuklīda atomu skaitu par vienu. Gan pozitronu, gan elektronu uzskatītu par beta daļiņām.
Īpašu beta sabrukšanas veidu sauc par elektronu uztveršanas beta sabrukšanu: vienu no nuklīda iekšējiem elektroniem uztver protons kodolā, pārvēršot protonu par neitronu un izstarojot īpaši niecīgu, ļoti ātru daļiņu, ko sauc par elektronu neitrīno.
Radioaktivitāti mēra vienā no divām vienībām: bekerela (bq) un kirī. Bekereli ir standarta (SI) radioaktivitātes mērvienības, un tās attēlo viena sabrukšanas ātrumu sekundē. Kuri ir balstīti uz viena grama radija-226 sabrukumu skaitu sekundē, un tie ir nosaukti slavenā radioaktivitātes zinātnieka Marijas Kirī vārdā. Viņas atklājums par radija radioaktivitāti pirmoreiz izmantoja medicīnisko rentgenstaru.
Kas ir pusperiods?
Radioaktīvā izotopa pussabrukšanas periods ir vidējais laiks, kas nepieciešams, lai sadalītos apmēram pusei radioizotopu paraugā esošo atomu. Dažādi radioizotopi sadalās dažādos ātrumos, un to pusperiods var būt ļoti atšķirīgs; šie pussabrukšanas periodi var būt pat īsi līdz dažām mikrosekundēm, piemēram, polonija-214 gadījumā, un tik ilgi, līdz daži miljardi gadu, piemēram, urāns-238.
Svarīgs jēdziens ir tāds, ka dotajam radioizotopam būsvienmērsabrukšana ar tādu pašu ātrumu. Tā pusperiods ir raksturīga iezīme.
Var šķist dīvaini raksturot elementu pēc tā, cik ilgi puse no tā sabrūk; nav jēgas runāt, piemēram, par viena atoma pusperiodu. Bet šis pasākums ir noderīgs, jo nav iespējams precīzi noteikt, kurš kodols un kad sabruks - procesu var izprast tikai statistiski, vidēji laika gaitā.
Viena atoma kodola gadījumā var apvērst kopējo pussabrukšanas perioda definīciju: varbūtība, ka šis kodols sabruks īsākā laikā nekā tā pussabrukšanas periods, ir aptuveni 50%.
Radioaktīvās sabrukšanas vienādojums
Ir trīs ekvivalenti vienādojumi, kas dod atlikušo kodolu skaitu laikāt. Pirmo sniedz:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Kurt1/2ir izotopa pussabrukšanas periods. Otrais ietver mainīgoτ, ko sauc par vidējo kalpošanas laiku vai raksturīgo laiku:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Trešais izmanto mainīgoλ, kas pazīstams kā sabrukšanas konstante:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Mainīgiet1/2, τunλvisi ir saistīti ar šādu vienādojumu:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Neatkarīgi no tā, kuru mainīgo vai vienādojuma versiju izmantojat, funkcija ir negatīvs eksponenciāls, tas nozīmē, ka tā nekad nesasniegs nulli. Katram pusperiodam, kas iet, kodolu skaits tiek samazināts uz pusi, kļūstot arvien mazākiem, bet nekad neizzūdot - vismaz matemātiski tas notiek. Praksē, protams, paraugu veido ierobežots skaits radioaktīvo atomu; kad paraugs ir nonācis līdz vienam atomam, šis atoms galu galā sabruks, neatstājot aiz sevis sākotnējā izotopa atomus.
Radioaktīvas iepazīšanās
Zinātnieki var izmantot radioaktīvās sabrukšanas ātrumu, lai noteiktu veco priekšmetu vai artefaktu vecumu.
Piemēram, ogleklis-14 pastāvīgi tiek papildināts dzīvajos organismos. Visām dzīvajām būtnēm ir vienāda oglekļa-12 un oglekļa-14 attiecība. Šī attiecība mainās, kad organisms nomirst, jo ogleklis-14 sadalās, bet ogleklis-12 paliek stabils. Zinot oglekļa-14 sabrukšanas ātrumu (tā pussabrukšanas periods ir 5730 gadi) un izmērot, cik daudz oglekļa-14 paraugā ir pārveidots citos elementos attiecībā pret oglekļa-12 daudzumu, tad ir iespējams noteikt fosiliju un tamlīdzīgu vecumu objektiem.
Vecāku objektu datēšanai var izmantot radioizotopus ar ilgāku pussabrukšanas periodu, lai gan ir jābūt kaut kādam veidam, kā noteikt, cik daudz šī radioizotopa sākotnēji bija paraugā. Oglekļa datēšana var datēt tikai objektus, kuru vecums nepārsniedz 50 000 gadu, jo pēc deviņu pusperiodu oglekļa-14 parasti ir pārāk maz, lai veiktu precīzu mēru.
Piemēri
Ja seaborgium-266 pussabrukšanas periods ir 30 sekundes, un mēs sākam ar 6,02 × 1023 atomiem, mēs varam atrast, cik daudz ir atlicis pēc piecām minūtēm, izmantojot radioaktīvās sabrukšanas vienādojumu.
Lai izmantotu radioaktīvās sabrukšanas vienādojumu, mēs pievienojam 6,02 × 1023 atomi parN0, 300 sekundes uztun 30 sekundest1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Ko darīt, ja mums būtu tikai sākuma atomu skaits, galīgais atomu skaits un pusperiods? (Tas ir tas, kas zinātniekiem ir, kad viņi izmanto radioaktīvo sabrukšanu, lai datētu senās fosilijas un artefaktus.) Ja plutonija-238 paraugs sākās ar 6,02 × 1023 atomi, un tagad tam ir 2,11 × 1015 atomi, cik daudz laika ir pagājis, ņemot vērā, ka plutonija-238 pussabrukšanas periods ir 87,7 gadi?
Vienādojums, kas mums jāatrisina, ir
2,11 \ reizes 10 ^ {15} = (6,02 \ reizes 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
un mums tas ir jāatrisinat.
Dalot abas puses ar 6,02 × 1023, mēs iegūstam:
3,50 \ reizes 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
Pēc tam mēs varam ņemt abu pušu žurnālu un izmantot eksponentu likumu žurnāla funkcijās, lai iegūtu:
-19,47 = (t / 87,7) baļķis (1/2)
Mēs to varam atrisināt algebriski, lai iegūtu t = 2463,43 gadus.