Нуклиды характеризуются своим атомным номером (числом протонов) и атомным массовым числом (общим числом протонов и нейтронов). Количество протонов определяет, какой это элемент, а общее количество протонов и нейтронов определяет изотоп.
Радиоизотопы (радиоактивные изотопы) - это атомы с нестабильным ядром, склонные к ядерному распаду. Они находятся в высокоэнергетическом состоянии и хотят перейти в более низкоэнергетическое состояние, высвобождая эту энергию в виде света или других частиц. Период полураспада радиоизотопа, или количество времени, которое требуется половине атомов радиоизотопа для распада, - очень полезная мера, которую нужно знать.
Радиоактивные элементы обычно находятся в последней строке периодической таблицы и в последней строке редкоземельных элементов.
Радиоактивный распад
Радиоактивные изотопы имеют нестабильные ядра, где энергия связи, удерживающая протоны и нейтроны прочно связанными вместе, недостаточно сильна, чтобы удерживаться постоянно. Представьте себе мяч, сидящий на вершине холма; легкое прикосновение заставит его скатиться вниз, как будто в состояние более низкой энергии. Нестабильные ядра могут стать более стабильными, высвобождая часть своей энергии в виде света или других частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны. Это высвобождение энергии называется радиоактивным распадом.
Процесс распада может принимать разные формы, но основными типами радиоактивного распада являются:альфараспад (испускание альфа-частицы / ядра гелия),бетараспад (испускание бета-частицы или захват электрона) игаммараспад (излучение гамма-лучей или гамма-излучения). Альфа- и бета-распад превращает радиоизотоп в другой нуклид, который часто называют дочерним нуклидом. Все три процесса распада создают ионизирующее излучение, вид высокоэнергетического излучения, которое может повредить живые ткани.
При альфа-распаде, также называемом альфа-излучением, радиоизотоп испускает два протона и два нейтрона в виде ядра гелия-4 (также известного как альфа-частица). Это приводит к тому, что массовое число радиоизотопа уменьшается на четыре, а его атомный номер - на два.
Бета-распад, также называемый бета-излучением, - это испускание электрона из радиоизотопа, когда один из его нейтронов превращается в протон. Это не меняет массового числа нуклида, но увеличивает его атомный номер на единицу. Существует также вид бета-распада, который почти противоположен первому: нуклид испускает позитрон. (положительно заряженный антивещественный партнер электрона), и один из его протонов превращается в нейтрон. Это снижает атомный номер нуклида на единицу. И позитрон, и электрон будут считаться бета-частицами.
Особый вид бета-распада называется бета-распадом с захватом электрона: один из самых внутренних электронов нуклида захватывается протон в ядре, превращая протон в нейтрон и испуская сверхмалую сверхбыструю частицу, называемую электроном. нейтрино.
Радиоактивность обычно измеряется в одной из двух единиц: беккерель (бк) и кюри. Беккерели - это стандартные единицы радиоактивности (СИ), которые представляют собой скорость одного распада в секунду. Кюри основаны на количестве распадов в секунду одного грамма радия-226 и названы в честь известного ученого-исследователя радиоактивности Марии Кюри. Открытие ею радиоактивности радия привело к первому использованию медицинских рентгеновских лучей.
Что такое Half-Life?
Период полураспада радиоактивного изотопа - это среднее время, за которое распадается примерно половина атомов в образце радиоизотопа. Различные радиоизотопы распадаются с разной скоростью и могут иметь сильно различающиеся периоды полураспада; эти периоды полураспада могут составлять от нескольких микросекунд, например, в случае полония-214, до нескольких миллиардов лет, например, уран-238.
Важная концепция заключается в том, что данный радиоизотоп будетвсегдараспадаться с той же скоростью. Его период полураспада является неотъемлемой характеристикой.
Может показаться странным характеризовать элемент по тому, сколько времени требуется половине его для распада; например, бессмысленно говорить о периоде полураспада отдельного атома. Но эта мера полезна, потому что невозможно точно определить, какое ядро будет распадаться и когда - процесс можно понять только статистически, в среднем, с течением времени.
В случае одного атомного ядра общее определение периода полураспада можно перевернуть: вероятность того, что это ядро распадется за меньшее время, чем его период полураспада, составляет около 50%.
Уравнение радиоактивного распада
Есть три эквивалентных уравнения, которые дают количество ядер, оставшихся в момент времени.т. Первый определяется:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Гдет1/2это период полураспада изотопа. Второй включает переменнуюτ, которое называется средним сроком службы или характерным временем:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Третий использует переменнуюλ, известная как постоянная распада:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Переменныет1/2, τа такжеλвсе связаны следующим уравнением:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Независимо от того, какую переменную или версию уравнения вы используете, функция является отрицательной экспонентой, что означает, что она никогда не достигнет нуля. С каждым прошедшим периодом полураспада количество ядер уменьшается вдвое, становясь все меньше и меньше, но никогда не исчезает полностью - по крайней мере, это то, что происходит математически. На практике, конечно, образец состоит из конечного числа радиоактивных атомов; как только образец уменьшится до одного атома, этот атом в конечном итоге распадется, не оставив после себя атомов исходного изотопа.
Радиоактивное свидание
Ученые могут использовать скорость радиоактивного распада, чтобы определить возраст старых объектов или артефактов.
Например, углерод-14 постоянно пополняется в живых организмах. Все живые существа имеют одинаковое соотношение углерода-12 и углерода-14. Это соотношение меняется после смерти организма, потому что углерод-14 распадается, а углерод-12 остается стабильным. Зная скорость распада углерода-14 (его период полураспада 5730 лет) и измеряя, сколько углерода-14 в образце имеет преобразованы в другие элементы относительно количества углерода-12, тогда можно определить возраст окаменелостей и т.п. объекты.
Радиоизотопы с более длительным периодом полураспада можно использовать для датирования более старых объектов, хотя должен быть какой-то способ определить, сколько этого радиоизотопа изначально было в образце. Углеродное датирование позволяет датировать объекты возрастом менее 50 000 лет, потому что после девяти периодов полураспада углерода-14 обычно остается слишком мало для точного измерения.
Примеры
Если период полураспада сиборгия-266 составляет 30 секунд, и мы начинаем с 6,02 × 1023 атомов, мы можем определить, сколько осталось через пять минут, используя уравнение радиоактивного распада.
Чтобы использовать уравнение радиоактивного распада, мы подставляем 6,02 × 1023 атомы дляN0, 300 секунд дляти 30 секунд длят1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Что, если бы у нас было только начальное количество атомов, конечное количество атомов и период полураспада? (Это то, что получают ученые, когда они используют радиоактивный распад для определения возраста древних окаменелостей и артефактов.) Если образец плутония-238 начинается с 6,02 × 1023 атомов, и теперь имеет 2,11 × 1015 атомов, сколько времени прошло с учетом того, что период полураспада плутония-238 составляет 87,7 года?
Уравнение, которое нам нужно решить, это
2.11 \ times 10 ^ {15} = (6.02 \ times 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
и мы должны решить это зат.
Делим обе стороны на 6,02 × 1023, мы получили:
3,50 \ times 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
Затем мы можем взять журнал с обеих сторон и использовать правило экспонент в функциях журнала, чтобы получить:
-19,47 = (т / 87,7) журнал (1/2)
Мы можем решить это алгебраически, чтобы получить t = 2463,43 года.