Nuklidy sú charakterizované ich atómovým číslom (počet protónov) a počtom atómových hmôt (celkový počet protónov a neutrónov). Počet protónov určuje, o aký prvok ide, a celkový počet protónov a neutrónov určuje izotop.
Rádioizotopy (rádioaktívne izotopy) sú atómy, ktoré majú nestabilné jadro a sú náchylné na jadrový rozpad. Sú v vysokoenergetickom stave a chcú skočiť do stavu s nízkou energiou uvoľnením tejto energie, či už vo forme svetla alebo iných častíc. Polčas rozpadu rádioizotopu alebo doba, ktorá trvá, kým sa rozpadne polovica atómov rádioizotopu, je veľmi užitočné poznať.
Rádioaktívne prvky bývajú v poslednom rade periodickej tabuľky a v poslednom rade prvkov vzácnych zemín.
Rádioaktívny rozpad
Rádioaktívne izotopy majú nestabilné jadrá, kde väzbová energia držiaca protóny a neutróny pevne spojené pohromade nie je dosť silná na to, aby sa udržala natrvalo. Predstavte si guľu, ktorá sedí na vrchole kopca; ľahký dotyk ju pošle dole, akoby do stavu s nižšou energiou. Nestabilné jadrá sa môžu stať stabilnejšie uvoľnením časti svojej energie, a to buď vo forme svetla alebo iných častíc, ako sú protóny, neutróny a elektróny. Toto uvoľnenie energie sa nazýva rádioaktívny rozpad.
Proces rozpadu môže mať veľa podôb, ale základné typy rádioaktívneho rozpadu sú:alfarozpad (emisia alfa častice / hélia),betarozpad (emisia beta častice alebo elektrónový záchyt) agamarozpad (emisia gama lúčov alebo gama žiarenie). Alfa a beta rozpad transmutujú rádioizotop na iný nuklid, ktorý sa často nazýva dcérsky nuklid. Všetky tri procesy rozpadu vytvárajú ionizujúce žiarenie, druh vysokoenergetického žiarenia, ktoré môže byť škodlivé pre živé tkanivo.
Pri rozpade alfa, tiež nazývanom alfa emisia, rádioizotop emituje dva protóny a dva neutróny ako jadro hélia-4 (známe tiež ako alfa častica). To spôsobí, že hmotnostné číslo rádioizotopu klesne o štyri a jeho atómové číslo klesne o dve.
Beta rozpad, tiež nazývaný beta emisia, je emisia elektrónu z rádioizotopu, keď sa jeden z jeho neutrónov zmení na protón. To nemení hmotnostné číslo nuklidu, ale zvyšuje sa jeho atómové číslo o jednu. Existuje tiež druh beta rozpadu, ktorý je takmer inverzný k prvému: nuklid emituje pozitrón (kladne nabitý antihmotový partner elektrónu) a jeden z jeho protónov sa zmení na neutrón. Tým sa zníži atómové číslo nuklidu o jednu. Pozitrón aj elektrón by sa považovali za beta častice.
Špeciálny druh rozpadu beta sa nazýva beta rozpad elektrónu: Jeden z najvnútornejších elektrónov nuklidu je zachytený protón v jadre, ktorý premení protón na neutrón a emituje ultratenkú, super rýchlu časticu nazývanú elektrón neutríno.
Rádioaktivita sa zvyčajne meria v jednej z dvoch jednotiek: becquerel (bq) a curie. Becquerely sú štandardné (SI) jednotky rádioaktivity a predstavujú rýchlosť jedného rozpadu za sekundu. Curie je založený na počte rozpadov jedného gramu rádia-226 za sekundu a je pomenovaný po slávnej vedkyni v oblasti rádioaktivity Marie Curie. Jej objav rádioaktivity rádia viedol k prvému použitiu lekárskych röntgenových lúčov.
Čo je to polčas rozpadu?
Polčas rozpadu rádioaktívneho izotopu je priemerná doba, za ktorú sa rozpadne asi jednej polovici atómov vo vzorke rádioizotopu. Rôzne rádioizotopy sa rozpadajú rôznymi rýchlosťami a môžu mať divoko odlišné polčasy; tieto polčasy môžu byť také krátke ako niekoľko mikrosekúnd, napríklad v prípade polónium-214, a také dlhé ako niekoľko miliárd rokov, ako napríklad urán-238.
Dôležitý koncept je, že daný rádioizotop budevždyrozpadajú rovnakou rýchlosťou. Jeho polčas je inherentnou charakteristikou.
Môže sa zdať čudné charakterizovať prvok podľa toho, ako dlho trvá jeho rozpadu polovicu; nemá zmysel hovoriť napríklad o polčase rozpadu jediného atómu. Ale toto opatrenie je užitočné, pretože nie je možné presne určiť, ktoré jadro sa rozpadne a kedy - procesu je možné porozumieť iba štatisticky, priemerne, v priebehu času.
V prípade jedného atómového jadra je možné obrátiť bežnú definíciu polčasu rozpadu: pravdepodobnosť rozpadu tohto jadra za kratší čas ako je jeho polčas je asi 50%.
Rovnica rádioaktívneho rozpadu
Existujú tri ekvivalentné rovnice, ktoré udávajú počet jadier zostávajúcich v časet. Prvý je daný:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Kdet1/2je polčas rozpadu izotopu. Druhá zahŕňa premennúτ, ktorá sa nazýva stredná životnosť alebo charakteristická doba:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Tretí používa premennúλ, známa ako konštanta rozpadu:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Premennét1/2, τaλvšetky súvisia s touto rovnicou:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Bez ohľadu na to, ktorú premennú alebo verziu rovnice použijete, je funkcia záporný exponenciál, čo znamená, že nikdy nedosiahne nulu. Za každý polčas, ktorý prejde, sa počet jadier zníži na polovicu, zmenšuje sa a zmenšuje, ale nikdy celkom nezmizne - aspoň to sa deje matematicky. V praxi je samozrejme vzorka tvorená konečným počtom rádioaktívnych atómov; akonáhle vzorka zostane na jednom atóme, tento atóm sa nakoniec rozpadne a nezanechá po sebe žiadne atómy pôvodného izotopu.
Rádioaktívne zoznamky
Vedci môžu na určenie veku starých predmetov alebo artefaktov použiť rýchlosti rádioaktívneho rozpadu.
Napríklad uhlík-14 sa neustále dopĺňa v živých organizmoch. Všetky živé veci majú rovnaký pomer uhlíka-12 k uhlíku-14. Tento pomer sa zmení, akonáhle organizmus zomrie, pretože uhlík-14 sa rozpadá, zatiaľ čo uhlík-12 zostáva stabilný. Poznaním rýchlosti rozpadu uhlíka-14 (má polčas rozpadu 5 730 rokov) a zmeraním toho, koľko uhlíka-14 vo vzorke obsahuje transmutované na ďalšie prvky vzhľadom na množstvo uhlíka-12, potom je možné určiť vek fosílií a podobne predmety.
Rádioizotopy s dlhším polčasom rozpadu je možné použiť na datovanie starších objektov, aj keď musí existovať spôsob, ako zistiť, koľko tohto rádioizotopu bolo pôvodne vo vzorke. Uhlíkové datovanie môže datovať iba objekty staršie ako 50 000 rokov, pretože po deviatich polčasoch rozpadu je uhlíka 14 zvyčajne príliš málo na to, aby bolo možné vykonať presné meranie.
Príklady
Ak je polčas seaborgium-266 30 sekúnd, vychádzame z 6,02 × 1023 koľko atómov nájdeme, môžeme zistiť pomocou rovnice rádioaktívneho rozpadu po piatich minútach.
Ak chcete použiť rovnicu rádioaktívneho rozpadu, zapojíme 6,02 × 1023 atómy preN0, 300 sekúnd preta 30 sekúnd po dobut1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Čo keby sme mali iba počiatočný počet atómov, konečný počet atómov a polčas rozpadu? (To je to, čo majú vedci, keď k dnešnému dňu používajú starodávne fosílie a artefakty pomocou rádioaktívneho rozpadu.) Ak vzorka plutónia-238 začala s 6,02 × 1023 atómy a teraz má 2,11 × 1015 atómy, koľko času uplynulo vzhľadom na to, že polčas rozpadu plutónia-238 je 87,7 rokov?
Rovnica, ktorú musíme vyriešiť, je
2,11 \ krát 10 ^ {15} = (6,02 \ krát 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
a musíme to vyriešiť zat.
Rozdelenie oboch strán o 6,02 × 1023, dostaneme:
3,50 \ krát 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
Potom môžeme vziať protokol oboch strán a použiť pravidlo exponentov v logických funkciách na získanie:
-19,47 = (t / 87,7) log (1/2)
Môžeme to vyriešiť algebraicky, aby sme dosiahli t = 2463,43 rokov.