Za nukleide je značilno atomsko število (število protonov) in atomsko masno število (skupno število protonov in nevtronov). Število protonov določa, za kateri element gre, skupno število protonov in nevtronov pa določa izotop.
Radioizotopi (radioaktivni izotopi) so atomi, ki imajo nestabilno jedro in so nagnjeni k jedrskemu razpadu. So v visokoenergijskem stanju in želijo skočiti v nižjeenergijsko stanje s sproščanjem te energije, bodisi v obliki svetlobe ali drugih delcev. Razpolovni čas radioizotopa ali čas, v katerem traja polovica atomov radioizotopa, je zelo koristen ukrep.
Radioaktivni elementi so ponavadi v zadnji vrstici periodnega sistema in zadnji vrstici redkih zemeljskih elementov.
Radioaktivni razpad
Radioaktivni izotopi imajo nestabilna jedra, kjer vezna energija, ki drži protone in nevtrone tesno zaklenjene, ni dovolj močna, da bi jo lahko trajno zadrževala. Predstavljajte si žogo, ki sedi na vrhu hriba; rahel dotik ga bo poslal navzdol, kot da bi bil v stanju nižje energije. Nestabilna jedra lahko postanejo stabilnejša, če sprostijo del svoje energije, bodisi v obliki svetlobe ali drugih delcev, kot so protoni, nevtroni in elektroni. To sproščanje energije se imenuje radioaktivni razpad.
Proces razpada ima lahko različne oblike, vendar so osnovne vrste radioaktivnega razpada:alfarazpad (emisija jedra alfa-delca / helija),betarazpad (emisija beta delca ali zajem elektronov) ingamarazpad (oddajanje gama žarkov ali gama sevanja). Alfa in beta razpad pretvorijo radioizotop v drug nuklid, ki ga pogosto imenujejo hčerinski nuklid. Vsi trije razpadni procesi ustvarjajo ionizirajoče sevanje, vrsto visokoenergijskega sevanja, ki lahko škoduje živemu tkivu.
Pri alfa razpadu, imenovanem tudi alfa emisija, radioizotop oddaja dva protona in dva nevtrona kot jedro helija-4 (znano tudi kot alfa delci). To povzroči, da se masno število radioizotopa zmanjša za štiri, njegovo atomsko število pa za dva.
Beta razpad, imenovan tudi beta emisija, je emisija elektrona iz radioizotopa, ko se eden od njegovih nevtronov spremeni v proton. To ne spremeni množičnega števila nuklida, poveča pa njegovo atomsko število za eno. Obstaja tudi nekakšen beta razpad, ki je skoraj inverzen prvemu: nuklid oddaja pozitron (pozitivno naelektren antimaterijski partner elektrona) in eden od njegovih protonov se spremeni v nevtron. To atomsko število nuklida zniža za eno. Pozitron in elektron bi se šteli za beta delca.
Posebna vrsta razpada beta se imenuje razpad beta z zajemom elektronov: Enega najbolj nukleidnih elektronov zajame protona v jedru, pretvori proton v nevtron in oddaja ultra majhen, super hiter delček, imenovan elektron nevtrino.
Radioaktivnost se običajno meri v eni od dveh enot: bekerelu (bq) in kuriju. Bekereli so standardne (SI) enote radioaktivnosti in predstavljajo hitrost enega razpada na sekundo. Kuriji temeljijo na številu razpadov enega grama radija-226 na sekundo in so poimenovani po slavni znanstveniki o radioaktivnosti Marie Curie. Njeno odkritje radioaktivnosti radija je pripeljalo do prve uporabe medicinskih rentgenskih žarkov.
Kaj je razpolovna doba?
Razpolovna doba radioaktivnega izotopa je povprečen čas, ki traja približno polovico atomov v vzorcu radioizotopa, da razpade. Različni radioizotopi propadajo z različno hitrostjo in imajo lahko zelo različne razpolovne dobe; ti razpolovni časi so lahko le nekaj mikrosekund, na primer v primeru polonija-214, in nekaj milijard let, na primer urana-238.
Pomemben koncept je, da bo dani radioizotopnenehnorazpad z enako hitrostjo. Njegova razpolovna doba je značilna.
Morda se zdi nenavadno, če označimo element tako, da traja polovica, da propade; na primer nima smisla govoriti o razpolovni dobi enega samega atoma. Toda ta ukrep je koristen, ker ni mogoče natančno določiti, katero jedro bo propadlo in kdaj - postopek je mogoče v povprečju razumeti le v povprečju skozi čas.
V primeru enega atomskega jedra je mogoče obrniti skupno definicijo razpolovnega časa: verjetnost razpada tega jedra v krajšem času kot njegov razpolovni čas je približno 50%.
Enačba radioaktivnega razpada
Obstajajo tri enakovredne enačbe, ki dajejo število preostalih jedert. Prvo podaja:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Kjet1/2je razpolovna doba izotopa. Drugi vključuje spremenljivkoτ, ki se imenuje povprečna življenjska doba ali značilni čas:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Tretji uporablja spremenljivkoλ, znana kot konstanta razpada:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Spremenljivket1/2, τinλso vsi povezani z naslednjo enačbo:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Ne glede na to, katero spremenljivko ali različico enačbe uporabljate, je funkcija negativni eksponent, kar pomeni, da nikoli ne bo dosegla ničle. Z vsakim razpolovnim časom, ki mine, se število jeder prepolovi, postaja manjše in manjše, vendar nikoli povsem ne izgine - vsaj to se zgodi matematično. V praksi je seveda vzorec sestavljen iz končnega števila radioaktivnih atomov; ko se vzorec spusti do enega samega atoma, ta atom sčasoma propade in za seboj ne ostane noben atom prvotnega izotopa.
Radioaktivni zmenki
Znanstveniki lahko s pomočjo stopnje radioaktivnega razpada določijo starost starih predmetov ali artefaktov.
Na primer, ogljik-14 se nenehno obnavlja v živih organizmih. Vsa živa bitja imajo enako razmerje med ogljikom-12 in ogljikom-14. To razmerje se spremeni, ko organizem umre, ker ogljik-14 razpade, ogljik-12 pa ostane stabilen. S poznavanjem stopnje razpada ogljika-14 (razpolovna doba je 5.730 let) in merjenjem, koliko ogljika-14 v vzorcu ima pretvori v druge elemente glede na količino ogljika-12, potem je mogoče določiti starost fosilov in podobno predmetov.
Radioizotope z daljšim razpolovnim časom lahko uporabimo za datiranje starejših predmetov, čeprav mora obstajati način, da ugotovimo, koliko tega radioizotopa je bilo prvotno v vzorcu. Zmenki z ogljikom lahko datirajo le predmete, stare manj kot 50.000 let, saj po devetih razpolovnih časih ogljika-14 običajno ostane premalo, da bi lahko natančno izmerili.
Primeri
Če je razpolovna doba seaborgium-266 30 sekund in začnemo s 6,02 × 1023 atomov, lahko z enačbo radioaktivnega razpada ugotovimo, koliko ostane po petih minutah.
Za uporabo enačbe radioaktivnega razpada vključimo 6,02 × 1023 atomi zaN0, 300 sekund zatin 30 sekund zat1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Kaj če bi imeli samo začetno število atomov, končno število atomov in razpolovno dobo? (To imajo znanstveniki, ko uporabljajo radioaktivni razpad za ugotavljanje starodavnih fosilov in artefaktov.) Če je vzorec plutonija-238 začel s 6,02 × 1023 atomov in ima zdaj 2,11 × 1015 atomi, koliko časa je preteklo glede na to, da je razpolovna doba plutonija-238 87,7 leta?
Enačba, ki jo moramo rešiti, je
2,11 \ krat 10 ^ {15} = (6,02 \ krat 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
in to moramo rešitit.
Delitev obeh strani s 6,02 × 1023, dobimo:
3,50 \ krat 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
Nato lahko vzamemo dnevnik obeh strani in uporabimo pravilo eksponentov v funkcijah dnevnika, da dobimo:
-19,47 = (t / 87,7) log (1/2)
To lahko rešimo algebraično, da dobimo t = 2463,43 let.