นิวไคลด์มีลักษณะเป็นเลขอะตอม (จำนวนโปรตอน) และเลขมวลอะตอม (จำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมด) จำนวนโปรตอนเป็นตัวกำหนดองค์ประกอบ และจำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดเป็นตัวกำหนดไอโซโทป
ไอโซโทปรังสี (ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี) เป็นอะตอมที่มีนิวเคลียสที่ไม่เสถียรและมีแนวโน้มที่จะสลายตัวของนิวเคลียร์ พวกมันอยู่ในสถานะพลังงานสูงและต้องการกระโดดไปยังสถานะพลังงานต่ำโดยปล่อยพลังงานนั้นออกมาในรูปของแสงหรืออนุภาคอื่นๆ ค่าครึ่งชีวิตของไอโซโทปรังสีหรือระยะเวลาที่อะตอมของไอโซโทปรังสีใช้ครึ่งหนึ่งของอะตอมสลายตัวเป็นการวัดที่มีประโยชน์อย่างยิ่ง
ธาตุกัมมันตรังสีมักจะอยู่ที่แถวสุดท้ายของตารางธาตุ และแถวสุดท้ายของธาตุหายาก
การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี
ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีมีนิวเคลียสที่ไม่เสถียร ซึ่งพลังงานยึดเหนี่ยวที่ทำให้โปรตอนและนิวตรอนถูกล็อคไว้อย่างแน่นหนานั้นไม่แข็งแรงพอที่จะยึดไว้อย่างถาวร ลองนึกภาพลูกบอลนั่งอยู่บนยอดเขา สัมผัสเบา ๆ จะส่งมันกลิ้งลงมาราวกับเป็นพลังงานที่ต่ำกว่า นิวเคลียสที่ไม่เสถียรสามารถมีความเสถียรมากขึ้นโดยการปล่อยพลังงานบางส่วนออกมา ไม่ว่าจะเป็นในรูปของแสงหรืออนุภาคอื่นๆ เช่น โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน การปลดปล่อยพลังงานนี้เรียกว่าการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี
กระบวนการสลายตัวสามารถมีได้หลายรูปแบบ แต่ประเภทพื้นฐานของการสลายกัมมันตภาพรังสี ได้แก่อัลฟ่าการสลายตัว (การปล่อยอนุภาคแอลฟา/นิวเคลียสฮีเลียม)เบต้าการสลายตัว (การปล่อยอนุภาคบีตาหรือการดักจับอิเล็กตรอน) และแกมมาการสลายตัว (การปล่อยรังสีแกมมาหรือรังสีแกมมา) การสลายตัวของอัลฟ่าและเบต้าจะเปลี่ยนไอโซโทปรังสีไปเป็นนิวไคลด์อีกตัวหนึ่ง ซึ่งมักเรียกว่านิวไคลด์ลูกสาว กระบวนการสลายทั้งสามกระบวนการสร้างรังสีไอออไนซ์ ซึ่งเป็นรังสีพลังงานสูงชนิดหนึ่งที่สามารถทำลายเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตได้
ในการสลายแอลฟา หรือที่เรียกว่าการปล่อยแอลฟา ไอโซโทปรังสีจะปล่อยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองนิวตรอนออกมาเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม-4 (หรือที่เรียกว่าอนุภาคแอลฟา) สิ่งนี้ทำให้เลขมวลของไอโซโทปรังสีลดลงสี่และเลขอะตอมลดลงสอง
การสลายตัวของเบต้าหรือที่เรียกว่าการปล่อยเบต้าคือการปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากไอโซโทปรังสีเมื่อนิวตรอนตัวหนึ่งกลายเป็นโปรตอน วิธีนี้ไม่ได้เปลี่ยนเลขมวลของนิวไคลด์ แต่จะทำให้เลขอะตอมเพิ่มขึ้นหนึ่งตัว นอกจากนี้ยังมีการสลายตัวของเบต้าชนิดหนึ่งที่เกือบจะตรงกันข้ามกับครั้งแรก: นิวไคลด์ปล่อยโพซิตรอน (คู่ปฏิสสารที่มีประจุบวกของอิเล็กตรอน) และโปรตอนตัวหนึ่งของมันจะเปลี่ยนเป็นนิวตรอน ซึ่งจะทำให้เลขอะตอมของนิวไคลด์ลดลงหนึ่ง ทั้งโพซิตรอนและอิเล็กตรอนถือเป็นอนุภาคบีตา
การสลายตัวของเบตาชนิดพิเศษเรียกว่าการสลายบีตาดักจับอิเล็กตรอน: หนึ่งในอิเล็กตรอนชั้นในสุดของนิวไคลด์ถูกจับโดย โปรตอนในนิวเคลียส เปลี่ยนโปรตอนให้เป็นนิวตรอน และปล่อยอนุภาคขนาดเล็กพิเศษที่เร็วมากที่เรียกว่าอิเล็กตรอน นิวตริโน
กัมมันตภาพรังสีมักจะถูกวัดในหนึ่งในสองหน่วย: becquerel (bq) และ the curie เบคเคอเรลเป็นหน่วยกัมมันตภาพรังสีมาตรฐาน (SI) และแสดงถึงอัตราการสลายตัวหนึ่งครั้งต่อวินาที Curies ขึ้นอยู่กับจำนวนการสลายตัวต่อวินาทีของเรเดียม -226 หนึ่งกรัมและได้รับการตั้งชื่อตาม Marie Curie นักวิทยาศาสตร์ด้านกัมมันตภาพรังสีที่มีชื่อเสียง การค้นพบกัมมันตภาพรังสีของเรเดียมของเธอนำไปสู่การใช้รังสีเอกซ์ทางการแพทย์เป็นครั้งแรก
Half-Life คืออะไร?
ครึ่งชีวิตของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีคือระยะเวลาเฉลี่ยที่ใช้ในการสลายตัวของอะตอมประมาณครึ่งหนึ่งของอะตอมในตัวอย่างไอโซโทปรังสี ไอโซโทปรังสีที่แตกต่างกันจะสลายตัวในอัตราที่ต่างกันและสามารถมีครึ่งชีวิตที่แตกต่างกันอย่างมาก ครึ่งชีวิตเหล่านี้อาจสั้นเพียงสองสามไมโครวินาที เช่น ในกรณีของพอโลเนียม-214 และนานถึงสองสามพันล้านปี เช่น ยูเรเนียม-238
แนวคิดที่สำคัญคือไอโซโทปรังสีที่กำหนดจะเสมอสลายไปในอัตราเดียวกัน ครึ่งชีวิตของมันคือลักษณะโดยธรรมชาติ
อาจดูแปลกที่จะอธิบายลักษณะเฉพาะขององค์ประกอบโดยใช้เวลาครึ่งหนึ่งขององค์ประกอบในการสลายตัว มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะพูดถึงครึ่งชีวิตของอะตอมเดี่ยว แต่มาตรการนี้มีประโยชน์เพราะไม่สามารถระบุได้แน่ชัดว่านิวเคลียสใดจะสลายตัวและเมื่อใด – กระบวนการนี้สามารถเข้าใจได้โดยเฉลี่ยเท่านั้น เมื่อเวลาผ่านไป
ในกรณีของนิวเคลียสอะตอมหนึ่ง คำจำกัดความทั่วไปของครึ่งชีวิตสามารถกลับด้านได้: ความน่าจะเป็นที่นิวเคลียสนั้นจะสลายตัวในเวลาน้อยกว่าครึ่งชีวิตของมันประมาณ 50%
สมการการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี
มีสมการเทียบเท่าสามสมการที่ให้จำนวนนิวเคลียสที่เหลืออยู่ ณ เวลา remainingt. ครั้งแรกจะได้รับโดย:
ไม่มี(t) = N_0(1/2)^{t/t_{1/2}}
ที่ไหนt1/2คือครึ่งชีวิตของไอโซโทป ประการที่สองเกี่ยวข้องกับตัวแปรτซึ่งเรียกว่า อายุเฉลี่ย หรือลักษณะเวลา:
N(t) = N_0e^{-t/τ}
ที่สามใช้ตัวแปรλเรียกว่าค่าคงที่การสลายตัว:
ไม่มี(t) = N_0e^{-λt}
ตัวแปรt1/2, τและλล้วนสัมพันธ์กันด้วยสมการต่อไปนี้
t_{1/2} = ln (2)/λ = τ × ln (2)
ไม่ว่าคุณจะใช้สมการตัวแปรหรือเวอร์ชันใด ฟังก์ชันจะเป็นเลขชี้กำลังลบ ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีวันถึงศูนย์ สำหรับครึ่งชีวิตแต่ละครึ่งชีวิตที่ผ่านไป จำนวนของนิวเคลียสจะลดลงครึ่งหนึ่ง มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ แต่ไม่เคยหายไปเลย อย่างน้อย นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในทางคณิตศาสตร์ แน่นอน ในทางปฏิบัติ ตัวอย่างประกอบด้วยอะตอมกัมมันตภาพรังสีจำนวนจำกัด เมื่อตัวอย่างลดลงเหลืออะตอมเดียว อะตอมนั้นจะสลายตัวในที่สุด โดยไม่ทิ้งอะตอมของไอโซโทปดั้งเดิมไว้เบื้องหลัง
การออกเดทกัมมันตภาพรังสี
นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้อัตราการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีเพื่อกำหนดอายุของวัตถุหรือสิ่งประดิษฐ์เก่าได้
ตัวอย่างเช่น คาร์บอน-14 ถูกเติมเต็มอย่างต่อเนื่องในสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีอัตราส่วนคาร์บอน-12 ต่อคาร์บอน-14 เท่ากัน อัตราส่วนนั้นเปลี่ยนไปเมื่อสิ่งมีชีวิตตายเพราะคาร์บอน-14 สลายตัวในขณะที่คาร์บอน-12 ยังคงเสถียร โดยรู้อัตราการสลายตัวของคาร์บอน-14 (มีครึ่งชีวิต 5,730 ปี) และวัดว่าคาร์บอน-14 ในตัวอย่างมีเท่าใด แปรสภาพเป็นองค์ประกอบอื่น ๆ ที่สัมพันธ์กับปริมาณคาร์บอน -12 จากนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดอายุของฟอสซิลและที่คล้ายกัน วัตถุ
ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่มีครึ่งชีวิตยาวกว่าสามารถใช้กับวัตถุที่เก่ากว่าได้ แม้ว่าจะต้องมีวิธีบางอย่างที่จะบอกได้ว่าไอโซโทปรังสีนั้นมีอยู่ในตัวอย่างเดิมมากเพียงใด การหาคู่ของคาร์บอนสามารถออกเดทกับวัตถุที่มีอายุน้อยกว่า 50,000 ปีเท่านั้น เนื่องจากหลังจากผ่านไปครึ่งชีวิตแล้ว โดยปกติแล้วจะมีคาร์บอน-14 เหลืออยู่น้อยเกินไปที่จะวัดได้อย่างแม่นยำ
ตัวอย่าง
ถ้าครึ่งชีวิตของซีบอร์เจียม-266 คือ 30 วินาที และเราเริ่มต้นด้วย 6.02 × 1023 อะตอม เราสามารถหาจำนวนที่เหลืออยู่หลังจากห้านาทีโดยใช้สมการการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี
ในการใช้สมการการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี เราใส่ 6.02 × 1023 อะตอมสำหรับนู๋0, 300 วินาทีสำหรับtและ 30 วินาทีสำหรับt1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
ถ้าเรามีเพียงจำนวนเริ่มต้นของอะตอม จำนวนอะตอมสุดท้าย และครึ่งชีวิตล่ะ (นี่คือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์มีเมื่อใช้การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีจนถึงฟอสซิลและสิ่งประดิษฐ์โบราณ) หากตัวอย่างพลูโทเนียม -238 เริ่มต้นด้วย 6.02 × 1023 อะตอม และตอนนี้มี 2.11 × 1015 อะตอม เวลาผ่านไปเท่าใด เมื่อครึ่งชีวิตของพลูโทเนียม-238 เท่ากับ 87.7 ปี?
สมการที่เราต้องแก้คือ
2.11\ครั้ง 10^{15}=(6.02\times 10^{23})(1/2)^{\frac{t}{87.7}}
และเราต้องแก้มันเพื่อt.
หารทั้งสองข้างด้วย 6.02 × 1023, เราได้รับ:
3.50\คูณ 10^{-9}=(1/2)^{\frac{t}{87.7}}
จากนั้นเราสามารถเอาล็อกของทั้งสองฝ่ายและใช้กฎของเลขชี้กำลังในฟังก์ชันบันทึกเพื่อรับ:
-19.47 = (t/87.7)บันทึก (1/2)
เราสามารถแก้สมการพีชคณิตเพื่อให้ได้ t = 2463.43 ปี
