Ορισμός ημιζωής

Ορισμένα ισότοπα είναι ραδιενεργά και διασπώνται από συγκεκριμένο τύπο εκπομπής, ενώ άλλα είναι σταθερά επ' αόριστον. Η ποσότητα της ραδιενέργειας μειώνεται όσο περνά ο χρόνος επειδή υπάρχει όλο και λιγότερο ραδιενεργό ισότοπο.

Ο χρόνος ημιζωής είναι μια συναρπαστική και χρήσιμη πτυχή της ραδιενεργής διάσπασης. Σε αυτές τις σημειώσεις ορισμού του χρόνου ημιζωής, θα μάθουμε την έννοια του ορισμού του χρόνου ημιζωής και πώς να υπολογίσουμε την ποσότητα της ραδιενεργής ουσίας που απομένει μετά από έναν ορισμένο αριθμό ημιζωών.

Ορισμός ημιζωής

Ο χρόνος ημιζωής μιας χημικής αντίδρασης είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει η συγκέντρωση ενός συγκεκριμένου αντιδραστηρίου στο 50% της αρχικής του συγκέντρωσης (δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει η συγκέντρωση του αντιδραστηρίου στο μισό της αρχικής του τιμής). Συνήθως αντιπροσωπεύεται σε δευτερόλεπτα και συμβολίζεται με το σύμβολο «t1/2». Ο χρόνος ημιζωής ενός ραδιενεργού ισοτόπου είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστεί το μισό του ισοτόπου. Ο χρόνος ημιζωής ενός ραδιενεργού ισοτόπου είναι σταθερός. δεν επηρεάζεται από τις συνθήκες και δεν μεταβάλλεται από την αρχική ποσότητα αυτού του ισοτόπου.

Η φράση χρησιμοποιείται επίσης για να περιγράψει οποιαδήποτε μορφή εκθετικής ή μη εκθετικής αποσύνθεσης γενικά. Ο βιολογικός χρόνος ημιζωής των φαρμάκων και άλλων ενώσεων στο ανθρώπινο σώμα, για παράδειγμα, συζητείται στην ιατρική έρευνα. Ο διπλασιασμός του χρόνου είναι το αντίστροφο του χρόνου ημιζωής.

Εξετάστε την παρακάτω εικόνα. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε 100,0 g 3H. (τρίτιο, ένα ραδιενεργό ισότοπο του υδρογόνου). Έχει χρόνο ημιζωής 12,3 ετών. Το μισό δείγμα θα έχει διασπαστεί σε 3He παράγοντας ένα σωματίδιο βήτα μετά από 12,3 χρόνια, αφήνοντας μόνο 50,0 g του αρχικού 3Η. Ένα άλλο μισό από τα υπόλοιπα 3Η θα διασπαστεί μετά από άλλα 12,3 χρόνια, για συνολικά 24,6 χρόνια, αφήνοντας 25,0 g 3Η. Ένα άλλο μισό από τα υπόλοιπα 3Η θα διασπαστεί μετά από άλλα 12,3 χρόνια, για συνολικά 36,9 χρόνια, αφήνοντας 12,5 g 3Η. Για να κατανοήσουμε πώς συμβαίνει η ραδιενεργή διάσπαση, ας πραγματοποιήσουμε ένα πείραμα με μια μεγάλη ομάδα ανθρώπων, επειδή η στατιστική ανάλυση θα δώσει ένα εύλογα προφανές αποτέλεσμα.

Σκεφτείτε το ακόλουθο σενάριο:Σχεδόν 1000 άτομα συγκεντρώνονται σε μια αίθουσα, και σε καθένα δίνεται ένα νόμισμα. Το νόμισμα θα αντιπροσώπευε την ικανότητα διάσπασης και κάθε άτομο θα αντιπροσώπευε ένα ραδιενεργό άτομο. Μπορεί να ζητηθεί από τα άτομα να πετάξουν τα χρήματά τους μία φορά κάθε λεπτό. Εάν το αποτέλεσμα της εκτίναξης είναι κεφάλια, μπορεί να ζητηθεί από το άτομο να φύγει από το δωμάτιο (υποδηλώνει αποσύνθεση του ατόμου), αλλά εάν το αποτέλεσμα είναι ουρές, δεν χρειάζεται να κάνετε τίποτα, αλλά να περιμένετε ένα λεπτό για άλλη μια προσπάθεια εκτίναξης.

Ο τύπος του χρόνου ημιζωής

Όπως συζητήσαμε σε αυτές τις σημειώσεις ορισμού ημιζωής, ο χρόνος ημιζωής είναι το χρονικό διάστημα που χρειάζεται για να διασπαστεί το μισό του ισοτόπου. Τώρα, ας δούμε τον τύπο του χρόνου ημιζωής. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο τύπος για τον χρόνο ημιζωής μιας αντίδρασης ποικίλλει ανάλογα με τη σειρά της αντίδρασης. Ο χρόνος ημιζωής μιας αντίδρασης μηδενικής τάξης μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον μαθηματικό υπολογισμό:

t1/2 =[R]0/2k

Ο χρόνος ημιζωής μιας αντίδρασης πρώτης τάξης υπολογίζεται ως εξής:

t1/2 =0,693/k.

Ο χρόνος ημιζωής μιας αντίδρασης δεύτερης τάξης υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο:

1/k[R]0.

Όπου, ο χρόνος ημιζωής της αντίδρασης είναι t1/2 

Η αρχική συγκέντρωση αντιδραστηρίου είναι [R0] (mol.L-1 ή M)

Η σταθερά ταχύτητας της αντίδρασης είναι k.

Σημαντικές σημειώσεις για τον ορισμό του χρόνου ημιζωής

Σύμφωνα με τον ορισμό της έννοιας του χρόνου ημιζωής, πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι ο χρόνος ημιζωής ενός ραδιενεργού στοιχείου σημαίνει το χρονικό διάστημα που είναι ραδιενεργό. Στην πραγματικότητα, είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστεί το μισό στοιχείο ραδιενεργά, όχι όλο. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, το θυγατρικό στοιχείο είναι επίσης ραδιενεργό. Επομένως, η ραδιενέργεια του πρέπει να λαμβάνεται υπόψη.

Ένας ανιχνευτής καπνού τύπου ιονισμού (που εξηγείται στο εισαγωγικό άρθρο) έχει εκτιμώμενη διάρκεια λειτουργίας 10 ετών. Σε αυτό το διάστημα, το americium-241, το οποίο έχει χρόνο ημιζωής περίπου 432 χρόνια, χάνει λιγότερο από το 4 τοις εκατό της ραδιενέργειας του.

Ένας χρόνος ημιζωής 432 ετών μπορεί να μας φαίνεται μεγάλος, ωστόσο δεν είναι πολύ μεγάλος όσον αφορά τους χρόνους ημιζωής. Το πιο διαδεδομένο ισότοπο ουρανίου, το ουράνιο-238, έχει χρόνο ημιζωής 4,5x109 έτη, ενώ το θόριο-232 έχει χρόνο ημιζωής 14×109 έτη. Ορισμένοι πυρήνες, από την άλλη πλευρά, έχουν εξαιρετικά σύντομο χρόνο ημιζωής, γεγονός που δημιουργεί δυσκολίες για τους επιστήμονες που τους μελετούν. Το μακροβιότερο ισότοπο του Lawrencium, το 262Lr, έχει χρόνο ημιζωής 3,6 ώρες, ενώ το ισότοπο με τη μικρότερη διάρκεια ζωής του, το 252Lr, έχει χρόνο ημιζωής 0,36 δευτερόλεπτα. Το μεγαλύτερο άτομο που ανακαλύφθηκε ποτέ έχει ατομικό αριθμό 118, μάζα 293 και χρόνο ημιζωής 120 νανοδευτερόλεπτα.

Οι χρόνοι ημιζωής ορισμένων ασταθών ατομικών πυρήνων και ο τρόπος με τον οποίο διασπώνται είναι χαρακτηριστικά. Οι διαδικασίες της διάσπασης άλφα και βήτα είναι γενικά πιο αργές από τη διάσπαση γάμμα. Η διάσπαση βήτα έχει χρόνο ημιζωής έως και το ένα εκατοστό του δευτερολέπτου, ενώ η διάσπαση άλφα έχει ημιζωές έως και ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Αν και έχει παρατηρηθεί ένα ευρύ φάσμα ημιζωών για την εκπομπή γάμμα, οι ημιζωές διάσπασης γάμμα μπορεί να είναι πολύ σύντομοι για να μετρηθούν (περίπου 10-14 δευτερόλεπτα).

Συμπέρασμα

Ο χρόνος ημιζωής είναι μια σημαντική έννοια στη ραδιενεργή διάσπαση. Ο χρόνος ημιζωής μιας χημικής αντίδρασης είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει η συγκέντρωση ενός συγκεκριμένου αντιδραστηρίου στο 50% της αρχικής του συγκέντρωσης. Αν και πολλοί άνθρωποι πιστεύουν λανθασμένα ότι ο χρόνος ημιζωής ενός ραδιενεργού στοιχείου είναι ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστεί ραδιενεργά το μισό στοιχείο, είναι πραγματικά ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστεί το μισό στοιχείο ραδιενεργά, όχι ολόκληρο το στοιχείο. Έτσι, σε αυτές τις σημειώσεις ορισμού ημιζωής, μελετήσαμε την έννοια του ορισμού και του τύπου του χρόνου ημιζωής.