Σχέση μεταξύ ραδιενεργού αποσύνθεσης και ημιζωής
Υπάρχουν ορισμένα φυσικά ισότοπα που είναι ασταθή λόγω του μη ισορροπημένου αριθμού πρωτονίων και νετρονίων που έχουν στον πυρήνα των ατόμων τους. Επομένως, για να γίνουν σταθερά, αυτά τα ισότοπα υφίστανται μια αυθόρμητη διαδικασία που ονομάζεται ραδιενεργή διάσπαση. Η ραδιενεργή διάσπαση προκαλεί τη μετατροπή ενός ισότοπου ενός συγκεκριμένου στοιχείου σε ισότοπο ενός διαφορετικού στοιχείου. Ωστόσο, το τελικό προϊόν της ραδιενεργής διάσπασης είναι πάντα σταθερό από το αρχικό ισότοπο. Η ραδιενεργή διάσπαση μιας συγκεκριμένης ουσίας μετριέται με έναν ειδικό όρο που είναι γνωστός ως ημιζωή. Ο χρόνος που χρειάζεται μια ουσία για να γίνει το ήμισυ της αρχικής της μάζας μέσω ραδιενεργής διάσπασης μετράται ως η ημιζωή αυτής της ουσίας. Αυτή είναι η σχέση μεταξύ της ραδιενεργής διάσπασης και της ημιζωής.
Βασικές περιοχές που καλύπτονται
1. Τι είναι η Ραδιενεργή Αποσύνθεση
– Ορισμός, Μηχανισμοί, Παραδείγματα
2. Τι είναι το Half Life
– Ορισμός, Εξήγηση με Παραδείγματα
3. Ποια είναι η σχέση μεταξύ ραδιενεργού αποσύνθεσης και ημιζωής
– Ραδιενεργή αποσύνθεση και ημιζωή
Βασικοί όροι:ημιζωή, ισότοπα, νετρόνια, πρωτόνια, ραδιενεργή διάσπαση
Τι είναι η Ραδιενεργή Διάσπαση
Η ραδιενεργή διάσπαση είναι η διαδικασία κατά την οποία ασταθή ισότοπα υφίστανται διάσπαση μέσω εκπομπής ακτινοβολίας. Τα ασταθή ισότοπα είναι άτομα που έχουν ασταθείς πυρήνες. Ένα άτομο μπορεί να γίνει ασταθές λόγω πολλών λόγων όπως η παρουσία μεγάλου αριθμού πρωτονίων στους πυρήνες ή μεγάλου αριθμού νετρονίων στους πυρήνες. Αυτοί οι πυρήνες υφίστανται ραδιενεργό διάσπαση προκειμένου να γίνουν σταθεροί.
Αν υπάρχουν πάρα πολλά πρωτόνια και πάρα πολλά νετρόνια, τα άτομα είναι βαριά. Αυτά τα βαριά άτομα είναι ασταθή. Επομένως, αυτά τα άτομα μπορούν να υποστούν ραδιενεργό διάσπαση. Άλλα άτομα μπορούν επίσης να υποστούν ραδιενεργό διάσπαση σύμφωνα με την αναλογία νετρονίων:πρωτονίων. Εάν αυτή η αναλογία είναι πολύ υψηλή, είναι πλούσια σε νετρόνια και είναι ασταθής. Εάν η αναλογία είναι πολύ χαμηλή, τότε είναι άτομο πλούσιο σε πρωτόνια και είναι ασταθές. Η ραδιενεργή αποσύνθεση των ουσιών μπορεί να συμβεί με τρεις κύριους τρόπους.
- Εκπομπή/Αποσύνθεση Άλφα
- Εκπομπή Βήτα/Αποσύνθεση
- Εκπομπή γάμμα/Αποσύνθεση
Εκπομπή Άλφα
Ένα σωματίδιο άλφα είναι πανομοιότυπο με ένα άτομο ηλίου. Αποτελείται από 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια. Το σωματίδιο άλφα φέρει ηλεκτρικό φορτίο +2 επειδή δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια που να εξουδετερώνουν τα θετικά φορτία 2 πρωτονίων. Η διάσπαση άλφα προκαλεί τα ισότοπα να χάνουν 2 πρωτόνια και 2 νετρόνια. Ως εκ τούτου, ο ατομικός αριθμός ενός ραδιενεργού ισοτόπου μειώνεται κατά 2 μονάδες και η ατομική μάζα από 4 μονάδες. Τα βαριά στοιχεία όπως το ουράνιο μπορούν να υποστούν εκπομπή άλφα.
Εκπομπή Beta
Στη διαδικασία της εκπομπής βήτα (β), εκπέμπεται ένα σωματίδιο βήτα. Σύμφωνα με το ηλεκτρικό φορτίο του σωματιδίου βήτα, μπορεί να είναι είτε ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο βήτα είτε ένα αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο βήτα. Αν είναι β εκπομπή, τότε το εκπεμπόμενο σωματίδιο είναι ένα ηλεκτρόνιο. Αν είναι β+ εκπομπή, τότε το σωματίδιο είναι ποζιτρόνιο. Το ποζιτρόνιο είναι ένα σωματίδιο που έχει τις ίδιες ιδιότητες με ένα ηλεκτρόνιο εκτός από το φορτίο του. Το φορτίο του ποζιτρονίου είναι θετικό ενώ το φορτίο του ηλεκτρονίου είναι αρνητικό. Στην εκπομπή βήτα, ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο (ή ποζιτρόνιο). Επομένως, η ατομική μάζα δεν θα αλλάξει, αλλά ο ατομικός αριθμός αυξάνεται κατά μία μονάδα.
Εκπομπή γάμμα
Η ακτινοβολία γάμμα δεν είναι σωματιδιακή. Επομένως, οι εκπομπές γάμμα δεν αλλάζουν ούτε τον ατομικό αριθμό ούτε την ατομική μάζα ενός ατόμου. Η ακτινοβολία γάμμα αποτελείται από φωτόνια. Αυτά τα φωτόνια μεταφέρουν μόνο ενέργεια. Επομένως, η εκπομπή γάμμα αναγκάζει τα ισότοπα να απελευθερώσουν την ενέργειά τους.
Εικόνα 1:Ραδιενεργή διάσπαση του ουρανίου-235
Το ουράνιο-235 είναι ένα ραδιενεργό στοιχείο που βρίσκεται φυσικά. Μπορεί να υποστεί και τους τρεις τύπους ραδιενεργής αποσύνθεσης σε διαφορετικές συνθήκες.
Τι είναι η Half Life
Η ημιζωή μιας ουσίας είναι ο χρόνος που χρειάζεται αυτή η ουσία για να γίνει το ήμισυ της αρχικής μάζας ή συγκέντρωσής της μέσω ραδιενεργής διάσπασης. Σε αυτόν τον όρο δίνεται το σύμβολο t1/2 . Ο όρος ημιζωή χρησιμοποιείται επειδή δεν είναι δυνατό να προβλεφθεί πότε ένα μεμονωμένο άτομο μπορεί να διασπαστεί. Ωστόσο, είναι δυνατό να μετρηθεί ο χρόνος που απαιτείται στο ήμισυ των πυρήνων ενός ραδιενεργού στοιχείου.
Η ημιζωή μπορεί να μετρηθεί είτε ως προς τον αριθμό των πυρήνων είτε τη συγκέντρωση. Διαφορετικά ισότοπα έχουν διαφορετική ημιζωή. Επομένως, μετρώντας τον χρόνο ημιζωής, μπορούμε να προβλέψουμε την παρουσία ή την απουσία ενός συγκεκριμένου ισοτόπου. Ο χρόνος ημιζωής είναι ανεξάρτητος από τη φυσική κατάσταση της ουσίας, τη θερμοκρασία, την πίεση ή οποιαδήποτε άλλη εξωτερική επίδραση.
Ο χρόνος ημιζωής μιας ουσίας μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας την ακόλουθη εξίσωση.
ln (Nt / No ) = kt
όπου,
Nt είναι η μάζα της ουσίας μετά από t χρόνο
Νo είναι η αρχική μάζα της ουσίας
Κ είναι η σταθερά αποσύνθεσης
t είναι ο χρόνος που εξετάζεται
Εικόνα 02:Μια καμπύλη από
Ραδιενεργή αποσύνθεση
Η παραπάνω εικόνα δείχνει μια καμπύλη ραδιενεργής διάσπασης για μια ουσία. Ο χρόνος μετριέται σε χρόνια. Σύμφωνα με αυτό το γράφημα, ο χρόνος που χρειάζεται η ουσία για να γίνει 50% από την αρχική μάζα (100%) είναι ένα έτος. Το 100% γίνεται 25% (το ένα τέταρτο της αρχικής μάζας) μετά από δύο χρόνια. Επομένως, ο χρόνος ημιζωής αυτής της ουσίας είναι ένα έτος.
25%
(1 μισή ζωή) (2 μισή ζωή) (3 μισή ζωή)
Το παραπάνω γράφημα συνοψίζει τις λεπτομέρειες που δίνονται από το γράφημα.
Σχέση μεταξύ ραδιενεργού αποσύνθεσης και μισής ζωής
Υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της ραδιενεργής διάσπασης και της ημιζωής μιας ραδιενεργής ουσίας. Ο ρυθμός ραδιενεργής διάσπασης μετράται σε ισοδύναμα ημιζωής. Από την παραπάνω εξίσωση, μπορούμε να εξαγάγουμε μια άλλη σημαντική εξίσωση για τον υπολογισμό του ρυθμού ραδιενεργής διάσπασης.
ln(Nt / No ) = kt
αφού η μάζα (ή ο αριθμός των πυρήνων) είναι το ήμισυ της αρχικής της τιμής μετά από μια ημιζωή,
Nt =No /2
Στη συνέχεια,
ln({No /2}/ No ) = kt1/2
ln({1/2}/ 1) = kt1/2
ln(2) = kt1/2
Ως εκ τούτου,
t1/2 = ln2 / k
Η τιμή του ln2 είναι 0,693. Στη συνέχεια,
t1/2 = 0,693 / k
Εδώ, t1/2 είναι ο χρόνος ημιζωής μιας ουσίας και k είναι η σταθερά της ραδιενεργής διάσπασης. Η παραπάνω έκφραση λέει ότι οι ουσίες υψηλής ραδιενέργειας δαπανώνται γρήγορα και οι ασθενώς ραδιενεργές ουσίες χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να διασπαστούν πλήρως. Επομένως, ο μεγάλος χρόνος ημιζωής υποδηλώνει γρήγορη ραδιενεργή αποσύνθεση ενώ ο μικρός χρόνος ημιζωής δείχνει μια αργή ραδιενεργή ημέρα. Ο χρόνος ημιζωής ορισμένων ουσιών δεν μπορεί να προσδιοριστεί καθώς μπορεί να χρειαστούν εκατομμύρια χρόνια για να υποστούν ραδιενεργό διάσπαση.
Συμπέρασμα
Η ραδιενεργή διάσπαση είναι η διαδικασία κατά την οποία ασταθή ισότοπα υφίστανται διάσπαση μέσω εκπομπής ακτινοβολίας. Υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της ραδιενεργής διάσπασης μιας ουσίας και της ημιζωής μιας και ο ρυθμός της ραδιενεργής διάσπασης μετριέται με τα ισοδύναμα της ημιζωής.
