Искам да знам всичко

Радиоактивен разпад

Pin
Send
Share
Send


Радиоактивният разпад води до намаляване на сумираната маса на покой, която се превръща в енергия (The дезинтеграционна енергия) според формулата , Тази енергия се освобождава като кинетична енергия на излъчваните частици. Енергията остава свързана с мярка на масата на инвариантната маса на разлагащата се система, доколкото кинетичната енергия на отделените частици допринася и за общата инвариантна маса на системите. По този начин сумата от покойните маси на частиците не се запазва при разпад, а система маса или системна инвариантна маса (както и общата енергия на системата) се запазва.

Радиоактивни серии

При обикновен, едноетапен радиоактивен разпад, новото ядро, което се появява, е стабилно. С-14, подложен на бета-разпад до N-14, и К-40, подложени на улавяне на електрон до Ar-40, са примери.

От друга страна, дъщерният нуклид на събитие на разпад може да бъде нестабилен, понякога дори по-нестабилен от родителя. Ако случаят е такъв, той ще продължи да гние. Поредица от няколко събития на разпад, произвеждаща в крайна сметка стабилен нуклид, е a гниене верига, Ултрачистият уран, например, едва ли е радиоактивен. След няколко седмици обаче нестабилните дъщерни дъщерни се натрупват - като радий - и тяхната радиоактивност става забележима.

От често срещаните форми на радиоактивен разпад, единствената, която променя броя на агрегираните протони и неутрони (нуклоните) съдържащо се в ядрото е алфа емисия, която го намалява с четири. По този начин броят на нуклоните по модул 4 се запазва по всяка верига на разпад. Това води до четирите серии радиоактивни гниения с атомни тегла 4n + 0, 4n + 1, 4n + 2 и 4n + 3.

При разпадане на алфа атомното тегло намалява с 4, а атомното число намалява с 2. При бета разпад атомното тегло остава същото, а атомното число се увеличава с 1. При разпад на гама едновременно атомното тегло и числото остават един и същ. Разклонен път възниква, когато има алтернативни маршрути до една и съща стабилна дестинация. Единият клон обикновено е силно предпочитан от другия.

Това са четирите радиоактивни серии на гниене.1

Серия Уран-235 (4n + 3)

Серия Торий-232 (4n + 0)

Серия Уран-238 (4n + 2)

Серия Neptunium-237 (4n + 1)

Понастоящем членовете на тази поредица не се срещат в природата, тъй като полуживотът на най-дълго живелия изотоп в серията е кратък в сравнение с възрастта на земята.

Явление

Според широко приетата теория за Големия взрив, Вселената започва като смес от водород-1 (75 процента) и хелий-4 (25 процента) само със следи от други леки атоми. Всички останали елементи, включително радиоактивните, са генерирани по-късно по време на термоядреното изгаряне на звезди - сливането на по-леките елементи в по-тежките. Стабилните изотопи на най-леките пет елемента (H, He и следи от Li, Be и B) са получени много скоро след появата на Вселената, в процес, наречен нуклеосинтеза на Големия взрив. Тези най-леки стабилни нуклиди (включително деутерий) оцеляват и до днес, но всички радиоактивни изотопи на леките елементи, произведени в Големия взрив (като тритий), отдавна са разпаднали. Изотопите на елементи, по-тежки от бора, изобщо не са произведени в Големия взрив и тези първи пет елемента нямат никакви дълготрайни радиоизотопи. Следователно, всички радиоактивни ядра са относително млади по отношение на раждането на Вселената, образувайки се по-късно в различни други видове нуклеосинтеза в звезди (в частност, свръхнови), а също и по време на непрекъснати взаимодействия между стабилни изотопи и енергийни частици. Например, въглерод-14, радиоактивен нуклид с период на полуразпад само 5 730 години, се произвежда постоянно в горната атмосфера на Земята поради взаимодействието между космическите лъчи и азота.

Приложения

Радиоактивните материали и техните продукти на разпад - алфа-частици (2 протона плюс 2 неутрона), бета-частици (електрони или позитрони), гама-лъчение и дъщерните изотопи - са поставени в услуга на човечеството по много начини. В същото време високите дози радиация от радиоактивни материали могат да бъдат токсични, освен ако не се прилагат с медицинска точност и контрол. Такива експозиции са малко вероятни, с изключение на вероятните случаи на детонация на ядрено оръжие или авария или атака върху ядрено съоръжение.

В медицината някои радиоактивни изотопи, като желязо-59 и йод-131, могат да се използват директно в тялото, тъй като изотопите са химически същите като стабилното желязо и йода съответно. Желязо-59, което постоянно оповестява местоположението си чрез излъчване на бета-разпадащи се електрони, лесно се включва в кръвните клетки и по този начин служи като помощно средство за изследване на дефицита на желязо - хранителен дефицит, засягащ над 2 милиарда души в световен мащаб. Желязо-59 е важен инструмент в усилията да се разберат многото фактори, влияещи върху способността на човек да метаболизира желязо в диетата, така че да стане част от кръвта. Йод-131, прилаган в кръвта на хора, страдащи от хипертиреоидизъм или рак на щитовидната жлеза, се концентрира в щитовидната жлеза, където гама-лъчението, излъчвано от йода-131, убива много от клетките на щитовидната жлеза. Хипертиреоидизмът при котки се лекува ефективно с една доза йод-131.

Радиоактивните изотопи, чиято химическа природа не позволява те да бъдат лесно включени в тялото, се доставят в целеви зони, като ги прикрепят към определена молекула, която има тенденция да се концентрира в определено телесно място - точно както йодът естествено се концентрира в щитовидната жлеза. За изучаване на активността в мозъка радиоактивният изотоп флуор-18 обикновено е свързан към аналог на захарната глюкоза, която има тенденция да се концентрира в активните участъци на мозъка в рамките на кратко време след инжектиране на молекулата в кръвта. Флуор-18 се разпада, като освобождава позитрон, чийто живот скоро приключва, тъй като се среща с електрон и двата анихилат, произвеждащи гама-лъчение, което лесно се открива чрез технологията Positron Emission Tomography (PET). Подобни техники на радиоизотопно маркиране са използвани за проследяване на преминаването на различни химически вещества през сложни системи, особено живи организми.

Три източника на радиация са излъчвани като източник на радиация. Technetium-99m, метастабилна форма с период на полуразпад 6 часа, излъчва относително нискочестотна гама радиация, която лесно се открива. Той е широко използван за образни и функционални изследвания на мозъка, миокарда, щитовидната жлеза, белите дробове, черния дроб, жлъчния мехур, бъбреците, скелета, кръвта и туморите. Гама-лъчението от кобалт-60 се използва за стерилизиране на медицинско оборудване, лечение на рак, пастьоризиране на определени храни и подправки, измерване на дебелината на стоманата, докато се произвежда, и мониторинг на заварки. Цезий-137 се използва като източник на гама радиация за лечение на рак, измерване на плътността на почвата на строителни площадки, наблюдение на пълненето на пакети от храни и фармацевтични продукти, наблюдение на потока на течностите в производствените инсталации и проучване на скални слоеве в нефтени кладенци.

Americanium-241, който се разлага чрез излъчване на алфа-частици и ниско енергийно гама-лъчение, обикновено се използва в детектори за дим, тъй като алфа-частиците йонизират въздуха в камера, позволяваща на малък ток да тече. Димните частици, влизащи в камерата, активират детектора, като абсорбират алфа частици, без да се йонизират, като по този начин намаляват тока.

Предполагайки, че радиоактивният разпад е наистина случаен (а не просто хаотичен), той е използван в хардуерни генератори на произволни числа. Тъй като не се смята, че процесът значително се различава по механизма във времето, той е и ценен инструмент за оценка на абсолютните възрасти на определени материали. За геоложки материали радиоизотопите (родителите) и някои от продуктите им на разпад (дъщери) се затварят, когато скалата се втвърди, и след това могат да бъдат използвани по-късно за оценка на датата на втвърдяването (при наличието на такива несигурности като възможния брой дъщерни елементи присъстващи по време на втвърдяването и възможния брой родителски или дъщерни атоми, добавени или отстранени във времето).

За датиране на органични вещества се използва радиоактивен въглерод-14, тъй като атмосферата съдържа малък процент въглерод-14, заедно с преобладаването на стабилни въглерод 12 и 13. Живите растения включват същото съотношение между въглерод-14 и въглерод-12 в тъканите си и животните, които се хранят с растенията, имат подобно съотношение в тъканите си. След като организмите умират, техният въглерод-14 се разпада до азот с определена скорост, докато съдържанието на въглерод-12 остава постоянно. По принцип измерването на съотношението въглерод-14 към въглерод-12 в мъртвия организъм дава индикация за това колко дълго е умрял организмът. Този метод на датиране е ограничен от времето на полуразпад от въглерод-1430 до 57 000 години до максимум от 50 000 до 60 000 години. Точността на датирането на въглерод е поставена под въпрос преди всичко, тъй като концентрацията на въглерод-14 в атмосферата варира във времето и някои растения имат способността да изключват въглерод-14 от приема им.

Радиоактивен процент на гниене

Най- степен на гниене, или дейност, на радиоактивно вещество се характеризират с:

постоянен количества:

  • половин живот-символ -времето на половината от веществото да се разпадне.
  • среден живот-символ - средният живот на всяка частица.
  • разпад константа-символ -обратна на средната продължителност на живота.
(Обърнете внимание, че въпреки че това са константи, те са свързани със статистически случайно поведение на веществата и прогнозите, използващи тези константи, са по-малко точни за малък брой атоми.)

Време за променлив количества:

  • Обща активност-symbol -брой разпадания, които обектът претърпява в секунда.
  • Брой на частиците-symbol - общият брой частици в пробата.
  • Специфична дейност-symbol -брой разпад в секунда на количество вещество. The "количество вещество"може да бъде единица с маса или обем.

Те са свързани както следва:

където
е първоначалното количество активно вещество-вещество, което има същия процент на нестабилни частици, както при образуването на веществото.

Измервания на активността

Единиците, в които се измерват дейностите, са: Becquerel (символ Bq) = брой дезинтеграции в секунда; кюри (Ci) = 3,7 × 1010 дезинтеграции в секунда. Ниските дейности също се измерват в дезинтеграции в минута (DPM).

Време на затихване

Както беше обсъдено по-горе, разпадът на нестабилно ядро ​​е напълно случаен и е невъзможно да се предвиди кога определен атом ще се разпадне. Въпреки това е еднакво вероятно да се разпадне по всяко време. Следователно, като се има предвид извадка от определен радиоизотоп, броят на събитията на гниене -DN очаква се да се появят в малък интервал от време DT е пропорционален на броя на присъстващите атоми. ако N е броят на атомите, тогава вероятността от разпад (- DN/N) е пропорционална на DT:

Конкретните радионуклиди се разпадат с различна скорост, като всеки има своя собствена константа на разпад (λ). Отрицателният знак показва, че N намалява с всяко събитие на гниене. Решението на това диференциално уравнение от първи ред е следната функция:

Тази функция представлява експоненциален разпад. Това е само приблизително решение по две причини. Първо, експоненциалната функция е непрекъсната, но физическото количество N може да приема само отрицателни цели числа. Второ, тъй като описва случаен процес, той е само статистически верен. В повечето случаи обаче, N е много голям брой и функцията е добро приближение.

В допълнение към константата на разпад, радиоактивният разпад понякога се характеризира със средния живот. Всеки атом "живее" за ограничен период от време, преди да се разпадне, а средният живот е средноаритметичната стойност на всички времена на живот на атомите. Представена е от символа , и е свързана с константата на разпад, както следва:

По-често използван параметър е полуживотът. Като се има предвид проба от определен радионуклид, полуживотът е времето, необходимо за разпадането на половината атоми на радионуклида. Полуживотът е свързан с константата на разпад, както следва:

Тази връзка между периода на полуразпад и константата на разпад показва, че силно радиоактивните вещества бързо се изразходват, докато тези, които излъчват слабо, издържат по-дълго. Полуживотът на известни радионуклиди варира в широки граници, от повече от 1019 години (като например за почти почти стабилни нуклиди, например, 209Bi), до 10-23 секунди за силно нестабилни.

Бележки

  1. ↑ Хипер физика, серия радиоактивен разпад. Получено на 19 март 2008 г.

Препратки

  • Крейн, Кенет С. и Дейвид Халидей. Уводна ядрена физика. Ню Йорк: Уайли. 1988. ISBN 047180553X.
  • Мартин, Брайън. Ядрена физика и физика на частиците: Въведение, Hoboken, NJ: Wiley, 2006. ISBN 0470025328.
  • Поенару, Д. Н. Режими на ядрен разпад. Филаделфия: Институт по физика, 1996. ISBN 0750303387.
  • Солинг, Джеймс. Управление на радиоактивни отпадъци, Ню Йорк: Тейлър и Франсис, 2001. ISBN 1560328428.
  • Seiden, Авраам. Физика на частиците: всеобхватно въведение, Сан Франциско, Калифорния: Аддисън Уесли, 2004. ISBN 0805387366.
  • Типлер, Пол и Ралф Левелин. Съвременна физика, 4-то изд. Ню Йорк: W.H. Фрийман, 2002. ISBN 0716743450.
  • Търнър, Джеймс Е. Атоми, радиация и радиационна защита, 2-ро изд. Ню Йорк: Wiley, 1995. ISBN 0471595810.

Външни връзки

Всички връзки са изтеглени на 17 юни 2020 г.

  • Номенклатура на ядрената химия.
  • Разпад и полуживот.

Гледай видеото: Exponential decay and semi-log plots. Nuclear chemistry. Chemistry. Khan Academy (Ноември 2020).

Pin
Send
Share
Send