Aš noriu viską žinoti

Radioaktyvusis skilimas

Pin
Send
Share
Send


Dėl radioaktyvaus skilimo sumažėja suminė poilsio masė, kuri paverčiama energija ( dezintegracijos energija) pagal formulę . Ši energija išsiskiria kaip išmetamų dalelių kinetinė energija. Energija išlieka susijusi su skilimo sistemos nekintamos masės masės matavimu, nes išmetamų dalelių kinetinė energija taip pat prisideda prie visos nekintamos sistemų masės. Taigi dalelių poilsio masių suma nėra išsaugoma skilimo metu, bet sistema išsaugoma masė arba sistemos nekintama masė (kaip ir visos sistemos energija).

Radioaktyviosios serijos

Atliekant paprastą, vieno žingsnio radioaktyvųjį skilimą, naujasis branduolys yra stabilus. Pavyzdžiai yra C-14, kuriam vyksta beta skilimas iki N-14, ir K-40, kuriam elektronai fiksuojami iki Ar-40.

Kita vertus, skilimo įvykio dukterinis nuklidas gali būti nestabilus, kartais net nestabilus nei tėvų. Jei taip yra, tai vėl ims nykti. Kelių skilimo įvykių seka, galiausiai sukurianti stabilų nuklidą, yra a skilimo grandinė. Pavyzdžiui, ypač grynas uranas beveik nėra radioaktyvus. Tačiau po kelių savaičių kaupiasi nestabilūs dukteriniai nukleidai, tokie kaip radis, ir pastebimas jų radioaktyvumas.

Iš dažniausiai pasitaikančių radioaktyviojo skilimo formų vienintelė, keičianti agreguotų protonų ir neutronų skaičių (nukleonai) branduolyje yra alfa emisija, kuri sumažina ją keturiomis. Taigi, modulo 4 nukleonų skaičius yra išsaugomas bet kurioje skilimo grandinėje. Tai veda prie keturių radioaktyvaus skilimo sekų, kurių atominiai svoriai yra 4n + 0, 4n + 1, 4n + 2 ir 4n + 3.

Alfa skilimo metu atomo svoris sumažėja 4 ir atomų skaičius sumažėja 2. Beta, skilimo metu atomo svoris išlieka tas pats, o atomo skaičius padidėja 1. Gama skilimo metu tiek atomo svoris, tiek skaičius išlieka. tas pats. Šakojimo kelias atsiranda tada, kai yra keli maršrutai į tą pačią stabilią vietą. Viena šaka paprastai yra labai palanki už kitą.

Tai yra keturios radioaktyvaus skilimo serijos.1

Urano-235 serija (4n + 3)

Torio-232 serija (4n + 0)

Urano-238 serija (4n + 2)

„Neptunium-237“ serija (4n + 1)

Šios serijos narių gamtoje šiuo metu nėra, nes ilgiausiai serijoje gyvenančio izotopo pusinės eliminacijos laikas yra trumpas, palyginti su žemės amžiumi.

Atsiradimas

Remiantis plačiai pripažinta Didžiojo sprogimo teorija, Visata prasidėjo kaip vandenilio-1 (75 proc.) Ir helio-4 (25 proc.) Mišinys, turintis tik kitų lengvųjų atomų pėdsakų. Visi kiti elementai, taip pat ir radioaktyvieji, buvo sukurti vėliau per žvaigždžių branduolinį degimą - lengvesnių elementų susiliejimas į sunkesnius. Stabilūs lengviausių penkių elementų (H, He ir Li, Be ir B pėdsakai) izotopai buvo sukurti labai greitai po Visatos atsiradimo, proceso, vadinamo Didžiojo sprogimo nukleosinteze, metu. Šie lengviausi stabilūs nuklidai (įskaitant deuterį) išgyvena iki šių dienų, tačiau visi radioaktyvieji didžiųjų sprogimų metu susidarančių šviesos elementų (tokių kaip tričio) izotopai jau seniai suyra. Didesniame nei sprogimo elementų izotopai, sunkesni už borą, iš viso nebuvo gaminami, o šie pirmieji penki elementai neturi jokių ilgalaikių radioizotopų. Taigi visi radioaktyvieji branduoliai yra palyginti jauni visatos atsiradimo atžvilgiu, vėliau susiformavę įvairių kitų rūšių žvaigždžių (ypač supernovų) branduolių sintezės metu, taip pat vykstant sąveikoms tarp stabilių izotopų ir energetinių dalelių. Pavyzdžiui, anglies-14, radioaktyviojo nuklido, kurio pusinės eliminacijos laikas yra tik 5 730 metų, viršutinėje Žemės atmosferoje nuolat susidaro dėl kosminių spindulių ir azoto sąveikos.

Programos

Radioaktyviosios medžiagos ir jų skilimo produktai - alfa dalelės (2 protonai ir 2 neutronai), beta dalelės (elektronai ar pozitronai), gama spinduliuotė ir dukteriniai izotopai - žmonijai buvo naudojami daugybe būdų. Tuo pat metu didelės radioaktyviųjų medžiagų radiacijos dozės gali būti toksiškos, nebent jos būtų taikomos tiksliai ir tiksliai su medicina. Tokios ekspozicijos yra mažai tikėtinos, išskyrus tikėtinus branduolinio ginklo detonacijos atvejus, avariją ar užpuolimą prieš branduolinį objektą.

Medicinoje kai kurie radioaktyvieji izotopai, tokie kaip geležis-59 ir jodas-131, yra tiesiogiai naudojami kūne, nes izotopai chemiškai yra tokie patys kaip stabilios geležies ir jodo. „Iron-59“, stabiliai skelbiantis savo buvimo vietą išskirdamas beta irimo elektronus, lengvai įtraukiamas į kraujo ląsteles ir yra naudojamas kaip pagalba tiriant geležies trūkumą - mitybos nepakankamumą, kenčiantį daugiau nei 2 milijardams žmonių visame pasaulyje. Geležis-59 yra svarbi priemonė bandant suprasti daugelį veiksnių, turinčių įtakos žmogaus gebėjimui metabolizuoti geležį maiste taip, kad ji taptų kraujo dalimi. Jodas-131, skiriamas kraujyje žmonėms, kenčiantiems nuo hipertiroidizmo ar skydliaukės vėžio, koncentruojasi skydliaukėje, kur jodo-131 skleidžiama gama spinduliuotė užmuša daugelį skydliaukės ląstelių. Hipertireozė katėms efektyviai išgydoma naudojant vieną jodo-131 dozę.

Radioaktyvieji izotopai, kurių cheminė prigimtis neleidžia jų lengvai įsisavinti kūne, yra pristatomi į tikslines vietas, prijungiant juos prie tam tikros molekulės, kuri linkusi susikaupti tam tikroje kūno vietoje - taip, kaip jodas natūraliai koncentruojasi skydliaukėje. Tiriant smegenų veiklą, radioaktyvus izotopas fluoras-18 paprastai pridedamas prie cukraus gliukozės analogo, kuris linkęs koncentruotis aktyviose smegenų srityse per trumpą laiką po to, kai molekulė suleidžiama į kraują. Fluoras-18 suyra išlaisvindamas pozitroną, kurio gyvenimas netrukus pasibaigia, nes jis susitinka su elektronu ir dviem sunaikinimo gama spinduliais, lengvai atpažįstamais naudojant pozitronų emisijos tomografijos (PET) technologiją. Panašūs radioizotopinio ženklinimo būdai buvo naudojami siekiant stebėti įvairių cheminių medžiagų, ypač gyvų organizmų, pasklidimą per sudėtingas sistemas.

Trys gama spinduliuojantys radioizotopai dažniausiai naudojami kaip radiacijos šaltinis. „Technetium-99m“, metastabilios formos, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 6 valandos, skleidžia gana žemo dažnio gama spinduliuotę, kuri lengvai nustatoma. Jis buvo plačiai naudojamas vaizdams ir smegenų, miokardo, skydliaukės, plaučių, kepenų, tulžies pūslės, inkstų, skeleto, kraujo ir navikų tyrimams. Kobalto-60 gama spinduliuotė naudojama medicinos įrangos sterilizavimui, vėžiui gydyti, tam tikrų maisto produktų ir prieskonių pasterizavimui, gaminamo plieno storio matavimui ir virintinių siūlių stebėjimui. Cezis-137 naudojamas kaip gama spinduliuotės šaltinis, gydant vėžį, matuojant dirvožemio tankį statybvietėse, stebint maisto produktų ir vaistų pakuočių užpildymą, stebint skysčių srautus gamybos įmonėse ir tiriant uolienų sluoksnius naftos šuliniuose.

Americanium-241, kuris suyra išskirdamas alfa daleles ir mažai energijos gama spinduliuotę, dažniausiai naudojamas dūmų detektoriuose, nes alfa dalelės jonizuoja orą kameroje, leisdamos tekėti mažai srovei. Dūmų dalelės, patenkančios į kamerą, aktyvuoja detektorių, absorbuodamos alfa daleles, jų jonizuodamos, taip sumažindamos srovę.

Remiantis prielaida, kad radioaktyvusis skilimas yra tikrai atsitiktinis (o ne vien tik chaotiškas), jis buvo naudojamas aparatūros atsitiktinių skaičių generatoriuose. Kadangi nemanoma, kad laikui bėgant procesas smarkiai skiriasi, tai taip pat yra vertinga priemonė norint įvertinti tam tikrų medžiagų absoliutų amžių. Kalbant apie geologines medžiagas, radioaktyvieji izotopai (tėvai) ir kai kurie jų skilimo produktai (dukterys) įstrigę, kai uola sukietėja, ir vėliau gali būti panaudota kietėjimo datai nustatyti (atsižvelgiant į tokius neaiškumus kaip galimas dukterinių elementų skaičius). esantys kietėjimo metu ir galimas tėvų ar dukters atomų skaičius, laikui bėgant pridėtas arba pašalintas).

Organinėms medžiagoms susieti naudojama radioaktyvioji anglis-14, nes atmosferoje yra nedidelis procentas anglies-14, o vyrauja stabilūs angliavandeniliai 12 ir 13. Gyvi augalai savo audiniuose turi tą patį anglies-14 ir anglies-12 santykį. ir augalus valgantys gyvūnai audiniuose turi panašų santykį. Organizmams mirus, jų anglis-14 tam tikru greičiu skyla į azotą, o anglies-12 kiekis išlieka pastovus. Taigi iš principo išmatuotas anglies-14 ir anglies-12 santykis negyvame organizme parodo, kiek laiko organizmas mirė. Šis pasimatymo būdas ribojamas 5730 metų anglies-14 pusinės eliminacijos periodu, bet ne daugiau kaip 50 000–60 000 metų. Dėl anglies išsidėstymo tikslumo abejojama pirmiausia todėl, kad laikui bėgant anglies-14 koncentracija atmosferoje kinta, o kai kurie augalai gali pašalinti anglį-14 iš savo suvartojimo.

Radioaktyviojo skilimo greičiai

skilimo greitis, arba veikla, radioaktyviosios medžiagos požymiai:

Pastovus kiekiai:

  • pusės gyvenimo simbolis laikas pusei medžiagos suirti.
  • reiškia viso gyvenimo simbolį - vidutinis kiekvienos dalelės gyvavimo laikas.
  • skilimo konstanta-simbolis - vidutinio gyvenimo laikotarpio atvirkštinė dalis.
(Atkreipkite dėmesį, kad nors tai yra konstantos, tačiau jos yra susijusios su statistiškai atsitiktiniu medžiagų elgesiu, o prognozės, naudojant šias konstantas, yra mažesnio tikslumo mažam atomų skaičiui.)

Laiko kintamasis kiekiai:

  • Bendra veikla-simbolis -sumažinimo skaičius objektą išgyvena per sekundę.
  • Dalelių skaičius-simbolis - bendras dalelių skaičius mėginyje.
  • Specifinė veikla-simbolis - skilimų skaičius per sekundę vienam medžiagos kiekiui. „medžiagos kiekis"gali būti masės arba tūrio vienetas.

Tai susiję taip:

kur
yra pradinis veikliosios medžiagos-medžiagos kiekis, kurio nestabilių dalelių procentas yra toks pat kaip ir tada, kai medžiaga susidarė.

Veiklos matavimai

Vienetai, kuriais matuojama veikla: Becquerel (simbolis Bq) = suirimų skaičius per sekundę; smalsumas (Ci) = 3,7 × 1010 dezintegracijos per sekundę. Žemas aktyvumas taip pat matuojamas dezintegracijų per minutę (dpm).

Negalima skirti laiko

Kaip aptarta aukščiau, nestabilaus branduolio skilimas yra visiškai atsitiktinis ir neįmanoma numatyti, kada konkretus atomas suirs. Tačiau tokia pati tikimybė bet kada suirti. Todėl, atsižvelgiant į tam tikro radioizotopo pavyzdį, skilimo atvejų skaičius -dN tikimasi įvykti per trumpą laiko tarpą dt yra proporcingas esamų atomų skaičiui. Jei N yra atomų skaičius, tada irimo tikimybė (- dN/N) yra proporcingas dt:

Konkretūs radionuklidai suyra skirtingais tempais, kiekvienas turi savo skilimo konstantą (λ). Neigiamas ženklas rodo, kad N mažėja kiekvienu skilimo įvykiu. Šios pirmosios eilės diferencialinės lygties sprendimas yra ši funkcija:

Ši funkcija žymi eksponentinį skilimą. Tai tik apytikslis sprendimas dėl dviejų priežasčių. Pirma, eksponentinė funkcija yra nepertraukiama, bet fizinis dydis N gali būti tik neigiamos sveikųjų skaičių reikšmės. Antra, kadangi jis apibūdina atsitiktinį procesą, jis tik statistiškai teisingas. Tačiau dažniausiai N yra labai didelis skaičius, o funkcija yra tinkama apytikslė.

Be skilimo konstantos, radioaktyvusis skilimas kartais apibūdinamas ir vidutiniu eksploatavimo laikotarpiu. Kiekvienas atomas „gyvena“ ribotą laiką, kol jis nesugrius, o vidutinis eksploatavimo laikas yra aritmetinis visų atomų gyvenimo laikotarpių vidurkis. Jį vaizduoja simbolis , ir yra susijęs su skilimo konstanta taip:

Dažniau naudojamas parametras yra pusinės eliminacijos laikas. Atsižvelgiant į konkretaus radionuklido pavyzdį, pusinės eliminacijos laikas yra laikas, per kurį pusei radionuklidų atomų suyra. Pusinės eliminacijos laikas yra susijęs su skilimo konstanta taip:

Šis pusinės eliminacijos periodo ir skilimo konstantos santykis rodo, kad labai radioaktyviosios medžiagos greitai išleidžiamos, o silpnai spinduliuojančios medžiagos išlieka ilgiau. Žinomų radionuklidų pusinės eliminacijos laikas yra labai įvairus - daugiau nei 1019 metų (pavyzdžiui, labai stabiliems nuklidams, pvz., 209Bi), iki 10-23 sekundžių labai nestabiliems.

Pastabos

  1. ↑ Hiperfizika, radioaktyvaus skilimo serijos. Gauta 2008 m. Kovo 19 d.

Nuorodos

  • Krane'as, Kennethas S. ir Davidas Halliday'as. Įvadinė branduolinė fizika. Niujorkas: Wiley. 1988. ISBN 047180553X.
  • Martinas, Brianas. Branduolinė ir dalelių fizika: įvadas. Hoboken, NJ: Wiley, 2006. ISBN 0470025328.
  • Poenaru, D. N. Branduolinio skilimo režimai. Filadelfija: Fizikos institutas, 1996. ISBN 0750303387.
  • Salingas, Džeimsas. Radioaktyviųjų atliekų tvarkymas. Niujorkas: Taylor ir Francis, 2001. ISBN 1560328428.
  • Seidenas, Abraomas. Dalelių fizika: išsamus įvadas. San Franciskas, Kalifornija: Addison Wesley, 2004. ISBN 0805387366.
  • Tipleris, Paulius ir Ralfas Llewellynas. Šiuolaikinė fizika, 4-asis leidimas Niujorkas: W.H. Freeman, 2002. ISBN 0716743450.
  • Turneris, Jamesas E. Atomai, radiacija ir apsauga nuo radiacijos, 2-asis leidimas Niujorkas: Wiley, 1995. ISBN 0471595810.

Išorinės nuorodos

Visos nuorodos gautos 2019 m. Birželio 17 d.

  • Branduolinės chemijos nomenklatūra.
  • Puvimo ir pusinės eliminacijos laikas.

Žiūrėti video įrašą: Turino drobulė: istorija ir naujausi tyrimai. Ištrauka iš dok. f. "Stebuklai" 2012 (Liepa 2021).

Pin
Send
Share
Send