Radioaktyviųjų elementų pusinės eliminacijos laikas – kas tai yra ir kaip jis nustatomas? Pusinės eliminacijos laikas

Radioaktyvumo tyrimo istorija prasidėjo 1896 m. kovo 1 d., kai garsus prancūzų mokslininkas Henri Becquerel atsitiktinai atrado urano druskų spinduliavimo keistenybę. Paaiškėjo, kad toje pačioje dėžutėje su pavyzdžiu esančios fotografinės plokštelės buvo apšviestos. Keista, labai skvarbi spinduliuotė, kurią sukėlė uranas. Ši savybė buvo rasta sunkiausiuose elementuose, kurie užbaigia periodinę lentelę. Jai buvo suteiktas pavadinimas „radioaktyvumas“.

Pristatome radioaktyvumo charakteristikas

Šis procesas yra spontaniškas elemento izotopo atomo pavertimas kitu izotopu, tuo pačiu metu išskiriant elementariąsias daleles (elektronus, helio atomų branduolius). Atomų transformacija pasirodė spontaniška, nereikalaujanti energijos sugerties iš išorės. Pagrindinis dydis, apibūdinantis energijos išsiskyrimo procesą radioaktyvaus skilimo metu, vadinamas aktyvumu.

Atomo pusinės eliminacijos laikas priklauso nuo

Radioaktyvaus mėginio aktyvumas yra galimas tam tikro mėginio skilimo per laiko vienetą skaičius. SI (System International)jo matavimo vienetas vadinamas bekereliu (Bq). 1 bekerelyje imamas tokio mėginio aktyvumas, kuriame vidutiniškai 1 skilimas per sekundę.

А=λN, kur λ yra skilimo konstanta, N yra aktyvių atomų skaičius mėginyje.

Atskirkite α, β, γ skilimus. Atitinkamos lygtys vadinamos poslinkio taisyklėmis:

titulas	Kas vyksta	Reakcijos lygtis
α-skilimas	atomo branduolio X pavertimas branduoliu Y, išleidžiant helio atomo branduolį	_ZA^X→_Z-2Y^{A- 4} +₂Jis⁴
β – irimas	atomo branduolio X pavertimas branduoliu Y, išleidžiant elektroną	_ZA^X→_Z+1Y^A +_-1e^A
γ – irimas	nepakeičiama šerdies, energija išsiskiria elektromagnetinės bangos pavidalu	_ZX^A→_ZX^{A +γ}

Radioaktyvumo laiko intervalas

Šiam konkrečiam atomui dalelės skilimo momento nustatyti negalima. Jam tai daugiau „nelaimingas atsitikimas“, o ne šablonas. Šiam procesui būdingas energijos išsiskyrimas apibrėžiamas kaip mėginio aktyvumas.

Pastebėta, kad laikui bėgant jis keičiasi. Nors individualuselementai demonstruoja nuostabų radiacijos laipsnio pastovumą, yra medžiagų, kurių aktyvumas kelis kartus sumažėja per gana trumpą laiką. Nuostabi įvairovė! Ar įmanoma šiuose procesuose rasti modelį?

Nustatyta, kad yra laikas, per kurį tiksliai pusė tam tikro mėginio atomų suyra. Šis laiko intervalas vadinamas „pusėjimo periodu“. Kokia šios koncepcijos prasmė?

Kas yra pusinės eliminacijos laikas?

Atrodo, kad per tam tikrą laikotarpį lygiai pusė visų aktyvių atomų tam tikrame mėginyje suyra. Bet ar tai reiškia, kad per du pusėjimo metus visi aktyvūs atomai visiškai suirs? Visai ne. Po tam tikro momento mėginyje lieka pusė radioaktyviųjų elementų, po tiek pat laiko suyra pusė likusių atomų ir pan. Šiuo atveju spinduliuotė išlieka ilgą laiką, gerokai viršijanti pusinės eliminacijos laiką. Tai reiškia, kad aktyvūs atomai lieka mėginyje, nepaisant spinduliuotės

Pusėjimo trukmė yra vertė, kuri priklauso tik nuo konkrečios medžiagos savybių. Daugelio žinomų radioaktyviųjų izotopų kiekio vertė buvo nustatyta.

Lentelė: „Atskirų izotopų skilimo pusinės eliminacijos laikas“

Vardas	Pavadinimas	Skilimo tipas	Pusėjimo trukmė
Radis	₈₈Ra²¹⁹	alpha	0, 001 sekundė
Magnesis	₁₂Mg²⁷	beta	10 minučių
Radonas	₈₆Rn²²²	alpha	3, 8 naktys
Kob altas	₂₇Co⁶⁰	beta, gama	5, 3 metai
Radis	₈₈Ra²²⁶	alfa, gama	1620 metų
Uranas	₉₂U²³⁸	alfa, gama	4,5 milijardo metų

Pusinės eliminacijos laikas nustatomas eksperimentiniu būdu. Laboratorinių tyrimų metu aktyvumas matuojamas pakartotinai. Kadangi laboratoriniai mėginiai yra minimalaus dydžio (svarbiausia tyrėjo saugumas), eksperimentas atliekamas skirtingais laiko intervalais, kartojamas daug kartų. Jis pagrįstas medžiagų aktyvumo pokyčių dėsningumu.

Siekiant nustatyti pusinės eliminacijos laiką, tam tikro mėginio aktyvumas matuojamas tam tikrais laiko intervalais. Atsižvelgiant į tai, kad šis parametras yra susijęs su suirusių atomų skaičiumi, taikant radioaktyvaus skilimo dėsnį, nustatomas pusinės eliminacijos laikas.

Izotopų apibrėžimo pavyzdys

Tegul tiriamojo izotopo aktyviųjų elementų skaičius tam tikru laiko momentu yra N, laiko intervalas, per kurį stebėjimas yra t₂- t ₁, kur stebėjimo pradžios ir pabaigos laikas yra pakankamai arti. Tarkime, kad n yra atomų, kurie suskyla per tam tikrą laiko intervalą, skaičius, tada n=KN(t₂- t_1).

Šioje išraiškoje K=0,693/T½ yra proporcingumo koeficientas, vadinamas skilimo konstanta. T½ – izotopų pusinės eliminacijos laikas.

Paimkime laiko intervalą kaip vienetą. Šiuo atveju K=n/N rodo esamų izotopų branduolių, kurie suyra per laiko vienetą, proporciją.

Žinant skilimo konstantos reikšmę, galima nustatyti ir skilimo pusinės eliminacijos laiką: T½=0,693/K.

Iš čia išplaukia, kad per laiko vienetą suyra ne tam tikras aktyvių atomų skaičius, o tam tikra jų dalis.

Radioaktyvaus skilimo dėsnis (LRR)

Pusėjimo trukmė yra RRR pagrindas. Modelį išvedė Frederico Soddy ir Ernestas Rutherfordas, remdamiesi 1903 m. eksperimentinių tyrimų rezultatais. Keista, bet daugybė matavimų, atliktų naudojant prietaisus, kurie toli gražu nėra tobuli, XX amžiaus pradžios sąlygomis davė tikslius ir pagrįstus rezultatus. Tai tapo radioaktyvumo teorijos pagrindu. Išveskime matematinį radioaktyvaus skilimo dėsnio žymėjimą.

- Tegul N_{0yra aktyvių atomų skaičius tam tikru metu. Po tolaiko intervalas t, N elementų liks nesuirę.}

- Iki laiko momento, lygaus pusėjimo trukmei, liks lygiai pusė aktyvių elementų: N=N_0/2.

- Po kito pusėjimo pavyzdyje lieka: N=N₀/4=N₀/22 ^{aktyvūs atomai.}

- Pasibaigus kitam pusinės eliminacijos laikui, mėginys išliks tik: N=N₀/8=N₀/ 2^3.

- Kai praeis n pusėjimo trukmės, N=N₀/2^{aktyvių dalelių liks mėginyje. Šioje išraiškoje n=t/T½: tyrimo laiko ir pusinės eliminacijos periodo santykis.}

- ZRR turi šiek tiek kitokią matematinę išraišką, patogesnę sprendžiant uždavinius: N=N₀2^-^t/ ^T½.

Pavyzdys leidžia be pusinės eliminacijos periodo nustatyti aktyviojo izotopo atomų, kurie tam tikru metu nesuskilo, skaičių. Žinant mėginio atomų skaičių stebėjimo pradžioje, po kurio laiko galima nustatyti šio vaisto gyvavimo trukmę.

Radioaktyvaus skilimo dėsnio formulė padeda nustatyti pusėjimo trukmę tik tada, kai yra tam tikri parametrai: aktyvių izotopų skaičius mėginyje, kurį gana sunku sužinoti.

Įstatymo pasekmės

RRR formulę galite užrašyti naudodami vaisto aktyvumo ir atominės masės sąvokas.

Aktyvumas proporcingas radioaktyviųjų atomų skaičiui: A=A₀•2^-t/T. Šioje formulėje A_{0 yra mėginio aktyvumas pradiniu laiko momentu, A yraaktyvumas po t sekundžių, T – pusinės eliminacijos laikas.}

Schemoje galima naudoti medžiagos masę: m=m₀•2^-t/T

Per bet kokius vienodus laiko intervalus suyra absoliučiai tokia pati radioaktyviųjų atomų, esančių šiame vaiste, dalis.

Įstatymo taikymo ribos

Įstatymas visomis prasmėmis yra statistinis, apibrėžiantis mikrokosmose vykstančius procesus. Akivaizdu, kad radioaktyviųjų elementų pusinės eliminacijos laikas yra statistinė reikšmė. Tikimybinis įvykių atomų branduoliuose pobūdis rodo, kad savavališkas branduolys gali subyrėti bet kurią akimirką. Neįmanoma numatyti įvykio, galima tik nustatyti jo tikimybę tam tikru laiko momentu. Dėl to pusinės eliminacijos laikas yra beprasmis:

vienam atomui;
minimalaus svorio mėginiui.

Atomo gyvavimo laikas

Atomo egzistavimas pradinėje būsenoje gali trukti sekundę, o gal ir milijonus metų. Taip pat nereikia kalbėti apie šios dalelės gyvavimo trukmę. Įvedus reikšmę, lygią vidutinei atomų gyvavimo trukmės vertei, galime kalbėti apie radioaktyvaus izotopo atomų egzistavimą, radioaktyvaus skilimo pasekmes. Atomo branduolio pusinės eliminacijos laikas priklauso nuo šio atomo savybių ir nepriklauso nuo kitų dydžių.

Ar įmanoma išspręsti problemą: kaip rasti pusėjimo trukmę, žinant vidutinį tarnavimo laiką?

Nustatykite pusinės eliminacijos periodo formulę ryšiui tarp vidutinės atomo gyvavimo trukmės ir skilimo konstantospadeda tiek pat.

τ=T_1/2/ln2=T_{1/2/0, 693=1/ λ.}

Šiame įraše τ yra vidutinė tarnavimo trukmė, λ yra skilimo konstanta.

Naudokite pusėjimo trukmę

ZRR naudojimas atskirų mėginių amžiui nustatyti plačiai paplito XX amžiaus pabaigoje. Fosilinių artefaktų amžiaus nustatymo tikslumas išaugo tiek, kad galima susidaryti supratimą apie tūkstantmečius prieš mūsų erą.

Iškostinių organinių mėginių radioaktyviųjų medžiagų analizė pagrįsta anglies-14 (radioaktyvaus anglies izotopo), esančio visuose organizmuose, aktyvumo pokyčiais. Jis patenka į gyvą organizmą metabolizmo procese ir yra jame tam tikra koncentracija. Po mirties medžiagų mainai su aplinka nutrūksta. Radioaktyviosios anglies koncentracija mažėja dėl natūralaus skilimo, aktyvumas proporcingai mažėja.

Kai yra tokia reikšmė, kaip pusinės eliminacijos laikas, radioaktyvaus skilimo formulės dėsnis padeda nustatyti laiką nuo organizmo gyvavimo pabaigos.

Radioaktyviosios transformacijos grandinės

Radioaktyvumo tyrimai buvo atlikti laboratorinėmis sąlygomis. Nuostabus radioaktyviųjų elementų gebėjimas išlikti aktyviems valandas, dienas ir net metus negalėjo nustebinti dvidešimtojo amžiaus pradžios fizikų. Pavyzdžiui, torio tyrimus lydėjo netikėtas rezultatas: uždaroje ampulėje jo aktyvumas buvo reikšmingas. Nuo menkiausio įkvėpimo ji nukrito. Išvada pasirodė paprasta: torio virsmą lydi radono (dujų) išsiskyrimas. Visi elementai radioaktyvumo procese virsta visiškai kita medžiaga, kuri skiriasi tiek fizinėmis, tiek cheminėmis savybėmis. Ši medžiaga, savo ruožtu, taip pat yra nestabili. Šiuo metu žinomos trys panašių transformacijų serijos.

Tokių transformacijų žinojimas yra nepaprastai svarbus nustatant zonų, užterštos atominių ir branduolinių tyrimų ar nelaimių metu, neprieinamumo laiką. Plutonio pusinės eliminacijos laikas, priklausomai nuo jo izotopo, svyruoja nuo 86 metų (Pu 238) iki 80 milijonų metų (Pu 244). Kiekvieno izotopo koncentracija leidžia susidaryti vaizdą apie teritorijos dezinfekcijos laikotarpį.

Brangiausias metalas

Žinoma, kad mūsų laikais yra daug brangesnių metalų nei auksas, sidabras ir platina. Juose yra plutonio. Įdomu tai, kad plutonis, susidaręs evoliucijos procese, gamtoje nepasitaiko. Dauguma elementų buvo gauti laboratorinėmis sąlygomis. Plutonio-239 panaudojimas branduoliniuose reaktoriuose leido jam šiais laikais išpopuliarėti. Gavus pakankamą šio izotopo kiekį, skirtą naudoti reaktoriuose, jis tampa praktiškai neįkainojamas.

Plutonis-239 gaunamas natūraliomis sąlygomis dėl urano-239 virsmo į neptunį-239 grandinę (pusėjimo laikas - 56 valandos). Panaši grandinė leidžia kaupti plutonį branduoliniuose reaktoriuose. Reikiamo kiekio išvaizdos greitis viršija natūralų inmilijardus kartų.

Energetikos programos

Galima daug kalbėti apie branduolinės energijos trūkumus ir žmonijos „keistumą“, kuri naudoja beveik bet kokį atradimą, kad sunaikintų savo rūšį. Branduolinėje grandininėje reakcijoje galinčio dalyvauti plutonio-239 atradimas leido jį panaudoti kaip taikios energijos š altinį. Uranas-235, kuris yra plutonio analogas, Žemėje yra labai retas, jį išgauti iš urano rūdos daug sunkiau nei gauti plutonį.

Žemės amžius

Radioaktyviųjų elementų izotopų radioizotopų analizė suteikia tikslesnį vaizdą apie konkretaus mėginio gyvavimo trukmę.

Naudojant žemės plutoje esančią transformacijų grandinę „uranas – toris“, galima nustatyti mūsų planetos amžių. Šio metodo pagrindas yra vidutinis šių elementų procentas visoje žemės plutoje. Naujausiais duomenimis, Žemės amžius yra 4,6 milijardo metų.