Timpul de înjumătățire al elementelor radioactive - ce este și cum este determinat? Formula de înjumătățire

Istoria studierii radioactivității a început la 1 martie 1896, când a fost un renumit om de știință francez Henri Becquerel

Introduceți caracteristicile radioactivității

Acest proces este transformarea spontană a atomului de izotop al unui element într-un alt izotop cu separarea simultană a particulelor elementare (electroni, nuclei de atomi de heliu). Transformarea atomilor sa dovedit a fi spontană, fără a necesita absorbția energiei din exterior. Cantitatea principală care caracterizează procesul de eliberare a energiei în cursul anului degradarea radioactivă, numita activitate.

Activitatea unei probe radioactive este numărul probabil de descompuneri ale unui eșantion dat pe unitatea de timp. În SI (Sistem internațională) se numește becquerel (Bq). În 1 becquerel, se acceptă activitatea unei astfel de probe, în care are loc o medie de 1 decădere pe secundă.

A = lambda-N, unde lambda este constanta de dezintegrare, N este numarul de atomi activi din proba.

secreta alfa-, beta-, gama - descompuneri. Ecuațiile corespunzătoare sunt numite reguli de deplasare:

Determinarea timpului de înjumătățire a fost efectuată experimental. În timpul testelor de laborator, se măsoară în mod repetat activitatea. Din moment ce eșantioanele de laborator cu dimensiuni minime (siguranța cercetătorului mai presus de toate), experimentul se desfășoară la intervale diferite de timp, repetându-se repetat. Se bazează pe regularitatea schimbărilor în activitatea substanțelor.

Pentru a determina timpul de înjumătățire, activitatea unui eșantion dat este măsurată la anumite intervale. Având în vedere că acest parametru este legat de numărul de atomi degradanți, folosind legea decăderii radioactive, determinați timpul de înjumătățire.

Exemplu de determinare pentru un izotop

Fie numărul de elemente active ale izotopului investigat la o anumită clipă de timp N, intervalul de timp în care t₂- T₁, unde momentele de la începutul și sfârșitul observării sunt foarte apropiate. Să presupunem că n este numărul de atomi care au decăzut într-un interval de timp dat, atunci n = KN (t₂- T₁).

În această expresie K = 0.693 / Tfrac12- este un coeficient de proporționalitate, numit constanta de dezintegrare. Tfrac12- este timpul de înjumătățire al izotopului.

Luăm intervalul de timp pentru unitate. În acest caz, K = n / N indică fracția nucleelor ​​izotopice prezente, care se descompun pe unitate de timp.

Cunoscând valoarea constantei de dezintegrare, putem determina, de asemenea, timpul de înjumătățire prin decădere: Tfrac12- = 0,693 / K

De aici rezultă că pentru o unitate de timp nu există un număr determinat de atomi activi, ci o anumită fracțiune dintre ei care se descompune.

Legea privind decăderea radioactivă (RDF)

Timpul de înjumătățire este baza ZRD. Regularitatea a fost dedusă de Frederico Soddy și Ernest Rutherford pe baza rezultatelor studiilor experimentale din 1903. Surprinzător, mai multe măsurători efectuate cu instrumente departe de a fi perfecte la începutul secolului al XX-lea au condus la un rezultat precis și valid. A devenit baza teoriei radioactivității. Să derivăm o notație matematică pentru legea decăderii radioactive.

- Să presupunem că N₀ - numărul de atomi activi la un moment dat. După ce intervalul t a expirat, elementele N rămân neîntrerupte.

- În timpul egal cu timpul de înjumătățire, va rămâne exact jumătate din elementele active: N = N₀/ 2.

- După încă un timp de înjumătățire în probă, N = N₀/ 4 = N₀/ 2² atomi activi.

- După un timp egal cu un timp de înjumătățire suplimentar, eșantionul va păstra numai: N = N₀/ 8 = N₀/ 2³.

- Până când au trecut n perioadele de înjumătățire, N = N rămâne în probă₀/ 2ⁿ particule active. În această expresie, n = t / Tfrac12-: raportul timpului de studiu până la timpul de înjumătățire.

- ZRP are o exprimare matematică ușor diferită, mai convenabilă în rezolvarea problemelor: N = N₀2^{-t /Tfrac12-_.}

Regularitatea face posibilă determinarea, pe lângă timpul de înjumătățire, a numărului de atomi ai izotopului activ care nu s-au degradat la un moment dat. Cunoscând numărul de atomi din eșantion la începutul observării, după un timp poți determina durata de viață a medicamentului.

Determinarea timpului de înjumătățire al formulei legii de dezintegrare radioactivă ajută numai în prezența anumitor parametri: numărul de izotopi activi din eșantion, care este dificil de știut.

Consecințele legii

Puteți scrie formula ZRR folosind conceptele de activitate și masa atomilor de droguri.

Activitatea este proporțională cu numărul de atomi radioactivi: A = A₀• 2^{-t / T}. În această formulă A₀ - activitatea eșantionului la momentul inițial, A - activitatea după t secunde, T - timpul de înjumătățire.

Masa substanței poate fi utilizată în regularitate: m = m₀• 2^{-t / T}

În timpul unor intervale de timp egale, o fracție absolut identică a atomilor radioactivi disponibili în acest preparat se dezintegrează.

Limitele aplicabilității legii

Legea în toate sensurile este statistică, determinând procesele care au loc în microcosmos. Este clar că timpul de înjumătățire al elementelor radioactive este unul statistic. Natura probabilistică a evenimentelor din nucleele atomice sugerează că un nucleu arbitrar se poate prăbuși în orice moment. Preziceți că evenimentul este imposibil, puteți stabili probabilitatea sa la un moment dat. În consecință, timpul de înjumătățire nu are sens:

• pentru un atom individual;
• pentru un eșantion de masă minimă.

Durata de viață a unui atom

Existența unui atom în starea inițială poate dura o secundă, și poate milioane de ani. De asemenea, nu este necesar să vorbim despre durata de viață a unei anumite particule. Introducând o valoare egală cu valoarea medie a duratei de viață a atomilor, se poate vorbi despre existența atomilor unui izotop radioactiv, consecințele dezintegrării radioactive. Timpul de înjumătățire al unui nucleu atomic depinde de proprietățile unui atom dat și nu depinde de alte cantități.

Este posibil să rezolvăm problema: cum să găsim timpul de înjumătățire, știind durata medie de viață?

Determinarea timpului de înjumătățire al formulei pentru relația dintre durata medie de viață a atomului și constanta de dezintegrare nu este mai puțin importantă.

tau- = T_1/2/ ln2 = T_1/2/ 0,693 = 1 / lambda-.

În această intrare tau - durata medie de viață, lambda - este constanta de dezintegrare.

Utilizarea timpului de înjumătățire

Utilizarea ZRP pentru a determina vârsta probelor individuale a devenit larg răspândită în studiile de la sfârșitul secolului al XX-lea. Precizia determinării vârstei artefactelor fosile a crescut atât de mult încât poate da o idee despre durata vieții mileniului î.en.

Analiza radiocarbonului probele organice fosile se bazează pe o schimbare a activității carbonului-14 (izotopul radioactiv al carbonului) prezent în toate organismele. Intră în organismul viu în procesul metabolizării și este conținut într-o anumită concentrație. După moarte, metabolismul cu mediul se oprește. Concentrația de carbon radioactiv scade din cauza decăderii naturale, activitatea scade proporțional.

Dacă există o valoare ca timpul de înjumătățire, formula pentru legea decăderii radioactive ajută la determinarea timpului din momentul în care se oprește activitatea vitală a organismului.

Lanțuri de transformare radioactivă

Studiile de radioactivitate au fost efectuate în condiții de laborator. Capacitatea uimitoare a elementelor radioactive de a-și menține activitatea timp de ore, zile și chiar ani nu a putut decât să surprindă fizicienii de la începutul secolului al XX-lea. Studiile, de exemplu, toriu, au fost însoțite de un rezultat neașteptat: într-o fiolă închisă, activitatea sa a fost semnificativă. La cea mai mică lovitură, a căzut. Concluzia a fost simplă: transformarea toriului este însoțită de eliberarea de radon (gaz). Toate elementele din procesul de radioactivitate sunt transformate într-o substanță complet diferită, care diferă atât în ​​ceea ce privește proprietățile fizice, cât și cele chimice. Această substanță, la rândul ei, este de asemenea instabilă. În prezent, sunt cunoscute trei serii de transformări similare.

Cunoașterea unor astfel de transformări este extrem de importantă în determinarea timpului de inaccesibilitate a zonelor infectate în procesul de cercetare atomică și nucleară sau catastrofe. Timpul de înjumătățire al plutonului - în funcție de izotopul său - se situează în intervalul de la 86 de ani (Pu 238) la 80 de milioane de ani (Pu 244). Concentrația fiecărui izotop oferă o imagine a perioadei de dezinfectare a teritoriului.

Cel mai scump metal

Se știe că în zilele noastre există metale mult mai scumpe decât aurul, argintul și platina. Plutoniul îi aparține, de asemenea. Este interesant faptul că, în natură, plutonia creată pe parcursul evoluției nu are loc. Cele mai multe elemente au fost obținute în condiții de laborator. Funcționarea plutoniului-239 în reactoarele nucleare a făcut posibil să devină extrem de popular în aceste zile. Câștigarea suficientă a acestui izotop pentru utilizarea în reactoare o face aproape neprețuită.

Plutoniu-239 este obținut în condiții naturale ca o consecință a lanțului de transformări ale uraniului-239 în neptuniu-239 (timp de înjumătățire - 56 ore). Un lanț similar permite acumularea de plutoniu în reactoarele nucleare. Viteza de apariție a cantității solicitate depășește valoarea naturală în miliarde de ori.

Aplicații în domeniul energetic

Se poate vorbi foarte mult despre deficiențele energiei nucleare și despre "ciudățenia" omenirii, pe care aproape orice descoperire o folosește pentru a-și distruge propriul fel. Descoperirea plutoniului-239, care este capabilă să participe lanț reacție nucleară, ia permis să o folosească ca sursă de energie pașnică. Uraniul-235, care este un analog al plutoniului, este extrem de rar pe Pamant, pentru al deosebi de el uraniu mult mai dificil decât să obțină plutoniu.

Vârsta Pământului

Analiza radioizotopică a izotopilor elementelor radioactive oferă o imagine mai precisă a duratei de viață a unui eșantion dat.

Folosirea lanțului de transformări de "uraniu - toriu" conținut în crusta pământului face posibilă determinarea vârstei planetei noastre. Procentul acestor elemente, în medie, pe întreaga crustă a pământului, stă la baza acestei metode. Conform celor mai recente date, vârsta Pământului este de 4,6 miliarde de ani.