Relația dintre dezintegrarea radioactivă și timpul de înjumătățire

Există anumiți izotopi naturali care sunt instabili datorită numărului dezechilibrate de protoni și neutroni pe care îl au în nucleul lor de atomi. Prin urmare, pentru a deveni stabili, acești izotopi suferă un proces spontan numit dezintegrare radioactivă. Degradarea radioactivă determină transformarea unui izotop al unui anumit element într-un izotop al unui element diferit. Cu toate acestea, produsul final al decăderii radioactive este întotdeauna stabil decât izotopul inițial. Degradarea radioactivă a unei anumite substanțe este măsurată printr-un termen special, cunoscut sub numele de timpul de înjumătățire. Timpul necesar ca o substanță să devină jumătate din masa inițială prin decăderea radioactivă se măsoară ca timp de înjumătățire al substanței respective. Aceasta este relația dintre decăderea radioactivă și timpul de înjumătățire.

Domenii cheie acoperite

1. Ce este degradarea radioactivă
      - Definiție, mecanisme, exemple
2. Ce este Half Life
      - Definiție, explicație cu exemple
3. Care este relația dintre dezintegrarea radioactivă și jumătate de viață
      - Degradare radioactivă și semipreparate

Termeni cheie: Half Life, izotopi, neutroni, protoni, dezintegrare radioactivă

Ce este degradarea radioactivă

Degradarea radioactivă este procesul în care izotopii instabili suferă dezintegrare prin emisia de radiații. Izotopii instabili sunt atomi care au nuclee instabile. Un atom poate deveni instabil din mai multe motive, cum ar fi prezența unui număr mare de protoni în nuclee sau un număr mare de neutroni din nuclee. Aceste nuclee suferă o descompunere radioactivă pentru a deveni stabile.

Dacă există prea mulți protoni și prea mulți neutroni, atomii sunt grei. Acești atomi grei sunt instabili. Prin urmare, acești atomi pot suferi dezintegrare radioactivă. Alți atomi pot, de asemenea, să se supună dezintegrării radioactive în funcție de raportul lor de neutroni: protoni. Dacă acest raport este prea mare, este bogat în neutroni și este instabil. Dacă raportul este prea mic, atunci acesta este un atom bogat în protoni și este instabil. Degradarea radioactivă a substanțelor poate să apară în trei moduri majore.

• Alfa Emisie / decădere
• Beta Emisie / decădere
• Emisia / decaderea gama

Alfa Emisie

O particulă alfa este identică cu un atom de Heliu. Este compus din 2 protoni și 2 neutroni. Particulele alfa poartă o sarcină electrică +2, deoarece nu există electroni care să neutralizeze încărcăturile pozitive de 2 protoni. Degradarea alfa provoacă izotopii să piardă 2 protoni și 2 neutroni. Prin urmare, numărul atomic al unui izotop radioactiv este scăzut cu 2 unități, iar masa atomică de la 4 unități. Elementele grele, cum ar fi uraniul, pot suferi emisii alfa.

Beta Emission

În procesul de emisie beta (β), se emite o particulă beta. Conform încărcăturii electrice a particulei beta, aceasta poate fi fie o particulă beta încărcată pozitiv, fie o particulă beta încărcată negativ. Dacă este β^- emisie, atunci particula emisă este un electron. Dacă este emisia β +, atunci particula este un pozitron. Pozitronul este o particulă care are aceleași proprietăți ca un electron, cu excepția încărcării sale. Încărcarea poziției este pozitivă, în timp ce sarcina electronului este negativă. În emisia beta, un neutron este transformat într-un proton și un electron (sau un pozitron). Prin urmare, masa atomică nu s-ar schimba, dar numărul atomic este mărit cu o unitate.

Emisia de gama

Gama de radiații nu este sub formă de particule. Prin urmare, emisiile gamma nu modifică nici numărul atomic, nici masa atomică a unui atom. Gama radiațiilor este compusă din fotoni. Acești fotoni poartă doar energie. Prin urmare, emisia gamma determină izotopii să-și elibereze energia.

Figura 1: Degradarea radioactivă a uraniului-235

Uraniul-235 este un element radioactiv care se găsește în mod natural. Poate suferi toate cele trei tipuri de decădere radioactivă în condiții diferite.

Ce este Half Life

Timpul de înjumătățire al unei substanțe este timpul necesar acestei substanțe pentru a deveni jumătate din masa sau concentrația inițială prin decăderea radioactivă. Acest termen este dat cu simbolul t_1/2. Termenul de viață în jumătate este folosit deoarece nu este posibil să se prevadă când un atom individual ar putea să se descompună. Dar, este posibil să se măsoare timpul petrecut la jumătate din nucleul unui element radioactiv.

Timpul de înjumătățire poate fi măsurarea numărului de nuclee sau a concentrației. Izotopii diferiți au o jumătate de viață diferită. Prin urmare, prin măsurarea timpului de înjumătățire, putem prezice prezența sau absența unui anumit izotop. Timpul de înjumătățire este independent de starea fizică a substanței, temperatura, presiunea sau orice altă influență exterioară.

Timpul de înjumătățire al unei substanțe poate fi determinat utilizând următoarea ecuație.

ln(N_T / N_o) = Kt

Unde,

N_T este masa substanței după t timpul

N_o este masa inițială a substanței

K este constanta de dezintegrare

t este timpul considerat

Figura 02: O curbă a
Dezintegrare radioactivă

Imaginea de mai sus prezintă o curbă de dezintegrare radioactivă pentru o substanță. Timpul este măsurat în ani. Conform acestui grafic, timpul necesar pentru ca substanța să devină 50% din masa inițială (100%) este de un an. 100% devine 25% (un sfert din masa inițială) după doi ani. Prin urmare, perioada de înjumătățire a substanței respective este de un an.

100% → 50% → 25% → 12,5% → →   →

             (1^Sf jumătate din viață 2^nd jumatate de viata 3^rd jumătate de viață)

Diagrama de mai sus a rezumat detaliile date din grafic.

Relația dintre dezintegrarea radioactivă și timpul de înjumătățire

Există o relație directă între decăderea radioactivă și timpul de înjumătățire al unei substanțe radioactive. Rata decăderii radioactive este măsurată în echivalente de jumătate de viață. Din ecuația de mai sus, putem deduce o altă ecuație importantă pentru calculul ratei decăderii radioactive.

ln (N_T / N_o) = Kt

deoarece masa (sau numărul de nuclee) este jumătate din valoarea inițială după o jumătate de viață,

N_T = N_o/ 2

Atunci,

ln (N_o/ 2 / N_o) = Kt_1/2

ln (1/2 / 1) = kt_1/2

ln (2) = kt_1/2

Prin urmare,

T_1/2   = Ln2 / k

Valoarea lui ln2 este de 0,693. Atunci,

T_1/2   = 0,693 / k

Aici, t_1/2 este perioada de înjumătățire a unei substanțe și k este constanta de dezintegrare radioactivă. Expresia derivată de mai sus arată că substanțele foarte radioactive sunt cheltuite rapid, iar substanțele slab radioactive iau mai mult timp să se destrame complet. Prin urmare, o durată de înjumătățire lungă indică o descompunere rapidă radioactivă, în timp ce timpul de înjumătățire scurt indică o zi radioactivă lent Timpul de înjumătățire al anumitor substanțe nu poate fi determinat, deoarece ar putea dura milioane de ani pentru a se suprima dezintegrarea radioactivă.

Concluzie

Degradarea radioactivă este procesul în care izotopii instabili suferă degradări prin emiterea de radiații. Există o relație directă între decăderea radioactivă a unei substanțe și timpul de înjumătățire, deoarece viteza decăderii radioactive este măsurată cu echivalenți de timp de înjumătățire.

Referințe:

1. "Half-Life of Decay Radioactive - Manualul deschis fără limită". 26 mai 2016. Web. Disponibil aici. 01 august 2017. 
2. "Procesul dezintegrării radioactive naturale". N.p., n.d. Web. Disponibil aici. 01 august 2017. 

Datorită fotografiei:

1. "Degradarea radioactivă" de Kurt Rosenkrantz din PDF. (CC BY-SA 3.0) prin intermediul Wikimedia Commons