Ռադիոակտիվ տարրերի կիսամյակը. ի՞նչ է դա և ինչպե՞ս է որոշվում: Կես կյանքի բանաձև

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-18 04:13

Ռադիոակտիվության ուսումնասիրության պատմությունը սկսվեց 1896 թվականի մարտի 1-ին, երբ հայտնի ֆրանսիացի գիտնական Անրի Բեկերելը պատահաբար հայտնաբերեց տարօրինակություն ուրանի աղերի ճառագայթման մեջ։ Պարզվել է, որ նմուշի հետ նույն տուփում տեղադրված լուսանկարչական թիթեղները լուսավորված են։ Ուրանի տարօրինակ, բարձր թափանցող ճառագայթումը հանգեցրել է դրան: Այս հատկությունը հայտնաբերվել է ամենածանր տարրերում, որոնք լրացնում են պարբերական աղյուսակը: Այն ստացել է «ռադիոակտիվություն» անվանումը։

Ռադիոակտիվության բնութագրերի ներկայացում

Այս գործընթացը տարրի իզոտոպի ատոմի ինքնաբուխ փոխակերպումն է այլ իզոտոպի՝ տարրական մասնիկների (էլեկտրոններ, հելիումի ատոմների միջուկներ) միաժամանակյա արտազատմամբ։ Ատոմների փոխակերպումը պարզվեց, որ ինքնաբուխ է եղել՝ չպահանջելով դրսից էներգիայի կլանումը։ Ռադիոակտիվ քայքայման ժամանակ էներգիայի արտազատման գործընթացը բնութագրող հիմնական մեծությունը կոչվում է ակտիվություն։

Ռադիոակտիվ նմուշի ակտիվությունը տվյալ նմուշի քայքայման հավանական քանակն է ժամանակի միավորի վրա: SI-ում (System International)դրա չափման միավորը կոչվում է բեկերել (Bq): 1 բեկերելում վերցվում է այնպիսի նմուշի ակտիվություն, որում միջինում վայրկյանում տեղի է ունենում 1 քայքայում։

Ա=λN, որտեղ λ-ը քայքայման հաստատունն է, N-ը նմուշի ակտիվ ատոմների թիվն է:

Առանձին α, β, γ-քայքայվում են: Համապատասխան հավասարումները կոչվում են տեղաշարժի կանոններ.

վերնագիր	Ինչ է կատարվում	Ռեակցիայի հավասարում
α-դիինտեգրացիա	ատոմի X միջուկի փոխակերպումը Y միջուկի՝ հելիումի ատոմի միջուկի արձակումով	ZAX→Z-2YA- 4 +2Նա4
β - քայքայում	ատոմի X միջուկի փոխակերպումը Y միջուկի՝ էլեկտրոնի արտազատմամբ	ZAX→Z+1YA +-1eA
γ - քայքայում	չի ուղեկցվում միջուկի փոփոխությամբ, էներգիան արտազատվում է էլեկտրամագնիսական ալիքի տեսքով	ZXA→ZXA +գ

ժամանակային ընդմիջում ռադիոակտիվության մեջ

Մասնիկի տրոհման պահը չի կարող որոշվել այս կոնկրետ ատոմի համար: Նրա համար սա ավելի շատ «պատահականություն» է, քան օրինաչափություն։ Այս գործընթացը բնութագրող էներգիայի արտազատումը սահմանվում է որպես նմուշի ակտիվություն:

Նկատվում է, որ այն փոխվում է ժամանակի ընթացքում։ Չնայած անհատականտարրերը ցույց են տալիս ճառագայթման աստիճանի զարմանալի կայունություն, կան նյութեր, որոնց ակտիվությունը բավականին կարճ ժամանակահատվածում մի քանի անգամ նվազում է: Զարմանալի բազմազանություն! Հնարավո՞ր է օրինաչափություն գտնել այս գործընթացներում:

Հաստատվել է, որ կա ժամանակ, որի ընթացքում տվյալ նմուշի ատոմների ուղիղ կեսը ենթարկվում է քայքայման: Այս ժամանակային միջակայքը կոչվում է «կես կյանք»: Ո՞րն է այս հայեցակարգի ներդրման իմաստը:

Ի՞նչ է կիսատ կյանքը:

Երևում է, որ որոշակի ժամանակահատվածում տվյալ նմուշի բոլոր ակտիվ ատոմների ուղիղ կեսը քայքայվում է: Բայց արդյո՞ք սա նշանակում է, որ երկու կիսամյակի ժամանակ բոլոր ակտիվ ատոմները լիովին կքայքայվեն: Ընդհանրապես. Որոշակի պահից հետո ռադիոակտիվ տարրերի կեսը մնում է նմուշում, նույն ժամանակահատվածից հետո մնացած ատոմների կեսը քայքայվում է և այլն։ Այս դեպքում ճառագայթումը պահպանվում է երկար ժամանակ՝ զգալիորեն գերազանցելով կիսամյակի ժամկետը։ Սա նշանակում է, որ ակտիվ ատոմները մնում են նմուշում՝ անկախ ճառագայթումից

Կիսամյակը արժեք է, որը կախված է բացառապես տվյալ նյութի հատկություններից: Շատ հայտնի ռադիոակտիվ իզոտոպների համար որոշվել է քանակի արժեքը։

Աղյուսակ. «Առանձին իզոտոպների քայքայման կիսամյակը»

Անուն	Նշանակում	Քայքայման տեսակ	Կիսամյակ
Ռադիում	88Ra219	ալֆա	0, 001 վայրկյան
Մագնեզիում	12Mg27	բետա	10 րոպե
Ռադոն	86Rn222	ալֆա	3, 8 գիշեր
Կոբալտ	27Co60	բետա, գամմա	5, 3 տարի
Ռադիում	88Ra226	ալֆա, գամմա	1620 տարի
Ուրան	92U238	ալֆա, գամմա	4,5 միլիարդ տարի

Կիսամյակի որոշումը կատարվում է փորձարարական եղանակով: Լաբորատոր հետազոտությունների ընթացքում ակտիվությունը բազմիցս չափվում է: Քանի որ լաբորատոր նմուշները նվազագույն չափի են (հետազոտողի անվտանգությունն առաջնային է), փորձն իրականացվում է տարբեր ժամանակային ընդմիջումներով՝ բազմիցս կրկնելով։ Այն հիմնված է նյութերի ակտիվության փոփոխությունների կանոնավորության վրա։

Կես կյանքը որոշելու համար տվյալ նմուշի ակտիվությունը չափվում է որոշակի ժամանակային ընդմիջումներով: Հաշվի առնելով այն հանգամանքը, որ այս պարամետրը կապված է քայքայված ատոմների քանակի հետ, օգտագործելով ռադիոակտիվ քայքայման օրենքը, որոշվում է կիսամյակը։

Իզոտոպի սահմանման օրինակ

Թող ուսումնասիրված իզոտոպի ակտիվ տարրերի թիվը ժամանակի տվյալ պահին լինի N, այն ժամանակային միջակայքը, որի ընթացքում դիտարկումը t₂- t ₁, որտեղ դիտարկման սկզբի և ավարտի ժամանակները բավական մոտ են: Ենթադրենք, որ n-ն ատոմների քանակն է, որոնք քայքայվել են տվյալ ժամանակային միջակայքում, ապա n=KN(t₂- t_1).

Այս արտահայտության մեջ K=0,693/T½ համաչափության գործակիցն է, որը կոչվում է քայքայման հաստատուն: T½ - իզոտոպի կիսամյակ:

Վերցնենք ժամանակային միջակայքը որպես միավոր: Այս դեպքում, K=n/N ցույց է տալիս իզոտոպային միջուկների մասնաբաժինը, որը քայքայվում է միավոր ժամանակում:

Իմանալով քայքայման հաստատունի արժեքը՝ կարելի է նաև որոշել քայքայման կիսամյակի ժամկետը՝ T½=0,693/K։

Այստեղից հետևում է, որ ոչ թե ակտիվ ատոմների որոշակի քանակ է քայքայվում ժամանակի միավորի վրա, այլ դրանց որոշակի մասնաբաժինը:

Ռադիոակտիվ քայքայման օրենքը (LRR)

Կես կյանքը RRR-ի հիմքն է: Օրինակը ստացվել է Ֆրեդերիկո Սոդդիի և Էռնեստ Ռադերֆորդի կողմից՝ հիմնվելով 1903 թվականին փորձարարական ուսումնասիրությունների արդյունքների վրա։ Զարմանալիորեն, քսաներորդ դարասկզբի պայմաններում կատարյալից հեռու սարքերով կատարված բազմաթիվ չափումները հանգեցրին ճշգրիտ և ողջամիտ արդյունքի: Այն դարձավ ռադիոակտիվության տեսության հիմքը։ Եկեք դուրս բերենք ռադիոակտիվ քայքայման օրենքի մաթեմատիկական նշումը:

- Թող N_{0լինի տվյալ պահին ակտիվ ատոմների թիվը: հետոժամանակային միջակայքը t, N տարրերը կմնան չքայքայված:}

- Ժամանակի կեսին հավասարվելու դեպքում ակտիվ տարրերի ուղիղ կեսը կմնա՝ N=N_0/2.

- Եվս մեկ կիսամյակից հետո նմուշում մնում է հետևյալը. N=N₀/4=N₀/22 ^{ակտիվ ատոմներ.}

- Եվս մեկ կիսամյակի ավարտից հետո նմուշը կպահպանվի միայն՝ N=N₀/8=N₀/ 2^3.

- Մինչև n կիսամյակի ավարտը, N=N₀/2^{ակտիվ մասնիկներ կմնան նմուշում: Այս արտահայտության մեջ n=t/T½՝ ուսումնասիրության ժամանակի և կիսամյակի հարաբերակցությունը։}

- ZRR-ն ունի մի փոքր այլ մաթեմատիկական արտահայտություն, որն ավելի հարմար է խնդիրներ լուծելու համար. N=N₀2^{-t/ T½.}

Նախշը թույլ է տալիս, ի լրումն կիսամյակի, որոշել ակտիվ իզոտոպի ատոմների թիվը, որոնք տվյալ պահին չեն քայքայվել: Դիտարկման սկզբում իմանալով նմուշի ատոմների թիվը՝ որոշ ժամանակ անց հնարավոր է որոշել այս դեղամիջոցի կյանքի տևողությունը։

Ռադիոակտիվ քայքայման օրենքի բանաձևն օգնում է որոշել կիսատ կյանքը միայն այն դեպքում, եթե կան որոշակի պարամետրեր՝ ակտիվ իզոտոպների քանակը նմուշում, որը բավականին դժվար է պարզել:

Օրենքի հետևանքները

Դուք կարող եք գրել RRR բանաձևը՝ օգտագործելով դեղամիջոցի ակտիվության և ատոմային զանգվածի հասկացությունները:

Ակտիվությունը համաչափ է ռադիոակտիվ ատոմների թվին. A=A₀•2^-t/T: Այս բանաձևում A_{0-ը նմուշի ակտիվությունն է ժամանակի սկզբնական պահին, A-ն է՝ակտիվություն t վայրկյանից հետո, T - կիսամյակ:}

Նյութի զանգվածը կարող է օգտագործվել օրինաչափությամբ՝ m=m₀•2^-t/T

Ժամանակի ցանկացած հավասար ընդմիջումների ընթացքում այս դեղամիջոցում առկա ռադիոակտիվ ատոմների բացարձակապես նույն համամասնությունը քայքայվում է:

Օրենքի կիրառելիության սահմաններ

Օրենքն ամեն իմաստով վիճակագրական է, որը սահմանում է միկրոտիեզերքում տեղի ունեցող գործընթացները։ Հասկանալի է, որ ռադիոակտիվ տարրերի կիսամյակը վիճակագրական արժեք է։ Ատոմային միջուկներում իրադարձությունների հավանականական բնույթը հուշում է, որ կամայական միջուկը կարող է ամեն պահի քանդվել: Իրադարձությունն անհնար է կանխատեսել, դրա հավանականությունը կարելի է որոշել միայն տվյալ պահին։ Արդյունքում կիսատ կյանքը անիմաստ է.

• մեկ ատոմի համար;
• նվազագույն քաշի նմուշի համար:

Ատոմի կյանքի տևողությունը

Ատոմի գոյությունն իր սկզբնական վիճակում կարող է տևել մեկ վայրկյան, կամ գուցե միլիոնավոր տարիներ: Այս մասնիկի կյանքի տեւողության մասին նույնպես պետք չէ խոսել։ Ատոմների կյանքի միջին արժեքին հավասար արժեք ներմուծելով՝ կարելի է խոսել ռադիոակտիվ իզոտոպի ատոմների գոյության, ռադիոակտիվ քայքայման հետեւանքների մասին։ Ատոմի միջուկի կես կյանքը կախված է այս ատոմի հատկություններից և կախված չէ այլ մեծություններից։

Հնարավո՞ր է լուծել խնդիրը. ինչպե՞ս գտնել կիսատ կյանքը՝ իմանալով կյանքի միջին տևողությունը։

Որոշեք ատոմի միջին կյանքի տևողության և քայքայման հաստատունի միջև կապի կիսամյակի բանաձևընույնքան օգնում է։

τ=T_1/2/ln2=T_{1/2/0, 693=1/ λ.}

Այս մուտքագրում τ-ը կյանքի միջին տևողությունը է, λ-ը քայքայման հաստատունն է:

Օգտագործեք կես կյանքը

Առանձին նմուշների տարիքը որոշելու համար ZRR-ի օգտագործումը լայն տարածում է գտել 20-րդ դարի վերջին հետազոտություններում: Բրածո արտեֆակտների տարիքի որոշման ճշգրտությունն այնքան է աճել, որ կարող է պատկերացում կազմել մ.թ.ա. հազարամյակների կյանքի ժամանակի մասին:

Մրածո օրգանական նմուշների ռադիոածխածնային վերլուծությունը հիմնված է բոլոր օրգանիզմներում առկա ածխածնի 14-ի (ածխածնի ռադիոակտիվ իզոտոպ) ակտիվության փոփոխության վրա: Այն կենդանի օրգանիզմ է մտնում նյութափոխանակության գործընթացում և որոշակի կոնցենտրացիայի մեջ պարունակվում է դրանում։ Մահից հետո դադարում է նյութերի փոխանակումը շրջակա միջավայրի հետ։ Ռադիոակտիվ ածխածնի կոնցենտրացիան նվազում է բնական քայքայման պատճառով, ակտիվությունը նվազում է համաչափ։

Երբ կա այնպիսի արժեք, ինչպիսին է կես կյանքը, ռադիոակտիվ քայքայման օրենքը օգնում է որոշել օրգանիզմի կյանքի ավարտից ի վեր ժամանակը:

Ռադիոակտիվ փոխակերպման շղթաներ

Ռադիոակտիվության հետազոտությունն իրականացվել է լաբորատոր պայմաններում։ Ռադիոակտիվ տարրերի ժամերով, օրերով և նույնիսկ տարիներով ակտիվ մնալու զարմանալի ունակությունը չէր կարող չզարմացնել քսաներորդ դարասկզբի ֆիզիկոսներին: Օրինակ՝ թորիումի ուսումնասիրություններն ուղեկցվել են անսպասելի արդյունքով՝ փակ ամպուլայում նրա ակտիվությունը նշանակալի էր։Ամենափոքր շունչից նա ընկավ։ Եզրակացությունը պարզվեց՝ թորիումի փոխակերպումն ուղեկցվում է ռադոնի (գազի) արտազատմամբ։ Ռադիոակտիվության գործընթացում բոլոր տարրերը վերածվում են բոլորովին այլ նյութի, որը տարբերվում է ինչպես ֆիզիկական, այնպես էլ քիմիական հատկություններով։ Այս նյութն իր հերթին նույնպես անկայուն է։ Ներկայումս հայտնի են նմանատիպ փոխակերպումների երեք շարք։

Նման փոխակերպումների իմացությունը չափազանց կարևոր է ատոմային և միջուկային հետազոտությունների կամ աղետների գործընթացում աղտոտված գոտիների անմատչելիության ժամանակը որոշելու համար: Պլուտոնիումի կես կյանքը, կախված նրա իզոտոպից, տատանվում է 86 տարուց (Pu 238) մինչև 80 միլիոն տարի (Pu 244): Յուրաքանչյուր իզոտոպի կոնցենտրացիան պատկերացում է տալիս տարածքի ախտահանման ժամանակաշրջանի մասին։

Ամենաթանկ մետաղը

Հայտնի է, որ մեր ժամանակներում կան շատ ավելի թանկ մետաղներ, քան ոսկին, արծաթը և պլատինը։ Դրանք ներառում են պլուտոնիում: Հետաքրքիր է, որ էվոլյուցիայի ընթացքում ստեղծված պլուտոնիումը բնության մեջ չի լինում: Տարրերի մեծ մասը ստացվել է լաբորատոր պայմաններում։ Պլուտոնիում-239-ի շահագործումը միջուկային ռեակտորներում թույլ է տվել այն դառնալ չափազանց հայտնի այս օրերին: Այս իզոտոպի բավարար քանակի ձեռքբերումը ռեակտորներում օգտագործելու համար այն գործնականում անգնահատելի է դարձնում:

Պլուտոնիում-239-ը ստացվում է բնական պայմաններում ուրանի-239-ի նեպտունիում-239-ի փոխակերպումների շղթայի արդյունքում (կիսաժամկետը՝ 56 ժամ): Նմանատիպ շղթան հնարավորություն է տալիս միջուկային ռեակտորներում պլուտոնիում կուտակել։ Պահանջվող քանակի արտաքին տեսքի արագությունը գերազանցում է բնականինմիլիարդավոր անգամներ։

Էներգետիկ հավելվածներ

Կարելի է շատ խոսել միջուկային էներգիայի թերությունների և մարդկության «տարօրինակության» մասին, որն օգտագործում է գրեթե ցանկացած հայտնագործություն սեփական տեսակը ոչնչացնելու համար։ Պլուտոնիում-239-ի հայտնաբերումը, որն ընդունակ է մասնակցել միջուկային շղթայական ռեակցիային, հնարավորություն տվեց այն օգտագործել որպես խաղաղ էներգիայի աղբյուր։ Ուրան-235-ը, որը պլուտոնիումի անալոգն է, չափազանց հազվադեպ է Երկրի վրա, այն ուրանի հանքաքարից հանելը շատ ավելի դժվար է, քան պլուտոնիում ստանալը:

Երկրի դարաշրջան

Ռադիոակտիվ տարրերի իզոտոպների ռադիոիզոտոպային վերլուծությունը տալիս է որոշակի նմուշի կյանքի ժամկետի ավելի ճշգրիտ պատկերացում:

Օգտագործելով երկրակեղևում պարունակվող «ուրան-թորիում» փոխակերպումների շղթան հնարավորություն է տալիս որոշել մեր մոլորակի տարիքը։ Այս մեթոդի հիմքում ընկած է երկրակեղևում միջինում այս տարրերի տոկոսը: Ըստ վերջին տվյալների՝ Երկրի տարիքը 4,6 միլիարդ տարի է։