Förhållandet mellan radioaktivt förfall och halva livet

Det finns vissa naturligt förekommande isotoper som är instabila på grund av det obalanserade antalet protoner och neutroner som de har i sin atomkärna. Därför, för att bli stabil, genomgår dessa isotoper en spontan process som kallas radioaktivt sönderfall. Det radioaktiva förfallet medför att en isotop av ett visst element omvandlas till en isotop av ett annat element. Den slutliga produkten av radioaktivt sönderfall är dock alltid stabil än initialisotopen. Det radioaktiva förfallet av ett visst ämne mäts med en speciell term som kallas halveringstiden. Tiden som ett ämne tar för att bli hälften av sin ursprungliga massa genom radioaktivt sönderfall mäts som halveringstiden för den substansen. Detta är förhållandet mellan radioaktivt förfall och halveringstid.

Viktiga områden som omfattas

1. Vad är radioaktivt förfall
      - Definition, Mekanismer, Exempel
2. Vad är Half Life
      - Definition, Förklaring med exempel
3. Vad är förhållandet mellan radioaktivt förfall och halva livet
      - Radioaktivt förfall och halva livet

Nyckelord: Halvlivet, isotoper, neutroner, protoner, radioaktivt förfall

Vad är radioaktivt förfall

Radioaktivt sönderfall är processen där instabila isotoper genomgår sönderfall genom att utsända strålning. Ostabila isotoper är atomer som har instabila kärnor. En atom kan bli instabil på grund av flera orsaker, såsom närvaron av ett stort antal protoner i kärnorna eller ett stort antal neutroner i kärnorna. Dessa kärnor genomgår radioaktivt förfall för att bli stabil.

Om det finns för många protoner och för många neutroner är atomerna tunga. Dessa tunga atomer är instabila. Därför kan dessa atomer genomgå radioaktivt sönderfall. Andra atomer kan också genomgå radioaktivt sönderfall enligt deras neutron: protonförhållande. Om detta förhållande är för högt är det neutronrikt och är instabilt. Om förhållandet är för lågt är det protonriktat atom och är instabilt. Det radioaktiva förfallet av ämnen kan förekomma på tre huvudvägar.

Alfa-utsläpp / sönderfall
Beta Utsläpp / Förfall
Gamma Emission / Decay

Alfa-utsläpp

En alfapartikel är identisk med en heliumatom. Den består av 2 protoner och 2 neutroner. Alfa partikel bär en +2 elektrisk laddning eftersom det inte finns några elektroner för att neutralisera de positiva laddningarna av 2 protoner. Alfaförfall orsakar att isotoperna förlorar 2 protoner och 2 neutroner. Därför minskar atomantalet för en radioaktiv isotop med 2 enheter och atommassan från 4 enheter. Tunga ämnen som uran kan genomgå alfa-utsläpp.

Beta Utsläpp

Vid beta-utsläpp (β) utmatas en beta-partikel. Enligt den elektriska laddningen av beta-partikeln kan den antingen vara en positivt laddad beta-partikel eller en negativt laddad beta-partikel. Om det är β^- utsläpp, då är emitterad partikel en elektron. Om det är β + -emission, är partikeln en positron. En positron är en partikel som har samma egenskaper som en elektron utom för laddning. Positorns laddning är positiv medan laddningen av elektronen är negativ. I beta-emissionen omvandlas en neutron till en proton och en elektron (eller en positron). Därför skulle atommassan inte ändras, men atomnummeret ökas med en enhet.

Gamma Emission

Gamma-strålning är inte partikelformig. Därför förändras inte gammautsläppen antingen atom- eller atommassan hos en atom. Gamma strålning består av fotoner. Dessa fotoner bär endast energi. Därför orsakar gamma-emissioner isotoperna att släppa sin energi.

Figur 1: Radioaktivt förfall av uran-235

Uran-235 är ett radioaktivt element som finns naturligt. Det kan genomgå alla tre typer av radioaktivt förfall under olika förhållanden.

Vad är Half Life

Halveringstiden för ett ämne är den tid som ämnet tar för att bli hälften av sin initiala massa eller koncentration genom radioaktivt sönderfall. Denna term har symbolen t_1/2. Termen halveringstid används eftersom det inte är möjligt att förutsäga när en enskild atom kan förfallna. Men det är möjligt att mäta tiden som tas till hälften av ett radioaktivt elements kärnor.

Halveringstiden kan vara mått när det gäller antingen kärnkroppen eller koncentrationen. Olika isotoper har olika halveringstid. Därför kan vi, genom att mäta halveringstiden, förutsäga närvaron eller frånvaron av en viss isotop. Halveringstiden är oberoende av ämnets fysiska tillstånd, temperatur, tryck eller annat yttre inflytande.

Halveringstiden för ett ämne kan bestämmas med användning av följande ekvation.

ln(N_t / N_o) = Kt

var,

N_t är ämnets massa efter tiden

N_o är substansens ursprungliga massa

K är förfallskonstanten

t är den tid som beaktas

Figur 02: En kurva av
Radioaktivt avfall

Ovanstående bild visar en kurva av radioaktivt förfall för en substans. Tiden mäts i år. Enligt den grafen är den tid som ämnet tar för att bli 50% från den ursprungliga massan (100%) ett år. 100% blir 25% (en fjärdedel av initialmassa) efter två år. Därför är halveringstiden för den substansen ett år.

100% → 50% → 25% → 12,5% → → →

(1^st halva livet 2^nd Half-Life 3^rd halveringstid)

Ovanstående diagram har sammanfattat de uppgifter som anges i diagrammet.

Förhållandet mellan radioaktivt förfall och halva livet

Det finns ett direkt samband mellan radioaktivt sönderfall och halveringstid för en radioaktiv substans. Hastigheten för radioaktivt sönderfall mäts i halva livsekvivalenter. Från ovanstående ekvation kan vi härleda en annan viktig ekvation för beräkning av hastigheten för radioaktivt sönderfall.

ln (N_t / N_o) = Kt

eftersom massan (eller antalet kärnor) är hälften av sitt initialvärde efter en halveringstid,

N_t = N_o/ 2

Sedan,

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

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

ln (2) = kt_1/2

Därför,

t_1/2 = Ln2 / k

Värdet av ln2 är 0.693. Sedan,

t_1/2 = 0,693 / k

Här, t_1/2 är halveringstiden för ett ämne och k är den radioaktiva sönderfallskonstanten. Det ovanstående uttrycket berättar att mycket radioaktiva ämnen spenderas snabbt, och de svagt radioaktiva ämnena tar längre tid att förfallna helt. Därför indikerar ett långt halveringstid snabbt radioaktivt sönderfall medan ett kort halveringstid indikerar en långsam radioaktiv dag. Halveringstiden för vissa ämnen kan inte bestämmas eftersom det kan ta miljontals år att genomgå radioaktivt sönderfall.

Slutsats

Radioaktivt sönderfall är processen där instabila isotoper genomgår sönderfall genom att utsända strålning. Det finns ett direkt samband mellan det radioaktiva sönderfallet av ett ämne och halveringstiden eftersom hastigheten för det radioaktiva sönderfallet mäts med ekvivalenterna av halveringstiden.

referenser:

1. "Halvlivet av radioaktivt förfall - Gränslös öppen textbok". Gränslös. 26 maj 2016. Web. Tillgänglig här. 01 aug 2017.
2. "Processen av naturligt radioaktivt förfall". Dummies. N.p., n.d. Webb. Tillgänglig här. 01 aug 2017.

Image Courtesy:

1. "Radioaktivt förfall" Av Kurt Rosenkrantz från PDF. (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia

Vetenskap