Die Geschichte des Studiums der Radioaktivität begann am 1. März 1896, als der berühmte französische Wissenschaftler Henri Becquerel zufällig eine Kuriosität in der Strahlung von Uransalzen entdeckte. Es stellte sich heraus, dass die fotografischen Platten, die sich in derselben Schachtel mit der Probe befanden, beleuchtet waren. Die seltsame, hochgradig durchdringende Strahlung des Urans hatte dazu geführt. Diese Eigenschaft wurde in den schwersten Elementen gefunden, die das Periodensystem vervollständigen. Es erhielt den Namen "Radioaktivität".
Einführung in die Eigenschaften der Radioaktivität
Dieser Vorgang ist die spontane Umwandlung eines Atoms eines Isotops eines Elements in ein anderes Isotop unter gleichzeitiger Freisetzung von Elementarteilchen (Elektronen, Kerne von Heliumatomen). Die Umwandlung von Atomen erwies sich als spontan und erforderte keine Energieaufnahme von außen. Die Hauptgröße, die den Prozess der Energiefreisetzung beim radioaktiven Zerfall charakterisiert, heißt Aktivität.
Die Aktivität einer radioaktiven Probe ist die wahrscheinliche Anzahl von Zerfällen einer gegebenen Probe pro Zeiteinheit. In SI (System International)seine Maßeinheit heißt Becquerel (Bq). In 1 Becquerel wird die Aktivität einer solchen Probe gemessen, bei der durchschnittlich 1 Zerfall pro Sekunde auftritt.
À=λN, wobei λ die Zerfallskonstante und N die Anzahl der aktiven Atome in der Probe ist.
Separate α, β, γ-Zerfälle. Die entsprechenden Gleichungen heißen Verschiebungsregeln:
| title | Was ist los | Reaktionsgleichung |
| α-Zerfall | Umwandlung des Atomkerns X in den Kern Y unter Freisetzung des Kerns des Heliumatoms | ZAX→Z-2YA- 4 +2Er4 |
| β - Verfall | Umwandlung des Atomkerns X in den Kern Y unter Freisetzung eines Elektrons | ZAX→Z+1YA +-1eA |
| γ - Zerfall | nicht begleitet von einer Kernveränderung, Energie wird in Form einer elektromagnetischen Welle freigesetzt | ZXA→ZXA +γ |
Zeitintervall in Radioaktivität
Der Moment des Aufbrechens eines Teilchens kann für dieses bestimmte Atom nicht bestimmt werden. Für ihn ist das eher ein „Unfall“als ein Muster. Die diesen Vorgang charakterisierende Energiefreisetzung wird als Aktivität der Probe definiert.
Es wurde festgestellt, dass es eine Zeit gibt, in der genau die Hälfte der Atome einer gegebenen Probe zerfallen. Dieses Zeitintervall wird als "Halbwertszeit" bezeichnet. Welchen Sinn hat es, dieses Konzept einzuführen?
Was ist eine Halbwertszeit?
Es scheint, dass in einer gewissen Zeit genau die Hälfte aller aktiven Atome in einer gegebenen Probe zerfällt. Aber bedeutet das, dass in einer Zeit von zwei Halbwertszeiten alle aktiven Atome vollständig zerfallen werden? Gar nicht. Nach einem bestimmten Moment verbleibt die Hälfte der radioaktiven Elemente in der Probe, nach der gleichen Zeit zerfällt die Hälfte der verbleibenden Atome und so weiter. In diesem Fall bleibt die Strahlung lange bestehen und überschreitet die Halbwertszeit erheblich. Das bedeutet, dass aktive Atome unabhängig von der Strahlung in der Probe bleiben
Die Halbwertszeit ist ein Wert, der ausschließlich von den Eigenschaften einer bestimmten Substanz abhängt. Der Wert der Menge wurde für viele bekannte radioaktive Isotope bestimmt.
Tabelle: "Die Halbwertszeit des Zerfalls einzelner Isotope"
| Name | Bezeichnung | Art des Zerfalls | Halbwertszeit |
| Radium | 88Ra219 | alpha | 0, 001 Sekunden |
| Magnesium | 12Mg27 | beta | 10 Minuten |
| Radon | 86Rn222 | alpha | 3, 8 Nächte |
| Cob alt | 27Co60 | beta, gamma | 5, 3 Jahre |
| Radium | 88Ra226 | Alpha, Gamma | 1620 Jahre |
| Uranus |
92U238 |
Alpha, Gamma | 4,5 Milliarden Jahre |
Die Bestimmung der Halbwertszeit erfolgt experimentell. Im Rahmen von Laboruntersuchungen wird die Aktivität immer wieder gemessen. Da Laborproben von minimaler Größe sind (die Sicherheit des Forschers steht an erster Stelle), wird das Experiment mit unterschiedlichen Zeitintervallen durchgeführt und viele Male wiederholt. Es basiert auf der Regelmäßigkeit von Änderungen in der Aktivität von Substanzen.
Zur Bestimmung der Halbwertszeit wird die Aktivität einer gegebenen Probe in bestimmten Zeitabständen gemessen. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass dieser Parameter mit der Anzahl der zerfallenen Atome zusammenhängt, wird nach dem Gesetz des radioaktiven Zerfalls die Halbwertszeit bestimmt.
Isotopendefinitionsbeispiel
Die Anzahl der aktiven Elemente des untersuchten Isotops zu einem bestimmten Zeitpunkt sei N, das Zeitintervall, in dem die Beobachtung stattfindet, sei t2- t 1, wobei die Start- und Endzeiten der Beobachtung nahe genug beieinander liegen. Angenommen, n sei die Anzahl der Atome, die in einem gegebenen Zeitintervall zerfallen sind, dann ist n=KN(t2- t1).
In diesem Ausdruck ist K=0,693/T½ der Proportionalitätskoeffizient, der als Zerfallskonstante bezeichnet wird. T½ - Isotopenhalbwertszeit.
Nehmen wir das Zeitintervall als Einheit. Dabei gibt K=n/N den Anteil der vorhandenen Isotopenkerne an, die pro Zeiteinheit zerfallen.
Wenn man den Wert der Zerfallskonstante kennt, kann man auch die Zerfallshalbwertszeit bestimmen: T½=0,693/K.
Hieraus folgt, dass pro Zeiteinheit nicht eine bestimmte Anzahl aktiver Atome zerfällt, sondern ein bestimmter Anteil.
Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls (LRR)
Die Halbwertszeit ist die Basis der RRR. Das Muster wurde von Frederico Soddy und Ernest Rutherford basierend auf den Ergebnissen experimenteller Studien im Jahr 1903 abgeleitet. Überraschenderweise führten mehrere Messungen mit Geräten, die alles andere als perfekt waren, unter den Bedingungen des frühen zwanzigsten Jahrhunderts zu einem genauen und vernünftigen Ergebnis. Es wurde zur Grundlage der Theorie der Radioaktivität. Lassen Sie uns die mathematische Notation des radioaktiven Zerfallsgesetzes herleiten.
- N0sei die Anzahl der aktiven Atome zu einem bestimmten Zeitpunkt. GemäßZeitintervall t bleiben N Elemente unzersetzt.
- Zum Zeitpunkt gleich der Halbwertszeit bleibt genau die Hälfte der aktiven Elemente übrig: N=N0/2.
- Nach einer weiteren Halbwertszeit verbleibt in der Probe: N=N0/4=N0/22 aktive Atome.
- Nach Ablauf einer weiteren Halbwertszeit enthält die Probe nur noch: N=N0/8=N0/ 23.
- Nach Ablauf von n Halbwertszeiten verbleiben N=N0/2aktive Partikel in der Probe. In diesem Ausdruck ist n=t/T½: das Verhältnis von Studienzeit zu Halbwertszeit.
- ZRR hat einen etwas anderen mathematischen Ausdruck, der beim Lösen von Problemen bequemer ist: N=N02-t/ T½.
Das Muster ermöglicht es Ihnen, neben der Halbwertszeit auch die Anzahl der Atome des aktiven Isotops zu bestimmen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht zerfallen sind. Wenn man zu Beginn der Beobachtung die Anzahl der Probenatome kennt, kann man nach einiger Zeit die Lebensdauer dieses Medikaments bestimmen.
Die Formel für das Gesetz des radioaktiven Zerfalls hilft nur dann, die Halbwertszeit zu bestimmen, wenn es bestimmte Parameter gibt: die Anzahl der aktiven Isotope in der Probe, die ziemlich schwierig herauszufinden ist.
Rechtsfolgen
Sie können die RRR-Formel unter Verwendung der Konzepte der Aktivität und der Atommasse des Arzneimittels aufschreiben.
Aktivität ist proportional zur Anzahl radioaktiver Atome: A=A0•2-t/T. In dieser Formel ist A0 die Aktivität der Probe zum Anfangszeitpunkt, A istAktivität nach t Sekunden, T - Halbwertszeit.
Die Masse der Materie kann im Muster verwendet werden: m=m0•2-t/T
Während gleicher Zeitintervalle zerfällt absolut der gleiche Anteil an radioaktiven Atomen, die in diesem Medikament vorhanden sind.
Geltungsbereich des Gesetzes
Das Gesetz ist in jeder Hinsicht statistisch und definiert die Prozesse, die im Mikrokosmos stattfinden. Es ist klar, dass die Halbwertszeit radioaktiver Elemente eine statistische Größe ist. Die probabilistische Natur von Ereignissen in Atomkernen legt nahe, dass ein beliebiger Kern jederzeit auseinanderfallen kann. Es ist unmöglich, ein Ereignis vorherzusagen, man kann nur seine Wahrscheinlichkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen. Folglich ist die Halbwertszeit bedeutungslos:
- für ein einzelnes Atom;
- für Mindestgewichtsprobe.
Lebensdauer eines Atoms
Die Existenz eines Atoms in seinem ursprünglichen Zustand kann eine Sekunde oder vielleicht Millionen von Jahren dauern. Auch über die Lebensdauer dieses Teilchens braucht man nicht zu reden. Indem wir einen Wert einführen, der dem Durchschnittswert der Lebensdauer von Atomen entspricht, können wir über die Existenz von Atomen eines radioaktiven Isotops sprechen, die Folgen des radioaktiven Zerfalls. Die Halbwertszeit des Kerns eines Atoms hängt von den Eigenschaften dieses Atoms ab und nicht von anderen Größen.
Ist es möglich, das Problem zu lösen: Wie findet man die Halbwertszeit, wenn man die durchschnittliche Lebensdauer kennt?
Bestimmen Sie die Halbwertszeitformel für den Zusammenhang zwischen der durchschnittlichen Lebensdauer eines Atoms und der Zerfallskonstantehilft genauso viel.
τ=T1/2/ln2=T1/2/0, 693=1/ λ.
In diesem Eintrag ist τ die mittlere Lebensdauer, λ die Zerfallskonstante.
Halbwertszeit verwenden
Die Verwendung von ZRR zur Bestimmung des Alters einzelner Proben hat Ende des 20. Jahrhunderts in der Forschung weite Verbreitung gefunden. Die Genauigkeit der Altersbestimmung von fossilen Artefakten hat so stark zugenommen, dass sie eine Vorstellung von der Lebenszeit für Jahrtausende v. Chr. geben kann.
Die Radiokarbonanalyse fossiler organischer Proben basiert auf Veränderungen in der Aktivität von Kohlenstoff-14 (einem radioaktiven Kohlenstoffisotop), das in allen Organismen vorhanden ist. Es gelangt im Stoffwechselprozess in den lebenden Organismus und ist in einer bestimmten Konzentration darin enth alten. Nach dem Tod hört der Stoffaustausch mit der Umwelt auf. Die Konzentration von radioaktivem Kohlenstoff sinkt durch natürlichen Zerfall, die Aktivität nimmt proportional ab.
Wenn es einen Wert wie die Halbwertszeit gibt, hilft das Gesetz des radioaktiven Zerfalls, die Zeit seit dem Ende des Lebens des Organismus zu bestimmen.
Radioaktive Transformationsketten
Die Untersuchung der Radioaktivität wurde unter Laborbedingungen durchgeführt. Die erstaunliche Fähigkeit radioaktiver Elemente, Stunden, Tage und sogar Jahre aktiv zu bleiben, musste die Physiker des frühen zwanzigsten Jahrhunderts überraschen. Studien zum Beispiel von Thorium wurden von einem unerwarteten Ergebnis begleitet: In einer geschlossenen Ampulle war seine Aktivität signifikant. Beim leisesten Atemzug fiel sie. Die Schlussfolgerung erwies sich als einfach: Die Umwandlung von Thorium geht mit der Freisetzung von Radon (Gas) einher. Alle Elemente im Prozess der Radioaktivität verwandeln sich in eine völlig andere Substanz, die sich sowohl in den physikalischen als auch in den chemischen Eigenschaften unterscheidet. Auch diese Substanz ist wiederum instabil. Derzeit sind drei Serien ähnlicher Transformationen bekannt.
Das Wissen um solche Transformationen ist äußerst wichtig, um den Zeitpunkt der Unzugänglichkeit von Zonen zu bestimmen, die durch Atom- und Nuklearforschung oder Katastrophen kontaminiert wurden. Die Halbwertszeit von Plutonium liegt je nach Isotop zwischen 86 Jahren (Pu 238) und 80 Millionen Jahren (Pu 244). Die Konzentration jedes Isotops gibt Aufschluss über die Dauer der Desinfektion des Territoriums.
Teuerstes Metall
Es ist bekannt, dass es in unserer Zeit Metalle gibt, die viel teurer sind als Gold, Silber und Platin. Dazu gehört Plutonium. Interessanterweise kommt im Laufe der Evolution entstandenes Plutonium in der Natur nicht vor. Die meisten Elemente wurden unter Laborbedingungen erh alten. Die Ausbeutung von Plutonium-239 in Kernreaktoren hat dazu geführt, dass es heutzutage extrem populär geworden ist. Die Gewinnung ausreichender Mengen dieses Isotops zur Verwendung in Reaktoren macht es praktisch von unschätzbarem Wert.
Plutonium-239 wird unter natürlichen Bedingungen als Ergebnis einer Kette von Umwandlungen von Uran-239 in Neptunium-239 gewonnen (Halbwertszeit - 56 Stunden). Eine ähnliche Kette ermöglicht die Akkumulation von Plutonium in Kernreaktoren. Die Auftrittsrate der erforderlichen Menge übersteigt die natürliche inMilliarden mal.
Energieanwendungen
Man kann viel über die Unzulänglichkeiten der Kernenergie und die "Fremdheit" der Menschheit reden, die fast jede Entdeckung nutzt, um ihre eigene Art zu zerstören. Die Entdeckung von Plutonium-239, das an einer nuklearen Kettenreaktion teilnehmen kann, machte es möglich, es als friedliche Energiequelle zu nutzen. Uran-235, ein Analogon von Plutonium, ist auf der Erde extrem selten, es ist viel schwieriger, es aus Uranerz zu extrahieren, als Plutonium zu gewinnen.
Zeit alter der Erde
Die Radioisotopenanalyse von Isotopen radioaktiver Elemente gibt eine genauere Vorstellung von der Lebensdauer einer bestimmten Probe.
Anhand der in der Erdkruste enth altenen Umwandlungskette "Uran - Thorium" lässt sich das Alter unseres Planeten bestimmen. Der durchschnittliche Anteil dieser Elemente in der gesamten Erdkruste ist die Grundlage dieser Methode. Nach neuesten Daten beträgt das Alter der Erde 4,6 Milliarden Jahre.
