10.4: Radioaktív bomlás

Radioaktív bomlási törvény

Amikor egy egyedi atommag sugárzás kibocsátásával egy másik atommaggá alakul át, azt mondjuk, hogy az atommag bomlik. A radioaktív bomlás minden \(Z > 82\) atommag esetében, valamint néhány \(Z < 83\) instabil izotóp esetében is bekövetkezik. A bomlási sebesség arányos az anyagban lévő eredeti (nem bomlott) atommagok N számával. A bomlással elveszett atommagok számát, \(-dN\) dt időintervallumban,

\

írjuk fel, ahol \(\lambda\) a bomlási állandó. (A mínusz jel azt jelzi, hogy az eredeti atommagok száma az idő múlásával csökken.) Más szóval, minél több atommag áll rendelkezésre a bomláshoz, annál több bomlik el (dt idő alatt). Az \ref{eq2} egyenlet átírható a következőképpen:

\

Az egyenlet mindkét oldalát integráljuk, és \(N_0\) az \(t = 0\) időpontban lévő atommagok száma, megkapjuk

\

Az egyenlet bal és jobb oldalát \ref{eq4} \(e\) hatványaként véve, megkapjuk a radioaktív bomlási törvényt.

Radioaktív bomlási törvény

Az \(t\) idő után megmaradó radioaktív atommagok teljes száma \(N\)

\

ahol \(\lambda\) az adott atommag bomlási állandója.

A magok teljes száma először nagyon gyorsan, majd lassabban csökken (\(\PageIndex{2}\) ábra).

Ábra \(\PageIndex{2}\): A radioaktív bomlási törvény ábrája azt mutatja, hogy a bomlás első pillanataiban drámaian csökken a bomlásban maradó atommagok száma.

A radioaktív anyag \((T_{1/2})\) felezési ideje az az idő, amíg az eredeti atommagok fele bomlik (vagy az az idő, amikor az eredeti atommagok fele marad). Az instabil izotópok felezési idejét a nuklidok táblázata mutatja. Az egész számú (n) felezési idő után megmaradó radioaktív atommagok száma tehát

\

Ha a bomlási állandó \((\lambda)\) nagy, a felezési idő kicsi, és fordítva. E mennyiségek közötti kapcsolat meghatározásához vegyük észre, hogy ha \(t = T_{1/2}\), akkor \(N = N_0/2\).

Ezért az \ref{eq5} egyenlet átírható

\

Mindkét oldalt \(N_0\)-vel osztva és a természetes logaritmust véve megkapjuk

\

, ami

\

re csökken, ha ismerjük egy radioaktív anyag T1/2 felezési idejét, meg tudjuk találni a bomlási állandóját. Egy radioaktív anyag \(\overline{T}\) élettartamát úgy határozzuk meg, mint azt az átlagos időtartamot, amely alatt egy atommag bomlás előtt létezik. Az anyag élettartama nem más, mint a bomlási állandó reciproka, amit így írunk fel:

\\

Az A aktivitást a bomlási sebesség nagyságaként határozzuk meg, vagy

\

A dt időintervallumban bekövetkező dN végtelenül kicsi változás negatív, mert az anyarészecskék (nem bomlott) száma csökken, így az aktivitás (A) pozitív. Ha a kezdeti aktivitást \(A_0 = \lambda N_0\)-ként határozzuk meg, akkor

\

A radioaktív anyag A aktivitása tehát exponenciálisan csökken az idővel (\(\PageIndex{3}\) ábra).

Ábra \(\PageIndex{3}\): (a) Az aktivitás ábrázolása az idő függvényében (b) Ha különböző időpontokban mérjük az aktivitást, akkor \ln A-t ábrázolhatjuk a t függvényében, és egy egyenest kapunk.

Példa \(\PageIndex{1}\): A stroncium-90 felezési ideje \(\ce{_{38}^{90}Sr}\) 28,8 y. Keressük meg (a) a bomlási állandóját és (b) 1,00 g anyag kezdeti aktivitását.

Stratégia

A bomlási állandót közvetlenül az \ref{eq8} egyenletből találhatjuk meg. Az aktivitás meghatározásához először meg kell találnunk a jelen lévő atommagok számát.

Megoldás

a. Megállapítjuk, hogy a bomlási állandó

\

b. A \(_{38}^{90}Sr\) atomtömege 89,91 g. Az Avogadro-szám \(N_A = 6,022 \szer 10^{23}\) atom/mol segítségével megtaláljuk az 1,00 g anyagban lévő atommagok kezdeti számát:

\

Ebből megállapíthatjuk, hogy az aktivitás \(A_0\) \(t = 0\) esetén 1 \(t = 0\).00 g stroncium-90 esetében

\

Az \(\lambda\) értékét az anyag felezési idejével kifejezve megkapjuk

\

Az aktivitás tehát egy felezési idő után a felére csökken. Az \(\lambda\) bomlási állandóját az aktivitás idő függvényében történő mérésével határozhatjuk meg. Az \ref{eq11} egyenlet bal és jobb oldalának természetes logaritmusát véve megkapjuk

\

Ez az egyenlet a lineáris \(y = mx + b\) formát követi. Ha \ln A-t ábrázoljuk t függvényében, egyenes egyenest várunk, amelynek meredeksége \(-\lambda\) és y-interceptusa \(\ln \, A_0\) (\(\(\PageIndex{3b}\) ábra). Az A aktivitást becquerel (Bq) egységben fejezzük ki, ahol egy \(1 \, Bq = 1 \, bomlás \, per \, másodperc\). Ez a mennyiség percenkénti bomlásokban vagy évenkénti bomlásokban is kifejezhető. Az aktivitás egyik legelterjedtebb mértékegysége a curie (Ci), amelyet 1 g \(^{226}Ra\) aktivitásaként határoznak meg. A Bq és a Ci közötti kapcsolat

\

Példa \(\PageIndex{2}\):

Az emberi test tömegének körülbelül \(20\%\) része szén. Számítsa ki az \(^{14}C\) aktivitását 1,00 kg élő szervezetben található szénben. Fejezze ki az aktivitást Bq és Ci egységekben.

Stratégia

Az \(^{14}C\) aktivitását a \(A_0 = \lambda N_0\) egyenlet segítségével határozzuk meg, ahol λ a bomlási állandó és \(N_0\) a radioaktív atommagok száma. Az 1,00 kg-os mintában lévő \(^{14}C\) atommagok számát két lépésben határozzuk meg. Először meghatározzuk az \(^{12}C\) atommagok számát a mól fogalmának segítségével. Másodszor megszorozzuk ezt az értéket \(1,3 \szor 10^{12}\) (az \(^{14}C\) ismert gyakorisága egy élő szervezetből származó szénmintában), hogy meghatározzuk az \(^{14}C\) atommagok számát egy élő szervezetben. A bomlási állandót az \(^{14}C\) ismert felezési idejéből határozzuk meg (elérhető a ).

Solution

Egy mol szén tömege 12,0 g, mivel közel tiszta \(^{12}C\). Így a szén atommagok száma egy kilogrammban

\

Az \(^{14}C\) atommagok száma 1 kg szénben tehát

\

Most az \ref{eq11} egyenlet segítségével meg tudjuk találni az \(A\) aktivitást. Ismert értékek megadásával megkapjuk

\

vagy \(7,89 \szer 10^9\) bomlást évente. Ahhoz, hogy ezt átkonvertáljuk a Bq egységre, egyszerűen alakítsuk át az éveket másodpercekre. Így

\

vagy 250 bomlás másodpercenként. Ahhoz, hogy A-t curie-ben fejezzük ki, használjuk a curie definícióját,

\

Így,

\

jelentősége

Az emberi test tömegének körülbelül \(20\%\) része szén. Az emberi szervezetben másodpercenként több száz \(^{14}C\) bomlás megy végbe. A szén-14 és más, a szervezetben természetesen előforduló radioaktív anyagok alkotják az ember nukleáris sugárzásnak való háttérkitettségét. Amint azt a fejezet későbbi részében látni fogjuk, ez az aktivitási szint jóval a maximálisan ajánlott dózisok alatt van.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.