17.1: Радіоактивні ізотопи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3829

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Нагадаємо, що атом - це найменший компонент елемента, який зберігає всі хімічні властивості цього елемента (див. Матерія). Як обговорювалося раніше, атоми містять незаряджені нейтрони і позитивно заряджені протони в ядрі. Негативно заряджені електрони оточують ядро. Атомна маса атома визначається кількістю протонів і нейтронів, оскільки маса електронів незначна. Кожен протон або нейтрон важить 1 атомну одиницю маси (АМУ). Значення атомної маси, що відображаються в періодичній таблиці елементів, не є цілими числами, оскільки вони представляють середню атомну масу для атомів цього елемента (малюнок\(\PageIndex{a}\)). Атоми одного і того ж елемента не обов'язково мають однакову масу, оскільки можуть відрізнятися нейтронним числом.

Клітини, що представляють водень і уран з періодичної таблиці елементів. — Малюнок\(\PageIndex{a}\): Ціле число в кожній клітинці таблиці Менделєєва - це атомний номер, або число протонів (1 для водню і 92 для урану). Показаний також номер атомної маси, який є середньою кількістю протонів і нейтронів (1,01 для водню і 238,03 для урану). Зображення, обрізані та позначені з Національного центру біотехнологічної інформації (суспільне надбання).

Ізотопи - це різні форми одного і того ж елемента, які мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Деякі елементи, такі як вуглець, калій та уран, мають природні ізотопи. Вуглець-12, найпоширеніший ізотоп вуглецю, містить шість протонів і шість нейтронів. Тому він має масове число 12 (шість протонів і шість нейтронів) і атомний номер 6 (що робить його вуглецевим). Вуглець-14 містить шість протонів і вісім нейтронів. Тому він має масове число 14 (шість протонів і вісім нейтронів) і атомний номер 6, що означає, що це все ще елемент вуглецю. Ці дві альтернативні форми вуглецю - ізотопи. Деякі ізотопи нестійкі і випромінюють випромінювання у вигляді частинок і енергії для формування більш стійких елементів. Деякі форми випромінювання небезпечні. Вони називаються радіоактивними ізотопами або радіоізотопами (рис.\(\PageIndex{b}\)). Під час радіоактивного розпаду один тип атома може змінюватися таким чином в інший тип атома (малюнок\(\PageIndex{c}\)).

Моделі протію, дейтерію та тритію, які є ізотопами водню — Малюнок\(\PageIndex{b}\): Ізотопи водню. Всі ці атоми мають один протон (рожеве коло з маркуванням «р ⁺ «), але протій не має нейтронів, дейтерій має один нейтрон (помаранчеве коло з позначкою «n»), а тритій має два нейтрони. Протон і нейтрон (и) розташовані в центрі атома (ядра). Електрон (синє коло з позначкою «е ^- «) обертається навколо кожного ядра атома. Зображення з Національного центру розвитку ізотопів США/Програма ізотопу Міністерства енергетики США (суспільне надбання).

Атом вуглецю-14 розпадається до азоту-14, виділяючи випромінювання — Малюнок\(\PageIndex{c}\): **Радіоактивний ізотоп** вуглецю (вуглець-14) має шість протонів і вісім нейтронів. Він розпадається до стійкого ізотопу азоту (азот-14), який має сім протонів і сім нейтронів. Радіоактивний розпад випускає випромінювання. (Конкретний тип випромінювання, який виникає в цьому прикладі, називається бета-мінус розпадом, β-.) Вуглець-14 розпадається з передбачуваною швидкістю, причому половина його розпадається кожні 5730 років. Оскільки вуглецю багато в організмах, ця передбачувана швидкість розпаду зазвичай використовується для датування скам'янілостей. Зображення з CDC (суспільне надбання).

Період напіврозпаду

Період напіврозпаду є кількість часу, який він займає для половини вихідного радіоактивного ізотопу розпаду (малюнок\(\PageIndex{d}\)). Наприклад, період напіввиведення урану-238 становить близько 4,5 мільярдів років. Через 4,5 мільярда років залишиться лише половина (50%) від початкової кількості урану-238. Решта згниє до торію-234 (який також радіоактивний і швидко розпадається до ряду радіоактивних ізотопів, поки в кінцевому підсумку не стане свинцево-206, який є стабільним; цифра\(\PageIndex{e-f}\)). Після двох періодів напіврозпаду (9 мільярдів років) залишиться лише половина 50% (25% від початкового). Після трьох періодів напіврозпаду залишиться лише 12,5% вихідного урану-238.

Графік частки вихідного зразка, який залишається після кожного періоду напіврозпаду. — Малюнок\(\PageIndex{d}\): Після кожного періоду напіврозпаду 50% радіоактивного ізотопу розпадається. Після одного періоду напіврозпаду залишається 50% (1/2; 0,5) радіоактивного ізотопу. Після двох періодів напіврозпаду залишається лише 25% вихідного радіоактивного ізотопу. Після трьох періодів напіврозпаду він становить 12,5%; чотири періоди напіврозпаду = 6,25%; п'ять періодів напіврозпаду = 3,125%. Зображення Фракноі, Моррісона та Вольфа/OpenStax (CC-BY). Доступ безкоштовно на openstax.org.

Ядро U-238, що складається з безлічі протонів і нейтронів, розпадається до Th-235, виділяючи два протони і два нейтрони. — Малюнок\(\PageIndex{e}\): При нестабільному розпаді урану-238 він випромінює альфа (α) частинку, яка є двома протонами і двома нейтронами. Це змінює його на новий елемент (торій-234). Зображення за допомогою OpenStax (CC-BY). Завантажити безкоштовно можна на сайті openstaxcollege.org.

Ланцюг розпаду урану-238 представлена рядом ізотопів, з'єднаних стрілками — Малюнок\(\PageIndex{f}\): Ланцюг розпаду урану-238. Кожен ізотопи маса, атомний номер і напівживий вказані по порядку, праворуч від атомного символу. Кожна стрілка маркується типом випромінювання, що випускається: альфа (α) випромінювання, яке представляє собою два протони і два нейтрони, або бета (β) випромінювання, яке представляє собою електрон високої енергії. Розпад триває від урану до закінчення на стабільному (нерадіоактивному) ізотопі, свинцю (Pb-206). Зображення Тосака (CC-BY).

Еволюція в дії: Вуглецеві датування

^{Вуглець-14 (14} С) - це природний радіоізотоп, який створюється в атмосфері космічними променями. Це безперервний процес, тому завжди створюється більше ¹⁴ С. У міру розвитку живого організму відносний рівень ¹⁴ С в його організмі дорівнює концентрації 14С в атмосфері. Коли організм помирає, він більше не ^{проковтує 14} С, тому співвідношення знизиться. ¹⁴ C розпадається до ¹⁴ Н процесом, званим бета-розпадом; він виділяє енергію в цьому повільному процесі (малюнок\(\PageIndex{c}\)). Приблизно через 5,730 років лише половина початкової концентрації ¹⁴ С буде перетворена в ¹⁴ Н. Час, необхідний половині початкової концентрації ізотопу для розпаду до його більш стабільної форми, називається його період напіврозпаду.

Оскільки період напіврозпаду ¹⁴ С тривалий, він використовується для старіння раніше живих об'єктів, таких як скам'янілості. Використовуючи відношення виявленої в об'єкті концентрації ¹⁴ С до кількості ¹⁴ С, виявленої в атмосфері, можна визначити кількість ізотопу, який ще не розпався. Виходячи з цієї кількості, вік викопного може бути розрахований приблизно до 50 000 років (малюнок\(\PageIndex{g}\) нижче). Ізотопи з більш тривалим періодом напіврозпаду, такі як калій-40, використовуються для розрахунку віку старих скам'янілостей. Завдяки використанню вуглецевого датування вчені можуть реконструювати екологію та біогеографію організмів, що живуть протягом останніх 50 000 років.

Ядерні реакції поділу

Ядерні реакції поділу - це ті, які передбачають розщеплення ядра атома (малюнок\(\PageIndex{h}\)). Вони можуть бути індуковані шляхом підривання радіоактивних елементів нейтронами. Як і при природному радіоактивному розпаді, індуковані ядерні реакції поділу виділяють енергію. Теплова енергія, що виділяється при ядерному поділі, може бути використана для виробництва електроенергії. Це основа атомної енергетики. ^{В даний час в якості палива для ядерних реакцій ділення використовується уран-235 (235 U; ізотоп урану з атомною масою 235\(\PageIndex{h}\)).}

Ядерний поділ показує розщеплення ядра атома. Ядерний синтез показує два менших ядра, що об'єднуються. — Малюнок\(\PageIndex{h}\): Ядерний поділ і синтез - це фізичні процеси, які виробляють енергію з атомів. Ядерний поділ передбачає розщеплення ядра атома, але ядерний синтез передбачає об'єднання менших ядер в більші. Зображення Сари Харманн/Міністерство енергетики США (суспільне надбання).

Скупчення червоних і синіх сфер являють собою U-235 ядро, в яке потрапляє нейтрон (червона сфера) і розщеплюється — Малюнок\(\PageIndex{i}\): Розщеплення ^{урану-235 (235} U) може бути індуковано бомбардуванням його нейтроном. При цьому утворюється U-236, який нестійкий і розщеплюється на фрагменти поділу і додаткові нейтрони. В результаті виділяється енергія. Червоні сфери - це нейтрони, а сині - протони. Зображення БК Відкриті підручники (CC-BY).

Атрибуція

Модифікований Мелісою Ха з матерії з екологічної біології Метью Р. Фішер (ліцензований під CC-BY)