Cel dydaktyczny
- opisywać rozpad pierwiastka promieniotwórczego z użyciem pojęć stałej rozpadu i okresu połowicznego rozpadu;
- szacować wiek substancji za pomocą prawa rozpadu promieniotwórczego;
- wyjaśniać naturalne procesy, które umożliwiają datowanie materii organicznej z wykorzystaniem izotopu 14C.
W roku 1896 Antoine Becquerel (1852–1908) odkrył, że bogata w uran skała emituje niewidzialne promienie, które powodują zaciemnienie kliszy fotograficznej w zamkniętym pojemniku. Obecnie naukowcy podają trzy argumenty przemawiające za jądrowym pochodzeniem tych promieni. Po pierwsze, własności promieniowania nie zależą od stanu chemicznego, tzn. od tego, czy emitujący materiał jest w postaci pierwiastkowej, czy też tworzy związek chemiczny. Po drugie, promieniowanie nie zależy od zmian temperatury lub ciśnienia – a więc czynników, które w znacznym stopniu mogą wpływać na elektrony w atomie. Po trzecie, bardzo duża wartość energii tego niewidocznego gołym okiem promieniowania (nawet miliony elektronowoltów) nie zgadza się z typowymi energiami przejść elektronowych w atomie (tylko kilka elektronowoltów). Współcześnie promieniowanie wyjaśnia się procesami zachodzącymi w jądrze atomu, w których masa zamieniana jest w energię. Spontaniczną emisję promieniowania z jądra nazywamy promieniotwórczością jądrową (lub radioaktywnością, ang. radioactivity) – Ilustracja 10.8. Procesy jądrowe prowadzące do emisji promieniowania nazywamy procesami rozpadu promieniotwórczego, a izotopy, które im podlegają, radioizotopami. O samych przemianach jądrowych i procesach rozpadu dowiesz się więcej z kolejnych rozdziałów. Tu zajmiemy się ogólnym opisem procesów rozpadu jądrowego.
Prawo rozpadu promieniotwórczego
Gdy pojedyncze jądro przekształca się w inne, emitując promieniowanie, mówimy, że ulega ono rozpadowi promieniotwórczemu (ang. radioactive decay). Rozpadowi temu ulegają wszystkie jądra o , a także niektóre niestabilne izotopy o . Szybkość rozpadu jest proporcjonalna do liczby początkowych jąder (które nie uległy jeszcze rozpadowi) w substancji. Liczba jąder , które ulegają rozpadowi w przedziale czasu , jest równa
gdzie parametr określa się stałą rozpadu (ang. decay constant). (Znak minus wskazuje, że liczba jąder radioizotopu maleje z upływem czasu, więc jest dodatnią liczbą). Innymi słowy, im więcej jest jąder, które mogą ulec rozpadowi, tym więcej się rozpadnie (w czasie ). To równanie można inaczej zapisać w postaci
Całkując obie strony równania i oznaczając przez liczbę jąder w chwili konieczną do obliczenia całki oznaczonej, otrzymujemy
To z kolei prowadzi do
Po podniesieniu podstawy logarytmu naturalnego (liczbę ) do potęgi równej lewej i prawej stronie równania, otrzymujemy prawo rozpadu promieniotwórczego (ang. radioactive decay law).
Prawo rozpadu promieniotwórczego
Całkowita liczba jąder promieniotwórczych pozostałych po czasie wynosi
gdzie parametr jest stałą rozpadu danego jądra.
Całkowita liczba jąder początkowo maleje szybciej, a następnie wolniej (Ilustracja 10.9).
Okres połowicznego rozpadu (ang. half-life) substancji promieniotwórczej jest zdefiniowany jako czas, w którym połowa pierwotnej liczby jąder ulegnie rozpadowi. Okresy połowicznego rozpadu niestabilnych izotopów pokazane są w tabeli nuklidów na Ilustracji 10.4. Liczba jąder promieniotwórczych pozostałych po całkowitej () wielokrotności okresu połowicznego rozpadu wynosi zatem
Jeśli stała rozpadu jest duża, to okres połowicznego rozpadu jest krótki (i na odwrót). Aby ustalić związek między tymi wielkościami, należy zauważyć, że gdy , to . W związku z tym Równanie 10.10 można zapisać jako
Dzieląc obie strony przez i stosując logarytm naturalny, otrzymujemy
co – po podstawieniu przybliżonej wartości – sprowadza się do
W ten sposób, jeśli znamy okres połowicznego rozpadu substancji promieniotwórczej, możemy obliczyć jej stałą rozpadu. Średni czas życia (ang. lifetime) substancji promieniotwórczej jest definiowany jako średni czas istnienia jądra do chwili rozpadu. Czas życia nietrwałego jądra jest po prostu odwrotnością jego stałej rozpadu, co zapisujemy jako
Aktywność (ang. activity) jest zdefiniowana jako wartość bezwzględna szybkości rozpadu, a więc
Ponieważ liczba cząstek, które jeszcze nie uległy rozpadowi maleje, to zmiana w przedziale czasu jest ujemna, aktywność jest więc dodatnia. Definując początkową aktywność jako , uzyskamy
W związku z tym aktywność substancji radioaktywnej zmniejsza się wykładniczo z czasem (Ilustracja 10.10).
Przykład 10.4
Stała rozpadu i aktywność strontu-90
Okres połowicznego rozpadu strontu-90, , wynosi . Obliczmy- stałą rozpadu tego nuklidu;
- początkową aktywność materiału.
Strategia rozwiązania
Możemy obliczyć stałą rozpadu bezpośrednio z Równania 10.15. Aby określić aktywność, musimy najpierw określić liczbę jąder.Rozwiązanie
- Stała rozpadu wynosi
- Masa molowa wynosi . Używając liczby Avogadra , wyznaczamy początkową liczbę jąder w materiału Z tego wynika, że aktywność (czyli liczba rozpadów promieniotwórczych na sekundę) w dla strontu-90 jest równa
Podstawiwszy pod okres połowicznego rozpadu nuklidu, otrzymujemy
Stąd widzimy, że aktywność spada o połowę po czasie równym okresowi połowicznego rozpadu. Możemy określić stałą rozpadu przez pomiar aktywności jako funkcji czasu. Jeśli zastosujemy logarytm naturalny dla lewej i prawej strony Równania 10.17, uzyskamy
Powyższe równanie logarytmiczne ma postać liniową . Jeśli wykreślimy w funkcji , to możemy spodziewać się linii prostej o nachyleniu , przecinającej oś w punkcie o współrzędnej – Ilustracja 10.10 (b). Aktywność jest wyrażana w bekerelach (), (ang. becquerel), przy czym . Wielkość ta może również być wyrażona w rozpadach na minutę lub rozpadach na rok. Choć bekerel jest jedyną legalną jednostką aktywności promieniotwórczej, to używa się też starej jednostki kiur (), (ang. curie), zdefiniowanej pierwotnie jako aktywność 226Ra. Obecnie związek między i określa równanie
Przykład 10.5
Jaka jest aktywność 14C w żywej tkance?
Około masy ciała ludzkiego stanowi węgiel. Obliczmy aktywność izotopu 14C w węgla w żywym organizmie. Wyraźmy aktywność w bekerelach i kiurach.Strategia rozwiązania
Aktywność 14C można określić za pomocą równania , gdzie jest stałą rozpadu, a to liczba jąder promieniotwórczych. Liczbę jąder 14C w próbki obliczamy w dwóch etapach. Po pierwsze, wyznaczamy liczbę jąder 12C, wykorzystując definicję mola. Po drugie, mnożymy tę wartość przez (zawartość 14C w próbce węgla z żywego organizmu). Stałą rozpadu można określić na podstawie znanego okresu połowicznego rozpadu 14C (Ilustracja 10.4).Rozwiązanie
Jeden mol węgla ma masę , ponieważ jest to prawie czysty izotop 12C. W związku z tym liczba jąder węgla w wynosiLiczba jąder 14C w węgla jest zatem równa
Teraz możemy wyznaczyć aktywność za pomocą równania . Podstawienie znanych wartości daje
czyli rozpadów rocznie. Aby wyrazić ten wynik w bekerelach, wystarczy przeliczyć lata na sekundy. W związku z tym
czyli 250 rozpadów na sekundę. Aby wyrazić w kiurach, korzystamy z definicji tej jednostki
Stąd
Znaczenie
Około masy ciała ludzkiego stanowi węgiel. Setki rozpadów 14C mają miejsce w organizmie człowieka co sekundę. Węgiel-14 i inne naturalnie występujące w organizmie substancje radioaktywne przyczyniają się do ekspozycji (narażenia) danej osoby na promieniowanie naturalne (ang. background radiation). Jak zobaczymy w dalszej części tego rozdziału, taka aktywność jest znacznie niższa od maksymalnych dozwolonych dawek.Datowanie radiowęglowe
Datowanie izotopowe (ang. radioactive dating) jest techniką, która wykorzystuje naturalnie występującą promieniotwórczość do określania wieku materiałów, takich jak skały lub wykopaliska archeologiczne. Podstawowe podejście polega na szacowaniu aktualnej liczby jąder w materiale (po rozpadzie), a następnie użyciu znanej wartości stałej rozpadu oraz Równania 10.10 do obliczenia całkowitego czasu rozpadu .
Ważną metodą datowania izotopowego jest metoda datowania węglem-14 (ang. carbon-14 dating). Jądra węgla-14 powstają, gdy promieniowanie słoneczne o wysokiej energii uderza w jądro 14N w górnych warstwach atmosfery. Następnie jądra 14C ulegają rozpadowi z okresem połowicznego rozpadu wynoszącym 5730 lat. Radioaktywny węgiel ma te same własności chemiczne co stabilny izotop pierwiastka, więc włącza się w ekosferę i ostatecznie staje się częścią każdego żywego organizmu. Węgiel-14 ma zawartość części na bilion atomów węgla 12C. W związku z tym, jeśli znamy liczbę jąder węgla w obiekcie, musimy pomnożyć ją przez , aby określić liczbę jąder 14C. Kiedy organizm umiera, wymiana dwutlenku węgla ze środowiskiem ustaje, a ubytek 14C związany z rozpadem nie jest uzupełniany.
Porównując zawartość 14C w obiektach takich jak mumia z normalną zawartością w żywych tkankach, można określić wiek tejże mumii (czyli czas, który upłynął od śmierci zmarłej osoby). Metody datowania radiowęglowego można używać do tkanek biologicznych mających nie więcej niż , ale jest ona dokładniejsza dla młodszych próbek ze względu na większą zawartość izotopu 14C. Bardzo stare materiały biologiczne w ogóle nie zawierają 14C.
Poprawność datowania można sprawdzić za pomocą innych metod, takich jak porównanie z wiedzą historyczną lub zliczanie słojów drzew.
Przykład 10.6
Pradawna jaskinia grobowa
W pradawnej jaskini grobowej zespół archeologów odkrywa starożytne meble z drewna. W drewnie pozostało tylko pierwotnego 14C. Ile lat mają meble?Strategia rozwiązania
Treść zadania wskazuje, że . W związku z tym z równania można obliczyć iloczyn . Znamy okres połowicznego rozpadu 14C wynoszący , więc znamy również stałą rozpadu, a w związku z tym całkowity czas rozpadu .Rozwiązanie
Rozwiązując równanie względem , otrzymujemyW związku z tym
Stosując logarytm naturalny do obu stron, otrzymujemy
stąd
Przekształcamy to równanie w celu wyznaczenia i otrzymujemy
gdzie stała rozpadu ma wartość
Połączenie tych informacji daje
Znaczenie
Meble mają prawie 2000 lat – imponujące znalezisko. Typowa niepewność datowania 14C wynosi około , więc wiek mebli mieści się w przedziale od 1750 lat do 1950 lat. Ten zakres dat, o ile to możliwe, musi zostać jeszcze potwierdzony, np. zapisami historycznymi.Sprawdź, czy rozumiesz 10.3
Nuklid promieniotwórczy ma dużą szybkość rozpadu. Co to oznacza dla jego okresu połowicznego rozpadu i aktywności?
Materiały pomocnicze
Odwiedź grę w datowanie izotopowe, aby poznać rodzaje datowania izotopowego i spróbować swoich sił w datowaniu starych przedmiotów.