Почему термин "период полураспада" используется для измерения радиоактивности?

Термин "период полураспада" уместен из-за экспоненциальной и квантовой природы радиоактивного распада, что делает невозможным точно предсказать, когда распадется один атом радиоактивного материала. Вместо этого измерение периода полураспада относится к статистике, представляющей время, необходимое для того, чтобы данное количество вещества уменьшилось наполовину в результате распада.

Ученые измеряют период полураспада вещества, потому что он говорит им о количестве радиации, которое данное вещество испускает. Период полураспада - это фиксированная постоянная для каждого различного вещества, позволяющая экспертам точно предсказать срок службы материала.

Для радиоактивных материалов это может установить, сколько времени пройдет, прежде чем материал перестанет представлять угрозу; для других материалов, таких как углерод-14, период полураспада может помочь в радиометрической датировке (углеродная датировка), для определения приблизительного возраста древних останков! Хотя это может показаться немного сложным для тех, кто не знаком с ядерной химией, это полезная и универсальная концепция для полного понимания.

Что такое радиоактивный распад?

Как вы, возможно, знаете, атомные элементы могут иметь различные изотопы, которые являются разными версиями элемента, имеющего одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, содержащихся в ядре. Таким образом, атомная масса этих изотопов будет различной, как и некоторые из их физических свойств, но их химические свойства в целом одинаковы. Каждый химический элемент имеет один или несколько изотопов, некоторые из которых стабильны, а другие нестабильны. Атомное ядро считается стабильным, когда силы, удерживающие протоны и нейтроны вместе, сильнее сил, пытающихся их разделить (сильная атомная сила против электростатического отталкивания).

Простейшим примером этого является водород, который имеет два стабильных изотопа — протий (1 протон) и дейтерий (известный как "тяжелый водород", с 1 протоном и 1 нейтроном). Однако водород также имеет нестабильный природный изотоп, известный как тритий, который имеет 1 протон и 2 нейтрона. Нестабильность этого радиоизотопа означает, что он хочет распасться на другую, более стабильную форму.

Подобно человеческим существам, борющимся с романтикой, атомные ядра постоянно ищут стабильности и могут достичь ее с помощью процесса радиоактивного распада. Если внутри атомного ядра слишком много энергии, чтобы оставаться вместе, то ядро разрушится, потеряв по крайней мере некоторые части (нуклоны), которые делают его нестабильным. Исходные нестабильные ядра будут называться “родительскими”, в то время как более стабильные ядра, получившиеся в результате, будут называться "дочерними". Дочерние ядра все еще могут быть радиоактивными (нестабильными), хотя и более стабильными, чем раньше, и поэтому могут подвергнуться дальнейшему распаду. Более крупные элементы с большим количеством нуклонов, а именно любой элемент с атомным номером выше 83, имеют нестабильное ядро ​​и, следовательно, радиоактивны. Однако интенсивность этой радиоактивности может сильно различаться.

Например, полоний (Po-210) - это редкий и очень летучий радиоизотоп, не содержащий стабильных изотопов. Он испускает невероятно высокоэнергетическую форму излучения во время альфа-распада - и на самом деле светится синим цветом! - что делает его одним из самых радиоактивных элементов. Однако он распадается относительно быстро и имеет период полураспада всего 140 дней, распадаясь на свинец (Pb-206) в качестве продукта распада.

Существует три типа радиоактивного распада, которые происходят в зависимости от типа нестабильности, обнаруженной в ядре.

Альфа-распад

В случае альфа-распада ядро ​​будет искать стабильности, испуская альфа-частицу (два протона и два нейтрона, по сути, атом гелия). После этого типа распада атомный номер уменьшится на 2. Уран-238 является наиболее распространенным изотопом урана, встречающимся в природе, и, хотя его период полураспада составляет 4,5 миллиарда лет, когда атомное ядро ​​распадается, он выделяет альфа-частицу, которая становится торием-234. Альфа-частицы не могут проникать во многие вещества (и их можно остановить листом бумаги!), Но они по-прежнему высвобождаются с большой скоростью и могут быть опасны для живых клеток, поскольку они могут сбивать электроны с близлежащих атомов. Следовательно, альфа-частицы опасны при проглатывании или попадании в организм, но обычно считаются безвредными для человека, поскольку они не могут проникнуть даже через одежду человека!

Бета-распад

Когда происходит бета-распад, поток бета-частиц (электронов) будет выброшен из ядра, в результате чего один из нейтронов превратится в протон (β- распад) или протон превратится в нейтрон (β+ распад). Атомный номер увеличится или уменьшится на 1, хотя атомная масса останется неизменной. Типичный пример бета-распада - атомный распад стронция-90 на изотоп иттрия-90, который высвобождает электрон во время этого процесса бета-распада. Бета-частица примерно в 8000 раз меньше, чем альфа-частица, и поэтому считается более опасной, поскольку она может проникать через одежду и кожу, в отличие от альфа-частиц, хотя обычно она блокируется стенами и при испускании проходит всего несколько метров.

Гамма-распад

В то время как предыдущие две формы распада испускают атомы гелия и электроны / позитроны, гамма-распад приводит к испусканию высокоэнергетических фотонов, позволяя ядру достичь более стабильной формы без изменения атомного номера или массового числа. Это наиболее опасная форма излучения, поскольку излучение не имеет массы и может проходить практически через любое вещество. Требуются несколько сантиметров свинца или несколько метров бетона, чтобы эффективно блокировать эти «гамма-лучи», которые, не задумываясь, проходят прямо через тело, воздействуя на все, от костного мозга до тканей самых чувствительных органов. Гамма-излучение - это, по сути, форма света, мощный тип электромагнитного излучения, которое рождается во взрывающихся звездах и в результате других ядерных реакций.

Что такое период полураспада?

Теперь, когда у вас есть понимание радиоактивного распада, идея периода полураспада становится намного проще. Поскольку радиоактивные изотопы распадаются на более стабильные формы в результате альфа-, бета- и гамма-распада, количество исходного «родительского» материала уменьшается. Сейчас невозможно точно сказать, когда данное ядро подвергнется радиоактивному распаду, так как атомы невероятно малы и непредсказуемы. Однако, если рассматривать в больших количествах (миллионы, миллиарды или триллионы отдельных атомов), то можно измерить статистическую вероятность радиоактивного распада.

Квантовое поведение отдельных атомов невозможно оценить, но поведение большой группы атомов зависит от вероятности и, следовательно, обеспечивает надежный уровень статистической достоверности. В ядерной физике период полураспада является полезной мерой для определения того, как быстро радиоактивный изотоп будет подвергаться радиоактивному распаду или как долго стабильный изотоп будет оставаться нетронутым. Пожалуй, проще всего понять период полураспада на примере. Давайте рассмотрим период полураспада радиоизотопа никель-63, который распадается до меди-63 посредством бета-распада.

Никель-63 имеет период полураспада 100 лет, поэтому давайте рассмотрим образец этого радиоактивного элемента, состоящего из 1 000 000 атомов. Через 100 лет примерно 500 000 атомов распадутся на медь-63, стабильный изотоп, который больше не будет излучать излучение или распадаться дальше, в то время как 500 000 радиоактивных атомов никеля-63 останутся. Давайте экстраполируем это немного дальше ...

100 лет - 500000 атомов никеля-63

200 лет - 250000 атомов никеля-63

300 лет - 125000 атомов никеля-63

400 лет - 62 500 атомов никеля-63

500 лет - 31 250 атомов никеля-63

600 лет - 15625 атомов никеля-63

Когда радиоактивный изотоп распадается на стабильный изотоп «дочернего» материала, он больше не распадается и не испускает больше излучения. Таким образом, со временем один и тот же радиоактивный материал станет менее опасным, поскольку он не будет излучать столько альфа-, бета- или гамма-частиц. После 10 периодов полураспада уровень радиоактивности образца составит менее одной тысячной от исходной, и, как правило, он считается полностью безвредным.

Скорость радиоактивного распада каждого материала остается постоянной, но каждый изотоп имеет различный период полураспада, начиная от водорода-7 (1 протон и 6 нейтронов), с периодом полураспада  2,3 × 10^-23 секунды, вплоть до Теллура-128 (52 протона и 76 нейтронов), который может похвастаться периодом полураспада 2,2×10²⁴ года - что в 150 триллионов раз больше возраста Вселенной!

Когда вы начинаете смотреть на вещи в атомном или квантовом масштабе, становится намного труднее быть точным по отношению к отдельному атому. Когда смотришь на один атом урана-235, невозможно узнать, когда он подвергнется радиоактивному распаду и станет единым атомом тория-231. Однако, наблюдая миллион атомов урана-235, с точной статистической вероятностью можно сказать, что половина атомов испытает альфа-распад в течение 703 миллионов лет!

Хотя период полураспада обычно ассоциируется с ядерной физикой, он также применим и полезен в медицинских технологиях, таких как фармакокинетика некоторых лекарств, а также в использовании пестицидов в растениях и радиометрическом углеродном датировании окаменелостей динозавров! Расчеты периода полураспада - это способ разобраться в непредсказуемом квантовом мире и оценить долгосрочное воздействие радиоактивных материалов как на окружающую среду, так и на жизнь на этой планете!