Γιατί χρησιμοποιείται ο όρος «ημιζωή» για τη μέτρηση της ραδιενέργειας;

Ο όρος ημιζωή είναι κατάλληλος λόγω της εκθετικής και κβαντικής φύσης της ραδιενεργής διάσπασης, γεγονός που καθιστά αδύνατη την πρόβλεψη ακριβώς πότε θα αποσυντεθεί ένα μεμονωμένο άτομο ραδιενεργού υλικού. Αντίθετα, η μέτρηση του χρόνου ημιζωής σχετίζεται με στατιστικά στοιχεία, αντιπροσωπεύοντας το χρόνο που απαιτείται για μια δεδομένη ποσότητα μιας ουσίας να μειωθεί στο μισό ως αποτέλεσμα φθοράς.

Όταν κάποιος ακούει τη φράση «ημιζωή», πολλοί άνθρωποι σκέφτονται το δημοφιλές βιντεοπαιχνίδι με το ίδιο όνομα, αλλά όποιος έχει διαβάσει ποτέ για την πυρηνική ενέργεια, τα όπλα, την αποθήκευση ή τα απόβλητα πιθανότατα θα συνειδητοποιήσει ότι σχετίζεται με ραδιενεργά στοιχεία. Οι επιστήμονες μετρούν τον χρόνο ημιζωής μιας ουσίας επειδή τους λέει για την ποσότητα ακτινοβολίας που θα εκπέμψει μια δεδομένη ουσία. Ο χρόνος ημιζωής είναι μια σταθερή σταθερά για κάθε διαφορετική ουσία, επιτρέποντας στους ειδικούς να προβλέψουν με ακρίβεια τη διάρκεια ζωής ενός υλικού.

Για τα ραδιενεργά υλικά, αυτό μπορεί να καθορίσει πόσος χρόνος θα χρειαστεί προτού ένα υλικό να μην αποτελεί πλέον απειλή. για άλλα υλικά, όπως ο άνθρακας-14, ο χρόνος ημιζωής μπορεί να βοηθήσει στη ραδιομετρική χρονολόγηση (χρονολόγηση άνθρακα), για τον προσδιορισμό της κατά προσέγγιση ηλικίας των αρχαίων υπολειμμάτων! Αν και αυτό μπορεί να φαίνεται λίγο περίπλοκο για όσους δεν είναι εξοικειωμένοι με την πυρηνική χημεία, είναι μια χρήσιμη και ευέλικτη έννοια που πρέπει να κατανοηθεί πλήρως.

Τι είναι η Ραδιενεργή Αποσύνθεση;

Όπως ίσως γνωρίζετε, τα ατομικά στοιχεία μπορεί να έχουν διαφορετικά ισότοπα, τα οποία είναι διαφορετικές εκδοχές ενός στοιχείου που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων που περιέχονται στον πυρήνα. Έτσι, η ατομική μάζα αυτών των ισοτόπων θα είναι διαφορετική, όπως και ορισμένες από τις φυσικές τους ιδιότητες, αλλά οι χημικές τους ιδιότητες είναι γενικά οι ίδιες. Κάθε χημικό στοιχείο έχει ένα ή περισσότερα ισότοπα, μερικά από τα οποία είναι σταθερά και άλλα ασταθή. Ένας ατομικός πυρήνας θεωρείται σταθερός όταν οι δυνάμεις που συγκρατούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί είναι ισχυρότερες από τις δυνάμεις που προσπαθούν να τα απομακρύνουν (ισχυρή ατομική δύναμη έναντι ηλεκτροστατικής απώθησης).

Το απλούστερο παράδειγμα αυτού είναι το υδρογόνο, το οποίο έχει δύο σταθερά ισότοπα—πρώτιο (1 πρωτόνιο) και δευτέριο (γνωστό ως «βαρύ υδρογόνο», με 1 πρωτόνιο και 1 νετρόνιο). Ωστόσο, το υδρογόνο έχει επίσης ένα ασταθές φυσικά ισότοπο γνωστό ως τρίτιο, το οποίο έχει 1 πρωτόνιο και 2 νετρόνια. Η αστάθεια αυτού του ραδιοϊσοτόπου σημαίνει ότι θέλει να διασπαστεί σε μια διαφορετική, πιο σταθερή μορφή.

Όπως τα ανθρώπινα όντα που παλεύουν με τον ρομαντισμό, οι ατομικοί πυρήνες αναζητούν συνεχώς σταθερότητα και μπορούν να το επιτύχουν μέσω της διαδικασίας της ραδιενεργής αποσύνθεσης . Εάν υπάρχει πάρα πολλή ενέργεια μέσα σε έναν ατομικό πυρήνα για να παραμείνει μαζί, τότε ο πυρήνας θα σπάσει, χάνοντας τουλάχιστον μερικά από τα μέρη (νουκλεόνια) που τον καθιστούν ασταθή. Οι αρχικοί ασταθείς πυρήνες θα ονομάζονται «γονέας», ενώ οι πιο σταθεροί πυρήνες που προκύπτουν ονομάζονται «κόρες». Οι κόρες μπορεί να εξακολουθούν να είναι ραδιενεργές (ασταθές) - αν και πιο σταθερές από πριν - και επομένως θα μπορούσαν να υποστούν περαιτέρω αποσύνθεση. Τα μεγαλύτερα στοιχεία με περισσότερα νουκλεόνια—δηλαδή οποιοδήποτε στοιχείο με ατομικό αριθμό πάνω από 83—έχει ασταθή πυρήνα και επομένως είναι ραδιενεργό. Ωστόσο, η ένταση αυτής της ραδιενέργειας μπορεί να ποικίλλει πολύ.

Το Πολώνιο (Po-210), για παράδειγμα, είναι ένα σπάνιο και εξαιρετικά πτητικό ραδιοϊσότοπο χωρίς σταθερά ισότοπα. Εκπέμπει μια απίστευτα υψηλής ενέργειας μορφή ακτινοβολίας κατά τη διάσπαση άλφα—και στην πραγματικότητα λάμπει μπλε!—καθιστώντας το ένα από τα πιο ραδιενεργά στοιχεία. Ωστόσο, αποσυντίθεται σχετικά γρήγορα και έχει ημιζωή μόνο 140 ημερών, που διασπάται σε μόλυβδο (Pb-206) ως προϊόν αποσύνθεσης.

Po-210:ένα πτητικό ραδιενεργό ισότοπο του Πολωνίου (Φωτογραφία:Meggi/Shutterstock)

Υπάρχουν τρεις τύποι ραδιενεργού διάσπασης που συμβαίνουν με βάση τον τύπο της αστάθειας που εντοπίζεται στον πυρήνα.

Alpha Decay

Στην περίπτωση της διάσπασης άλφα, ο πυρήνας θα αναζητήσει σταθερότητα εκπέμποντας ένα σωματίδιο άλφα (δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, ουσιαστικά ένα άτομο ηλίου). Ο ατομικός αριθμός θα μειωθεί κατά 2 μετά από αυτόν τον τύπο διάσπασης. Το ουράνιο-238 είναι το πιο κοινό ισότοπο ουρανίου που βρίσκεται στη φύση και ενώ έχει χρόνο ημιζωής 4,5 δισεκατομμυρίων ετών, όταν ο ατομικός πυρήνας διασπάται, απελευθερώνει ένα σωματίδιο άλφα για να γίνει θόριο-234. Τα σωματίδια άλφα δεν μπορούν να διεισδύσουν σε πολλές ουσίες (και μπορούν να σταματήσουν με ένα κομμάτι χαρτί!), αλλά εξακολουθούν να απελευθερώνονται με μεγάλες ταχύτητες και μπορεί να είναι επικίνδυνα για τα ζωντανά κύτταρα, καθώς μπορούν να χτυπήσουν ηλεκτρόνια από τα κοντινά άτομα. Επομένως, τα σωματίδια άλφα είναι επικίνδυνα όταν καταπίνονται ή εισάγονται στο σώμα, αλλά γενικά θεωρούνται αβλαβή για τον άνθρωπο, καθώς δεν μπορούν να διεισδύσουν ούτε στα ρούχα ενός ατόμου!

Διάγραμμα αποσύνθεσης άλφα (Πιστωτική φωτογραφία :OSweetNature/Shutterstock)

Αποσύνθεση beta

Όταν συμβεί βήτα διάσπαση, ένα ρεύμα σωματιδίων βήτα (ηλεκτρόνια) θα εκτιναχθεί από τον πυρήνα, προκαλώντας ένα από τα νετρόνια να μετατραπεί σε πρωτόνιο (β- διάσπαση) ή ένα πρωτόνιο θα μετατραπεί σε νετρόνιο (διάσπαση β+). Ο ατομικός αριθμός θα αυξηθεί ή θα μειωθεί κατά 1, αν και η ατομική μάζα θα παραμείνει αμετάβλητη. Ένα κοινό παράδειγμα διάσπασης βήτα είναι η ατομική διάσπαση του στροντίου-90 σε ένα ισότοπο υττρίου-90, το οποίο απελευθερώνει ένα ηλεκτρόνιο κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας β-διάσπασης. Ένα σωματίδιο βήτα είναι περίπου 8.000 φορές μικρότερο από ένα σωματίδιο άλφα και επομένως θεωρείται πιο επικίνδυνο, καθώς μπορεί να διαπεράσει τα ρούχα και το δέρμα, σε αντίθεση με τα σωματίδια άλφα, αν και συνήθως μπλοκάρεται από τοίχους και ταξιδεύει μόνο λίγα πόδια όταν εκπέμπεται. /P>

Διάγραμμα αποσύνθεσης beta (Πιστωτική φωτογραφία :OSweetNature/Shutterstock)

Gamma Decay

Ενώ οι δύο προηγούμενες μορφές διάσπασης εκπέμπουν άτομα ηλίου και ηλεκτρόνια/ποζιτρόνια, η διάσπαση γάμμα έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή φωτονίων υψηλής ενέργειας, επιτρέποντας στον πυρήνα να φτάσει σε μια πιο σταθερή μορφή, χωρίς να αλλάξει ο ατομικός αριθμός ή ο αριθμός μάζας. Αυτή είναι η πιο επικίνδυνη μορφή ακτινοβολίας, καθώς η εκπομπή δεν έχει μάζα και μπορεί να περάσει σχεδόν από οποιαδήποτε ουσία. Χρειάζονται αρκετές ίντσες μολύβδου ή πολλά πόδια σκυροδέματος για να μπλοκάρουν αποτελεσματικά αυτές τις «ακτίνες γάμμα», οι οποίες θα περάσουν απευθείας από το σώμα χωρίς δεύτερη σκέψη, επηρεάζοντας τα πάντα, από το μυελό των οστών μέχρι τους ιστούς των πιο ευαίσθητων οργάνων σας. Οι ακτίνες γάμμα είναι ουσιαστικά μια μορφή φωτός, ένας ισχυρός τύπος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που γεννιέται σε αστέρια που εκρήγνυνται και ως αποτέλεσμα άλλων πυρηνικών αντιδράσεων.

Τι είναι το Half-Life;

Τώρα που έχετε κατανοήσει τη ραδιενεργή διάσπαση, η ιδέα του ημιζωής γίνεται πολύ πιο εύκολη η σύλληψη. Καθώς τα ραδιενεργά ισότοπα διασπώνται σε πιο σταθερές μορφές μέσω της διάσπασης άλφα, βήτα και γάμμα, η ποσότητα του αρχικού «μητρικού» υλικού μειώνεται. Τώρα, δεν υπάρχει τρόπος να πούμε με ακρίβεια πότε ένας δεδομένος πυρήνας θα υποστεί ραδιενεργό διάσπαση, καθώς τα άτομα είναι απίστευτα μικρά και απρόβλεπτα. Ωστόσο, όταν εξετάζονται σε μεγάλους αριθμούς (εκατομμύρια, δισεκατομμύρια ή τρισεκατομμύρια μεμονωμένα άτομα), μπορεί να μετρηθεί η στατιστική πιθανότητα ραδιενεργού διάσπασης.

Η κβαντική συμπεριφορά μεμονωμένων ατόμων είναι αδύνατο να εκτιμηθεί, αλλά η συμπεριφορά μιας μεγάλης ομάδας ατόμων υπόκειται σε πιθανότητες, και επομένως σε ένα αξιόπιστο επίπεδο στατιστικής βεβαιότητας. Στην πυρηνική φυσική, ο χρόνος ημιζωής είναι ένα χρήσιμο ραβδί μέτρησης για το πόσο γρήγορα ένα ραδιοϊσότοπο θα υποστεί ραδιενεργό διάσπαση ή πόσο καιρό ένα σταθερό ισότοπο θα παραμείνει ανέπαφο. Είναι ίσως πιο εύκολο να κατανοήσουμε τον χρόνο ημιζωής με ένα παράδειγμα. Ας εξετάσουμε τον χρόνο ημιζωής του ραδιοϊσοτόπου νικελίου-63, το οποίο διασπάται σε χαλκό-63 μέσω της διάσπασης βήτα.

Το νικέλιο-63 έχει χρόνο ημιζωής 100 χρόνια, οπότε ας εξετάσουμε ένα δείγμα αυτού του ραδιενεργού στοιχείου που αποτελείται από 1.000.000 άτομα. Μετά από 100 χρόνια, περίπου 500.000 άτομα θα έχουν διασπαστεί σε χαλκό-63, ένα σταθερό ισότοπο που δεν θα εκπέμπει πλέον ακτινοβολία ή θα διασπάται περαιτέρω, ενώ θα παραμείνουν 500.000 ραδιενεργά άτομα νικελίου-63. Ας το επεκτείνουμε αυτό λίγο περισσότερο…

100 χρόνια – 500.000 άτομα νικελίου-63

200 χρόνια – 250.000 άτομα νικελίου-63

300 χρόνια – 125.000 άτομα νικελίου-63

400 χρόνια – 62.500 άτομα νικελίου-63

500 χρόνια – 31.250 άτομα νικελίου-63

600 χρόνια – 15.625 άτομα νικελίου-63

Όταν ένα ραδιενεργό ισότοπο διασπάται σε ένα σταθερό ισότοπο «θυγατρικού» υλικού, δεν θα διασπαστεί περαιτέρω ούτε θα εκπέμψει άλλη ακτινοβολία. Έτσι, με την πάροδο του χρόνου, το ίδιο ραδιενεργό υλικό θα γίνει λιγότερο επικίνδυνο, καθώς δεν θα εκπέμπει τόσα σωματίδια άλφα, βήτα ή γάμμα. Μετά από 10 ημιζωές, θα υπάρχει λιγότερο από το ένα χιλιοστό της αρχικής ραδιενέργειας από το δείγμα και γενικά θα θεωρείται εντελώς ακίνδυνο.

Ο ρυθμός της ραδιενεργής διάσπασης κάθε υλικού παραμένει σταθερός, αλλά κάθε ισότοπο έχει διαφορετικό χρόνο ημιζωής, που κυμαίνεται από το Υδρογόνο-7 (1 πρωτόνιο και 6 νετρόνια), με χρόνο ημιζωής 2,3×10−23 δευτερόλεπτα, μέχρι το τέλος. στο Τελλούριο-128 (52 πρωτόνια και 76 νετρόνια), το οποίο έχει χρόνο ημιζωής 2,2×1024 χρόνια—150 τρισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από την ηλικία του σύμπαντος!

Μια τελευταία λέξη

Όταν αρχίζεις να βλέπεις πράγματα σε ατομική ή κβαντική κλίμακα, γίνεται πολύ πιο δύσκολο να είσαι ακριβής σε σχέση με ένα μεμονωμένο άτομο. Όταν κοιτάμε ένα μεμονωμένο άτομο ουρανίου-235, είναι αδύνατο να γνωρίζουμε πότε ή αν θα υποστεί ραδιενεργό διάσπαση και θα γίνει ένα μόνο άτομο θορίου-231. Ωστόσο, όταν παρατηρούμε ένα εκατομμύριο άτομα ουρανίου-235, είναι μια ακριβής στατιστική πιθανότητα να πούμε ότι τα μισά από τα άτομα θα έχουν διασπαστεί το άλφα μέσα σε 703 εκατομμύρια χρόνια!

Ενώ ο χρόνος ημιζωής συνήθως συνδέεται με την πυρηνική φυσική, είναι επίσης μια εφαρμόσιμη και χρήσιμη έννοια στην ιατρική τεχνολογία, όπως στη φαρμακοκινητική ορισμένων φαρμάκων, καθώς και στη χρήση φυτοφαρμάκων σε φυτά και στη ραδιομετρική χρονολόγηση απολιθωμάτων δεινοσαύρων με άνθρακα ! Οι υπολογισμοί του χρόνου ημιζωής είναι ένας τρόπος για να κατανοήσετε το απρόβλεπτο κβαντικό βασίλειο και να μπορέσετε να αξιολογήσετε τη μακροπρόθεσμη επίδραση των ραδιενεργών υλικών τόσο στο περιβάλλον όσο και στη ζωή σε αυτόν τον πλανήτη!