Скорость радиоактивного распада. Период полураспада

Устойчивые и неустойчивые изотопы

Вопрос № 2. Изотопы. Период полураспада. Использование радиоизотопов (20 мин.)

Изотопы химического элемента имеют одинаковый атомный номер, но различные массовые числа, что обусловлено различным числом нейтронов в ядре.

В Солнечной системе найдены 350 изотопов, которые образованы 90 элементами.

Все изотопы подразделяют на устойчивые и неустойчивые. Устойчивые изотопы не подвергаются радиоактивному распаду. Поэтому они сохраняются в природных условиях. Примерами устойчивых изотопов являются кислород-16 и углерод-12. На Земле существует около 280 устойчивых изотопов. Большинство естественно существующих элементов состоит из одного устойчивого изотопа в смеси с небольшим количеством других устойчивых и неустойчивых изотопов.

Наибольшее число изотопов имеет олово – десять.

Состав природных смесей изотопов одинаков повсюду на Земле. Приводимая в Периодической таблице атомная и молярная массы элемента – это средние массы, зависящие от относительного содержания изотопов.

Установлено, что наибольшей устойчивостью обладают изотопы со следующим числом протонов или нейтронов: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Указанные числа получили название магических чисел. Предполагается, что они указывают наличие замкнутых ядерных оболочек, в каком-то смысле аналогичных замкнутым электронным оболочкам атомов благородных газов. Устойчивые изотопы с указанными магическими числами протонов и нейтронов включают ⁴₂Не, ¹⁶₈О, ²⁰⁸₈₂ Pb.

Неустойчивые изотопы радиоактивны. Их принято называть радиоактивными изотопами, радиоизотопами или радионуклидами. Радиоизотопы подразделяются на естественные и искусственные. И те, и другие распадаются, испуская при этом a- или b-частицы. Распад продолжается до образования устойчивого изотопа. Известны около 70 естественных радиоизотопов.

Сначала Мария Кюри считала радиоактивность свойством только тяжелых элементов. Действительно, природные радиоизотопы – это изотопы большей частью тяжелых элементов. Например, изотопы всех элементов с атомным номером больше 83 (висмут) радиоактивны. Однако довольно много более легких элементов имеют природные изотопы, например ³₁ Н, ¹⁴₆С, ⁴⁰₁₉К, ¹⁹⁰₇₈ Pt и др. В принципе возможно получить радиоактивный изотоп любого элемента. Искусственно в лабораториях было получено свыше 1600 изотопов.

Разные изотопы имеют разное время жизни. Скорость распада важно знать, чтобы решить, насколько полезен или опасен данный изотоп.

Скорость, с которой распадается радиоактивный изотоп, нельзя увеличить или уменьшить. Она зависит только от того, какой это изотоп и каково его количество в данный момент времени.

Скорость распада радиоизотопов измеряется периодом полураспада.

Период полураспада t_1/2 неустойчивого изотопа – это время, за которое его радиоактивность уменьшается вдвое по сравнению с исходной. Таким образом, промежутки времени, необходимые для того, чтобы из исходного числа радиоактивных атомов N₀ осталась половина этого числа N₀/2, а также чтобы из N₀/2 осталось N₀/4, а из N₀/4 осталось N₀/8 и т.д. равны и составляют t_1/2.

Скорость распада пропорциональна числу нераспавшихся радиоактивных атомов.

Периоды полураспада могут составлять от миллионных долей секунды до миллионов лет. Они не зависят от массы радиоактивного вещества, от присутствия катализаторов или изменения температуры.

Периоды полураспада некоторых изотопов

Изотоп	Символ	Период полураспада	Происхождение
Полоний-212	^21284Ро	3 × 10^-7 с
Углерод-14	^146С	5700 лет	Бомбардировка атмосферного азота космическими лучами
Уран-238	^23892U	4,5 × 10^9 лет	Урановые минералы
Торий-230	^23090Th	80000 лет
Радий-226	^22686Ra	1620 лет
Цезий-137	^13755Cs	27 лет	Выпадение осадков после взрыва атомных и водородных бомб
Стронций-90	^9038Sr	80000 лет
Радон-222	^22286Rn	3,82 дня	Земная кора

Поскольку скорость распада зависит лишь от первой степени количества N₀ радиоактивного вещества, этот процесс относится к реакциям первого порядка и должен описываться кинетическим уравнением

или .

По истечении периода полураспада количество нераспавшегося радиоактивного вещества должно составлять половину исходного количества, т.е. N₀/2, и следовательно, период полураспада можно выразить следующим образом:

t_1/2 = или t_1/2 = .

В общем виде для любого момента времени

.

Величина k (с^-1) называется константой скорости радиоактивного распада, характеризует скорость радиоактивного превращения и показывает, какая доля исходного числа атомов радиоактивного изотопа распадается в единицу времени.

Обратная величина 1/k (с) – среднее время жизни радиоактивного элемента – указывает, из какого числа ядер распадается одно ядро в течение 1 с.

Зная период полураспада, нетрудно найти константу скорости радиоактивного распада любого изотопа.

Каждый конкретный изотоп характеризуется индивидуальными значениями постоянных t_1/2 и k.

Дата добавления: 2017-01-13