19.5: Радиоактивный распад и радиометрическое датирование

Радиоактивность — это спонтанная дезинтеграция нестабильного нуклида и является случайным процессом, так как все ядра в образце не распаются одновременно. Количество дисинтеграций за единицу времени называется активностью (A), которая прямо пропорциональна количеству ядер в образце. Константа распада (λ) — средняя вероятность распада на ядро в единице времени.

Единицей деятельности СИ является манекерель, который составляет одну дезинтеграцию в секунду. Другой единицей деятельности является кюри, которое равно 37 миллиардам беккерелей. Построение графика активности и времени для различных радионуклидов указывает на различные скорости распада. Время, необходимое для того, чтобы активность упала с любого значения до половины этого значения, составляет половину срока службы, обозначенного как t1_/2.

Поскольку активность пропорциональна количеству радиоактивных атомов, она со временем уменьшается по мере уменьшения количества образца. Математически активность радионуклида обозначается экспоненциальным уравнением:

Таким образом, при уменьшении активности до половины, переупорядочивание уравнения обеспечивает способ расчета полураспада, который обратно пропорционален константе распада.

Полужизнь является свойством радионуклида, и любой единственный атом нестабильного нуклида имеет одинаковый период полураспада независимо от того, полностью ли он находится в вакууме или в образце со многими другими атомами этого нуклида. Полужизни радионуклидов сильно варьируются: Радон-220 имеет период полураспада 1 минуты: Один миллион ядер распался до полумиллиона за минуту и еще больше распался до одной четверти миллиона за одну минуту. Тем не менее, торий-232 имеет период полураспада 14 миллиардов лет.

Некоторые радиоизотопы имеют полужизненные и другие свойства, которые делают их полезными для «определения» временного происхождения таких объектов, как археологические артефакты, ранее живые организмы или геологические образования.

Carbon-14, радионуклид с периодом полураспада 5730 лет, предоставляет способ знакомства объектов, которые были частью живого организма. Этот метод радиометрической датирования точен для датирования углеродсодержащих веществ, которые до 30,000 лет и могут обеспечить достаточно точные даты до максимум около 50,000 лет.

Естественный углерод состоит из трех изотопов: Углерод-12, который составляет около 99% углерода на земле; углерод-13, около 1% от общего количества; и следовые количества углерода-14. Углерод-14 образуется в верхней атмосфере реакцией атомов азота с нейтронами из космических лучей в космосе.

Все изотопы углерода вступают в реакцию с кислородом, образуя молекулы CO2. Таким образом, живые растения и животные имеют соотношение углерода-14 и углерода-12, идентичное атмосфере. Но когда живые растения или животные погибает, пополнение углерода прекращается, а соотношение углерода-14 к 12 начинает уменьшаться по мере того, как радиоактивный углерод-14 постоянно распадается. Например, если соотношение углерода-14 к углероду-12 в деревянном объекте, найденном в археологической копке, вдвое меньше, чем в жиком дереве, это говорит о том, что объект был сделан из дерева, вырубенного 5730 лет назад. Высокоточные определения соотношения углерода-14 к углероду-12 можно получить из очень небольших образцов (всего в миллиграме) с помощью масс-спектрометра.

Радиоактивные датики также могут использовать другие радиоактивные нуклиды с более доллыми полужизнями для даты более старых событий. Например, уран-238, который распадается в серии шагов в свинец-206, может быть использован для установления возраста пород (и приблизительного возраста самых старых пород на земле). Поскольку уран-238 имеет период полураспада 4.5 миллиардов лет, то половина первоначального урана-238 уходит на распад в свинец-206. В образце помоль, которая не содержит заметных количеств свинца-208, самого обильного изотопа свинца, можно предположить, что свинец не присутствовал при создании помоль. Поэтому, измеряя и анализируя соотношение U-238:Pb-206, мы можем определить возраст скалы. Это предполагает, что все свинец-206 настоящее произошло от распада урана-238. Если в образце присутствует дополнительное отведение-206, что обозначается наличием других изотопов свинца, необходимо произвести корректировку. В калийных терминах используется аналогичный метод. Калий-40 распадается по позитронному излучению и захвату электронов, образуя аргон-40 с периодом полураспада 1.25 миллиардов лет. Если порода раздавлена и измеряется количество выходящего аргона-40 газа, определение соотношения AR-40:K-40 приводит к эпохе помоль.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 21.3: Радиоактивный распад.