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.

Радиоактивность это самопроизвольное преобразование нестабильного нуклида, которое приводит к испусканию излучения. Это случайный процесс, поэтому все ядра в образце имеют одинаковую вероятность распада. Число распадов в единицу времени называется активностью A, которая прямо пропорциональна N, количеству радиоактивных ядер.

Лямбда, постоянная распада, это средняя вероятность распада ядра в единицу времени. Активность измеряется детекторами излучения и имеет беккерель, который представляет собой один распад в секунду, в качестве единицы СИ.Кюри, составляющая 37 миллиардов беккерелей, до сих пор используется в крупномасштабных приложениях. У разных радионуклидов разные скорости распада.

Поскольку активность пропорциональна количеству радиоактивных атомов, она уменьшается со временем по мере уменьшения количества нестабильных ядер в образце. Изменение активности во времени рассчитывается с помощью экспоненциального уравнения, где A активность в момент времени t, A нулевое начальная активность, лямбда постоянная затухания, а t время, прошедшее с момента, когда активность была равна A нулевому. Период полураспада радионуклида t_1/2 это среднее время, необходимое для того, чтобы активность образца упала до половины этого значения.

Таким образом, уравнение можно переформулировать, чтобы рассчитать период полураспада из постоянной распада, которой он обратно пропорционален. Период полураспада является внутренним свойством радионуклида, и он значительно отличается от нуклида к нуклиду:радон-220 имеет период полураспада в одну минуту, тогда как торий-232 имеет период полураспада 14 миллиардов лет. Фиксированные периоды полураспада радионуклидов важны для таких методов, как радиометрическое датирование, при котором возраст объектов оценивается по количеству встречающихся в природе радионуклидов.

Соотношение нестабильного углерода-14 и стабильного углерода-12 в живых растениях и животных соответствует таковому в атмосфере. Соотношение поддерживается за счет восполнения углерода из воздуха и пищи. После смерти отношение углерода-14 к углероду-12 начинает уменьшаться, поскольку радиоактивный углерод-14 распадается с испусканием бета-частиц.

Если в образце содержится на 25%больше углерода-14, чем при жизни, значит, должно пройти два периода полураспада. Возраст объекта должен составлять 11460 лет.