19.5: Radyoaktif Bozunma ve Radyometrik Tarihleme

Radyoaktivite, kararsız bir nüklidin kendiliğinden bozunmasıdır ve numunedeki tüm çekirdekler aynı anda bozulmadığı için rastgele bir süreçtir. Birim zaman başına parçalanma sayısı, numunedeki çekirdek sayısıyla doğru orantılı olan aktivite olarak (A) yorumlanır. Bozunma sabiti (λ), birim zamanda çekirdek başına ortalama bozunma olasılığıdır.

Aktivite için SI birimi, saniyede bir parçalanma olan becquerel'dir. Başka bir aktivite birimi, 37 milyar becquerel'e eşit olan curie'dir. Farklı radyonüklidler için zamana göre aktivite grafiği, farklı bozunma oranlarını gösterir. Aktivitenin herhangi bir değerden bu değerin yarısına düşmesi için gereken süre t_1/2 olarak gösterilen yarı ömürdür.

Aktivite radyoaktif atomların sayısı ile orantılı olduğu için, numune miktarı azaldıkça zamanla azalır. Matematiksel olarak, bir radyonüklidin aktivitesi üstel denklem ile gösterilir:

Bu nedenle, aktivite yarıya indirildiğinde, denklemin yeniden düzenlenmesi, bozunma sabiti ile ters orantılı olan yarı ömrü hesaplamanın bir yolunu sağlar.

Bir yarı ömür, bir radyonüklidin içsel bir özelliğidir ve kararsız bir nüklidin herhangi bir tek atomu, bir vakumda veya bu nüklidin diğer birçok atomuna sahip bir numunede tamamen yalnız olup olmadığına bakılmaksızın aynı yarı ömre sahiptir. Radyonüklidlerin yarı ömürleri büyük ölçüde değişir: radon-220'nin yarı ömrü 1 dakikadır: bir milyon çekirdek bir dakika içinde yarım milyona kadar bozunur ve bir dakika içinde bir milyonun dörtte birine kadar bozunur. Bununla birlikte, toryum-232'nin yarı ömrü 14 milyar yıldır.

Bazı radyoizotoplar, arkeolojik eserler, daha önce yaşayan organizmalar veya jeolojik oluşumlar gibi nesnelerin zamansal kökenini “tarihlendirmek” amacıyla onları yararlı kılan yarı ömürlere ve diğer özelliklere sahiptir.

Yarı ömrü 5730 yıl olan bir radyonüklid olan karbon-14, canlı bir organizmanın parçası olan nesnelerin tarihlendirilmesine bir yöntem sağlar. Bu radyometrik tarihleme yöntemi, yaklaşık 30.000 yaşına kadar olan ve yaklaşık 50.000 yaşına kadar makul derecede doğru tarihler sağlayabilen karbon içeren maddelerin tarihlendirilmesi için uygundur.

Doğal olarak oluşan karbon üç izotoptan oluşur: dünyadaki karbonun yaklaşık %99'unu oluşturan karbon-12; toplamın yaklaşık %1'ini oluşturan karbon-13; ve eser miktarda karbon-14’tür. Karbon-14, azot atomlarının uzaydaki kozmik ışınlardan nötronlarla reaksiyonu ile üst atmosferde oluşur.

Tüm karbon izotopları CO₂ molekülleri üretmek için oksijen ile reaksiyona girer. Böylece, canlı bitkiler ve hayvanlar, atmosfere özdeş bir karbon-14 ve karbon-12 oranına sahiptir. Ancak canlı bitki veya hayvan öldüğünde, karbonun yenilenmesi durur ve radyoaktif karbon-14 sürekli olarak bozunduğunda karbon-14 ila 12 oranı azalmaya başlar. Örneğin, arkeolojik bir kazıda bulunan ahşap bir nesnedeki karbon-14 ila karbon-12 oranı, yaşayan bir ağaçta bulunanın yarısıysa, bu, nesnenin 5730 yıl önce kesilmiş ahşaptan yapıldığını gösterir. Karbon-14 ila karbon-12 oranlarının son derece doğru tespitleri, bir kütle spektrometresi kullanılarak çok küçük numunelerden (bir miligram kadar az) elde edilebilir.

Radyoaktif tarihleme, eski olayları tarihlemek için daha uzun yarı ömre sahip diğer radyoaktif nüklidleri de kullanabilir. Örneğin, kurşun-206'ya bir dizi adımda bozunan uranyum-238, kayaların yaşını (ve dünyadaki en eski kayaların yaklaşık yaşını) belirlemek için kullanılabilir. Uranyum-238'in yarı ömrü 4,5 milyar yıl olduğundan, orijinal uranyum-238'in yarısının kurşun-206'ya bozunması bu kadar zaman alır. En bol kurşun izotopu olan kayda değer miktarda kurşun-208 içermeyen bir kaya örneğinde, kaya oluştuğunda kurşunun mevcut olmadığını varsayabiliriz. Bu nedenle, U-238:Pb-206 oranını ölçerek ve analiz ederek, kayanın yaşını belirleyebiliriz. Bu, mevcut tüm kurşun-206'nın uranyum-238'in bozunmasından geldiğini varsayar. Numunedeki diğer kurşun izotoplarının varlığı ile gösterilen ek kurşun-206 mevcutsa, bir ayarlama yapmak gerekir. Potasyum-argon tarihleme de benzer bir yöntem kullanır. Potasyum-40, 1,25 milyar yıllık bir yarı ömre sahip argon-40 oluşturmak için pozitron emisyonu ve elektron yakalama ile bozunur. Bir kaya numunesi ezilirse ve kaçan argon-40 gazı miktarı ölçülürse, Ar-40:K-40 oranının belirlenmesi kayanın yaşını verir.

Bu metin bu kaynaktan uyarlanmıştır: Openstax, Chemistry 2e, Section 21.3: Radioactive Decay.

Radyoaktivite, kararsız bir nüklidin spontan dönüşümüdür ve radyasyon emisyonu ile sonuçlanır. Bu rastgele bir süreçtir, yani numunedeki tüm çekirdekler aynı bozulma olasılığına sahiptir. Birim zamanda parçalanma sayısı, radyoaktif çekirdek sayısı olan N ile doğru orantılı olan A etkinliği olarak adlandırılır.

Bozunma sabiti olan Lambda, birim zamanda çekirdek başına düşen ortalama bozulma olasılığıdır. Aktivite radyasyon dedektörleri ile ölçülür ve SI birimi olarak saniyede bir parçalanma olan becquerel'e sahiptir. 37 milyar bekerel olan curie, büyük ölçekli uygulamalar için hala kullanılmaktadır.

Farklı radyonüklitlerin farklı bozunma oranları vardır. Aktivite radyoaktif atom sayısı ile orantılı olduğundan numunedeki kararsız çekirdek miktarı azaldıkça zamanla azalır. Aktivitenin zaman içindeki değişimi bir denklem ile hesaplanır, burada A t anındaki aktivite, A₀ başlangıç aktivitesidir, lambda bozunma sabiti ve t aktivite Ap olduğundan beri geçen süredir.

Bir radyonüklidin yarı ömrü t_1/2, bir numunenin aktivitesinin bu değerin yarısına düşmesi için gereken ortalama süredir. Böylelikle, ters orantılı olduğu bozunma sabitinden yarılanma ömrünü hesaplamak için denklem yeniden düzenlenebilir. Yarı ömür, bir radyonüklidin kendine özgü bir özelliğidir ve çekirdek nüklidden büyük ölçüde değişir:radon-220'nin yarı ömrü bir dakika iken, toryum-232'nin yarı ömrü 14 milyar yıldır.

Radyonüklitlerin sabit yarı ömürleri, doğal olarak oluşan radyonüklitlerin miktarından nesnelerin yaşını tahmin eden radyometrik tarihleme gibi tekniklerle ilgilidir. Canlı bitkilerde ve hayvanlarda kararsız karbon-14'ün kararlı karbon-12'ye oranı atmosferinkiyle eşleşir. Oran, havadan ve yiyeceklerden karbon takviyesi ile korunur.

Ölümden sonra, radyoaktif karbon-14 beta parçacıkları yayarak bozundukça karbon-14'ün karbon-12'ye oranı azalmaya başlar. Bir örnek, canlıyken olduğu gibi yüzde 25 oranında karbon-14 içeriyorsa, o zaman iki yarılanma ömrü geçmiş olmalıdır. Nesne 11.460 yaşında olmalıdır.