17.1: איזוטופים רדיואקטיביים

Last updated
Save as PDF

Page ID: 209280

Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

נזכיר כי אטום הוא המרכיב הקטן ביותר של יסוד השומר על כל התכונות הכימיות של אותו יסוד (ראה חומר). כפי שנדון בעבר, אטומים מכילים נויטרונים לא טעונים ופרוטונים טעונים חיוביים בגרעין. אלקטרונים טעונים שלילית מקיפים את הגרעין. המסה האטומית של אטום נקבעת על פי מספר הפרוטונים והנייטרונים מכיוון שמסת האלקטרונים זניחה. כל פרוטון או נויטרון שוקלים יחידת מסה אטומית אחת (AMU). ערכי המסה האטומית המוצגים בטבלה המחזורית של היסודות אינם מספרים שלמים מכיוון שהם מייצגים את המסה האטומית הממוצעת לאטומים של אותו יסוד (איור\(\PageIndex{a}\)). לאטומים של אותו יסוד אין בהכרח אותה מסה מכיוון שהם יכולים להיות שונים במספר הנויטרונים.

התאים המייצגים מימן ואורניום מהטבלה המחזורית של היסודות. — איור\(\PageIndex{a}\): המספר השלם בכל תא בטבלה המחזורית הוא המספר האטומי, או מספר הפרוטונים (1 למימן ו -92 לאורניום). מוצג גם מספר המסה האטומית, שהוא המספר הממוצע של פרוטונים ונויטרונים (1.01 למימן ו -238.03 לאורניום). תמונות שנחתכו ותויגו מהמרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי (נחלת הכלל).

איזוטופים הם צורות שונות של אותו יסוד שיש להם אותו מספר פרוטונים, אך מספר שונה של נויטרונים. לחלק מהיסודות, כמו פחמן, אשלגן ואורניום, יש איזוטופים טבעיים. פחמן-12, האיזוטופ הנפוץ ביותר של פחמן, מכיל שישה פרוטונים ושישה נויטרונים. לכן יש לו מספר מסה של 12 (שישה פרוטונים ושישה נויטרונים) ומספר אטומי של 6 (מה שהופך אותו לפחמן). פחמן-14 מכיל שישה פרוטונים ושמונה נויטרונים. לכן יש לו מספר מסה של 14 (שישה פרוטונים ושמונה נויטרונים) ומספר אטומי של 6, כלומר הוא עדיין היסוד פחמן. שתי צורות חלופיות אלה של פחמן הן איזוטופים. איזוטופים מסוימים אינם יציבים ופולטים קרינה בצורה של חלקיקים ואנרגיה ליצירת יסודות יציבים יותר. צורות מסוימות של קרינה מסוכנות. אלה נקראים איזוטופים רדיואקטיביים או רדיואיזוטופים (איור). \(\PageIndex{b}\) במהלך ריקבון רדיואקטיבי, סוג אחד של אטום יכול להשתנות לסוג אחר של אטום בדרך זו (איור\(\PageIndex{c}\)).

מודלים של פרוטיום, דאוטריום וטריטיום, שכולם איזוטופים של מימן — איור\(\PageIndex{b}\): איזוטופים של מימן. לכל האטומים הללו יש פרוטון אחד (עיגול ורוד שכותרתו "p ⁺ "), אך לפרוטיום אין נויטרונים, לדאוטריום יש נויטרון אחד (עיגול כתום שכותרתו "n"), ולטריטיום שני נויטרונים. הפרוטון והנייטרון (ים) ממוקמים במרכז האטום (הגרעין). אלקטרון (עיגול כחול שכותרתו "e ^- ") מסתובב סביב כל גרעין אטום. תמונה מהמרכז הלאומי לפיתוח איזוטופים/תוכנית איזוטופים של משרד האנרגיה האמריקאי (נחלת הכלל).

אטום פחמן-14 מתפרק לחנקן -14 ומשחרר קרינה — איור\(\PageIndex{c}\): **לאיזוטופ רדיואקטיבי** של פחמן (פחמן-14) יש שישה פרוטונים ושמונה נויטרונים. הוא מתפרק לאיזוטופ יציב של חנקן (חנקן -14), שיש בו שבעה פרוטונים ושבעה נויטרונים. ריקבון רדיואקטיבי משחרר קרינה. (סוג הקרינה המסוים המתרחש בדוגמה זו נקרא בטא מינוס ריקבון, β-.) פחמן-14 מתפורר בקצב צפוי, כאשר מחציתו מתפוררת כל 5730 שנה. מכיוון שפחמן נמצא בשפע באורגניזמים, שיעור ריקבון צפוי זה משמש בדרך כלל לתיארוך מאובנים. תמונה מ - CDC (נחלת הכלל).

מחצית חיים

מחצית החיים היא משך הזמן שלוקח למחצית מהאיזוטופ הרדיואקטיבי המקורי להתפרק (איור\(\PageIndex{d}\)). לדוגמה, זמן מחצית החיים של אורניום -238 הוא כ -4.5 מיליארד שנים. לאחר 4.5 מיליארד שנים, רק מחצית (50%) מהכמות המקורית של אורניום -238 תישאר. השאר יתפרקו לתוריום -234 (שהוא גם רדיואקטיבי ומתפורר במהירות לסדרה של איזוטופים רדיואקטיביים, עד שבסופו של דבר הוא הופך לעופרת 206, שהיא יציבה; איור). \(\PageIndex{e-f}\) לאחר שני מחצית חיים (9 מיליארד שנים), רק מחצית מ -50% יישארו (25% מהמקור). לאחר שלוש מחצית חיים, רק 12.5% מהאורניום המקורי -238 יישארו.

הגרעין של U-238, המורכב מפרוטונים ונויטרונים רבים מתפורר ל- Th-235 על ידי שחרור שני פרוטונים ושני נויטרונים. — איור\(\PageIndex{e}\): כאשר אורניום -238 לא יציב מתפורר, הוא פולט חלקיק אלפא (α), שהוא שני פרוטונים ושני נויטרונים. זה משנה אותו לאלמנט חדש (תוריום -234). תמונה מאת אופנסטקס (CC-BY). הורד בחינם באתר openstaxcollege.org.

שרשרת הריקבון של אורניום -238 מיוצגת על ידי סדרה של איזוטופים המחוברים בחצים — איור\(\PageIndex{f}\): שרשרת הריקבון של אורניום -238. כל מסת איזוטופים, מספר אטומי וחצי חיים רשומים לפי הסדר, מימין לסמל האטומי. כל חץ מסומן בסוג הקרינה המשתחררת: קרינת אלפא (α), שהיא שני פרוטונים ושני נויטרונים, או קרינת בטא (β), שהיא אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה. הריקבון נמשך מאורניום עד שהוא מסתיים באיזוטופ יציב (לא רדיואקטיבי), עופרת (Pb-206). תמונה מאת טוסקה (CC-BY).

אבולוציה בפעולה: תיארוך פחמן

פחמן-14 (¹⁴ C) הוא רדיואיזוטופ טבעי שנוצר באטמוספירה על ידי קרניים קוסמיות. זהו תהליך מתמשך, כך שתמיד נוצרים יותר ¹⁴ C. ככל שמתפתח אורגניזם חי, הרמה היחסית של ¹⁴ C בגופו שווה לריכוז 14C באטמוספירה. כאשר אורגניזם מת, הוא כבר לא בולע ¹⁴ צלזיוס, כך שהיחס יירד. ¹⁴ C מתפרק ל- ¹⁴ N בתהליך הנקרא ריקבון בטא; זה פולט אנרגיה בתהליך איטי זה (איור\(\PageIndex{c}\)). לאחר כ-5,730 שנים, רק מחצית מהריכוז ההתחלתי של ¹⁴ C יומר ^ל-14 נ' הזמן שלוקח למחצית מהריכוז המקורי של איזוטופ להתפורר לצורתו היציבה יותר נקרא מחצית החיים שלו.

מכיוון שזמן מחצית החיים של ¹⁴ C ארוך, הוא משמש ליישון חפצים חיים בעבר, כגון מאובנים. באמצעות היחס בין ריכוז ¹⁴ C שנמצא באובייקט לכמות ¹⁴ C שזוהתה באטמוספירה, ניתן לקבוע את כמות האיזוטופ שטרם התפרק. על סמך כמות זו ניתן לחשב את גיל המאובן לכ- 50,000 שנה (איור \(\PageIndex{g}\) למטה). איזוטופים עם מחצית חיים ארוכה יותר, כגון אשלגן -40, משמשים לחישוב הגילאים של מאובנים ישנים יותר. באמצעות שימוש בתארוך פחמן, מדענים יכולים לשחזר את האקולוגיה והביוגיאוגרפיה של אורגניזמים החיים במהלך 50,000 השנים האחרונות.

תגובות ביקוע גרעיני

תגובות ביקוע גרעיניות הן אלו הכרוכות בפיצול גרעין האטום (איור\(\PageIndex{h}\)). הם יכולים להיגרם על ידי פיצוץ אלמנטים רדיואקטיביים עם נויטרונים. כמו בהתפרקות רדיואקטיבית טבעית, תגובות ביקוע גרעיניות המושרות משחררות אנרגיה. אנרגיית החום המשתחררת בעת ביקוע גרעיני יכולה לשמש לייצור חשמל. זהו הבסיס של כוח גרעיני. נכון לעכשיו, אורניום -235 ⁽²³⁵ U; איזוטופ של אורניום עם מסה אטומית של 235) משמש כיום כדלק לתגובות ביקוע גרעיני (איור). \(\PageIndex{h}\)

ביקוע גרעיני מראה גרעין אטום מתפצל. היתוך גרעיני מראה שני גרעינים קטנים יותר המשלבים. — איור\(\PageIndex{h}\): ביקוע גרעיני והתמזגות הם תהליכים פיזיקליים המייצרים אנרגיה מאטומים. ביקוע גרעיני כרוך בפיצול גרעין האטום, אך היתוך גרעיני כרוך בשילוב גרעינים קטנים יותר לגרעין גדול יותר. תמונה מאת שרה הרמן/משרד האנרגיה האמריקאי (נחלת הכלל).

מקבץ של כדורים אדומים וכחולים מייצגים גרעין U-235, שנפגע בנויטרון (כדור אדום) ומפוצל — איור\(\PageIndex{i}\): ביקוע של אורניום -235 (²³⁵ U) יכול להיגרם על ידי הפצצתו בנויטרון. זה מייצר U-236, שהוא לא יציב ומתפצל לשברי ביקוע ונויטרונים נוספים. כתוצאה מכך משתחררת אנרגיה. כדורים אדומים הם נויטרונים, וכדורים כחולים הם פרוטונים. תמונה מאת BC ספרי לימוד פתוחים (CC-BY).

ייחוס

שונה על ידי מליסה הא מחומר מביולוגיה סביבתית מאת מתיו ר 'פישר (מורשה תחת CC-BY)