17.1: Isotopu za mionzi

Kumbuka kwamba atomi ni sehemu ndogo zaidi ya elementi inayohifadhi mali zote za kemikali za elementi hiyo (tazama Matter). Kama ilivyojadiliwa hapo awali, atomi zina nyutroni zisizochajwa na protoni zenye chaji chanya katika kiini. Elektroni za kushtakiwa vibaya huzunguka kiini. Masi atomia ya atomu imedhamiriwa na idadi ya protoni na nyutroni kwa sababu masi ya elektroni ni duni. Kila protoni au neutroni huzidi kitengo cha molekuli atomia 1 (AMU). Maadili ya molekuli atomia yanayoonyeshwa katika meza ya mara kwa mara ya elementi si namba nzima kwa sababu yanawakilisha molekuli atomia wastani kwa atomi za elementi hiyo (takwimu\(\PageIndex{a}\)). Atomi za elementi ileile hazihitaji kuwa na masi ileile kwa sababu zinaweza kutofautiana kwa namba ya neutroni.

Kielelezo\(\PageIndex{a}\): Nambari nzima katika kila kiini cha meza ya mara kwa mara ni namba ya atomiki, au idadi ya protoni (1 kwa hidrojeni na 92 kwa uranium). Nambari ya molekuli atomia inaonyeshwa pia, ambayo ni wastani wa idadi ya protoni na nyutroni (1.01 kwa hidrojeni na 238.03 kwa uranium). Picha zilizopigwa na kinachoitwa kutoka Kituo cha Taifa cha Taarifa za Bioteknolojia (uwanja wa umma).

Isotopi ni aina tofauti za elementi moja ambazo zina idadi sawa ya protoni, lakini idadi tofauti ya nyutroni. Vipengele vingine, kama vile kaboni, potasiamu, na uranium, vina isotopi zinazotokea kwa kawaida. Kaboni-12, isotopu ya kawaida ya kaboni, ina protoni sita na neutroni sita. Kwa hiyo, ina idadi kubwa ya 12 (protoni sita na nyutroni sita) na namba atomia ya 6 (ambayo inafanya kuwa kaboni). Kaboni-14 ina protoni sita na nyutroni nane. Kwa hiyo, ina idadi kubwa ya 14 (protoni sita na nyutroni nane) na namba atomia ya 6, maana yake bado ni elementi kaboni. Aina hizi mbili mbadala za kaboni ni isotopi. Isotopi zingine ni thabiti na hutoa mionzi kwa namna ya chembe na nishati ili kuunda elementi imara zaidi. Aina fulani za mionzi ni hatari. Hizi huitwa isotopi za mionzi au radioisotopu (takwimu\(\PageIndex{b}\)) Wakati wa kuoza kwa mionzi, aina moja ya atomi inaweza kubadilika kuwa aina nyingine ya atomi kwa njia hii (takwimu\(\PageIndex{c}\)).

Mchoro\(\PageIndex{b}\): Isotopes ya hidrojeni. Atomi hizi zote zina protoni moja (mduara wa pink unaoitwa “p ⁺ “), lakini protiamu haina nyutroni, deuterium ina neutroni moja (mduara wa machungwa kinachoitwa “n”), na tritiamu ina nyutroni mbili. Protoni na nyutroni (s) ziko katikati ya atomu (kiini). Elektroni (mduara wa bluu iliyoitwa “e ^- “) huzunguka kila kiini cha atomi. Picha kutoka Kituo cha Maendeleo ya Taifa Isotop/Idara ya Nishati Isotope Programu ya Marekani (uwanja wa umma).

Kielelezo\(\PageIndex{c}\): Isotopu ya mionzi ya kaboni (kaboni-14) ina protoni sita na neutroni nane. Inaharibika hadi isotopu imara ya nitrojeni (nitrojeni-14), ambayo ina protoni saba na nyutroni saba. Uharibifu wa mionzi hutoa mionzi. (Aina fulani ya mionzi inayotokea katika mfano huu inaitwa beta minus kuoza, β-.) Kaboni-14 huharibika kwa kiwango cha kutabirika, na nusu yake ikaharibika kila baada ya miaka 5730. Kwa sababu kaboni ni nyingi katika viumbe, kiwango hiki cha kuoza kutabirika kinatumika kwa kawaida kwa fossils za dating. Picha kutoka CDC (uwanja wa umma).

Nusu ya maisha

Nusumaisha ni kiasi cha muda ambacho inachukua kwa nusu ya isotopu ya awali ya mionzi kuoza (takwimu\(\PageIndex{d}\)). Kwa mfano, nusu ya maisha ya uranium-238 ni karibu miaka bilioni 4.5. Baada ya miaka bilioni 4.5, nusu tu (50%) ya kiasi cha awali cha uranium-238 kitabaki. Wengine watakuwa wameharibika kwa thorium-234 (ambayo pia ni mionzi na haraka huharibika kwa mfululizo wa isotopu za mionzi, mpaka hatimaye inakuwa risasi-206, ambayo ni imara; takwimu\(\PageIndex{e-f}\)). Baada ya nusu ya maisha mawili (miaka bilioni 9), nusu tu ya 50% ingebaki (25% ya awali). Baada ya maisha ya nusu tatu, asilimia 12.5 tu ya uranium-238 ya awali ingebaki.

Kielelezo\(\PageIndex{d}\): Baada ya kila maisha ya nusu, 50% ya isotopu ya mionzi huharibika. Baada ya nusu ya maisha moja, 50% (1/2; 0.5) ya isotopu ya mionzi inabakia. Baada ya nusu ya maisha, asilimia 25 tu ya isotopu ya awali ya mionzi inabakia. Baada ya nusu ya maisha matatu, ni 12.5%; nusu-maisha = 6.25%; nusu-maisha tano = 3.125%. Picha na Fraknoi, Morrison, na Wolff/Openstax (CC-BY). Upatikanaji wa bure kwenye openstax.org.

Kielelezo\(\PageIndex{e}\): Wakati uranium-238 imara kuoza, hutoa chembe ya alpha (α), ambayo ni protoni mbili na nyutroni mbili. Hii inabadilisha kuwa elementi mpya (thorium-234). Picha na OpenStax (CC-BY). Pakua kwa bure kwenye openstaxcollege.org.

Kielelezo\(\PageIndex{f}\): Mlolongo wa kuoza wa uranium-238. Kila molekuli isotopu, namba atomiki, na nusu-kuishi imeorodheshwa kwa utaratibu, kwa haki ya ishara ya atomiki. Kila mshale huandikwa kwa aina ya mionzi iliyotolewa: mionzi ya alpha (α) ambayo ni protoni mbili na nyutroni mbili, au mionzi ya beta (β) ambayo ni elektroni yenye nishati ya juu. Uozo unaendelea kutoka uranium hadi kuishia katika isotopu imara (isiyo ya mionzi), risasi (Pb-206). Picha na Tosaka (CC-BY).

Mageuzi katika Action: Carbon Dating

Kaboni-14 (¹⁴ C) ni radioisotopu inayotokea kiasili inayoundwa katika angahewa na mionzi ya cosmic. Huu ni mchakato unaoendelea, hivyo zaidi ya ¹⁴ C daima inaundwa. Kama kiumbe hai kinaendelea, kiwango cha jamaa cha ¹⁴ C katika mwili wake ni sawa na mkusanyiko wa 14C katika anga. Wakati kiumbe kinakufa, haipati tena ¹⁴ C, hivyo uwiano utapungua. ¹⁴ C kuoza kwa ¹⁴ N na mchakato unaoitwa beta kuoza; inatoa mbali nishati katika mchakato huu polepole (takwimu\(\PageIndex{c}\)). Baada ya takriban miaka 5,730, nusu moja tu ya mkusanyiko wa mwanzo wa ¹⁴ C itakuwa imebadilishwa kuwa ¹⁴ N. muda unaotumika kwa nusu ya mkusanyiko wa awali wa isotopu kuoza kwa umbo lake imara zaidi inaitwa nusu ya maisha yake.

Kwa sababu nusu ya maisha ya ¹⁴ C ni ndefu, hutumiwa kwa umri wa zamani vitu vilivyo hai, kama vile fossils. Kwa kutumia uwiano wa mkusanyiko wa ¹⁴ C unaopatikana katika kitu kwa kiasi cha ¹⁴ C unaogunduliwa angahewa, kiasi cha isotopu ambacho bado hakijaharibika kinaweza kuamua. Kulingana na kiasi hiki, umri wa mafuta unaweza kuhesabiwa hadi miaka 50,000 (takwimu\(\PageIndex{g}\) hapa chini). Isotopu zilizo na maisha ya nusu ndefu, kama vile potasiamu-40, hutumiwa kuhesabu umri wa fossils za zamani. Kupitia matumizi ya dating kaboni, wanasayansi wanaweza kujenga upya mazingira na biogeography ya viumbe wanaoishi ndani ya miaka 50,000 iliyopita.

Kielelezo\(\PageIndex{g}\): Umri wa mabaki ambayo yana kaboni na ni chini ya umri wa miaka 50,000, kama vile mammoth hii ya pygmy, inaweza kuamua kutumia dating kaboni. (mikopo: Bill Faulkner/NPS)

Nyuklia fission athari

Athari za fission za nyuklia ni zile zinazohusisha kugawanya kiini cha atomi (takwimu\(\PageIndex{h}\)). Wanaweza kuingizwa na kupasuka vipengele vya mionzi na neutroni. Kama ilivyo kwa asili mionzi kuoza, ikiwa nyuklia fission athari kutolewa nishati. Nishati ya joto iliyotolewa wakati fission ya nyuklia inaweza kutumika kuzalisha umeme. Huu ndio msingi wa nguvu za nyuklia. Hivi sasa, uranium-235 (²³⁵ U; isotopu ya uranium yenye molekuli ya atomiki ya 235) kwa sasa hutumiwa kama mafuta kwa athari za fission za nyuklia (takwimu\(\PageIndex{h}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{h}\): Nuclear fission na fusion ni michakato ya kimwili kwamba kuzalisha nishati kutoka atomi. Fission ya nyuklia inahusisha kugawanya kiini cha atomi, lakini fusion ya nyuklia inahusisha kuchanganya viini vidogo katika moja kubwa. Picha na Sarah Harmann/Idara ya Nishati ya Marekani (uwanja wa umma).

Kielelezo\(\PageIndex{i}\): Kupasuka kwa uranium-235 (²³⁵ U) kunaweza kuingizwa na bombarding kwa neutron. Hii inazalisha U-236, ambayo ni imara na inagawanyika katika vipande vya fission na nyutroni za ziada. Nishati hutolewa kama matokeo. Sehemu nyekundu ni neutroni, na nyanja za bluu ni protoni. Picha na Vitabu vya BC Open (CC-BY).

Attribution

Ilibadilishwa na Melissa Ha kutoka Matter kutoka Biolojia Mazingira na Mathayo R. Fisher (leseni chini ya CC-BY