Что влияет на период полураспада

Можно ли изменить период полураспада радиоактивного элемента?

Период полураспада радиоактивного элемента можно изменить с помощью эффектов замедления времени

Да, период полураспада радиоактивного элемента можно изменить. Радиоактивный распад происходит, когда нестабильное атомное ядро ​​спонтанно переходит в состояние с более низкой энергией и испускает немного излучения. Этот процесс превращает атом в другой элемент или другой изотоп.

Поскольку радиоактивный распад является спонтанным событием, вы можете подумать, что период полураспада полностью фиксирован и не может быть изменен внешними воздействиями. Однако это утверждение не совсем верно.

Прежде всего, стоит отметить, что время распада отдельного радиоактивного атома совершенно случайно. Невозможно предсказать, когда индивидуальный радиоактивный атом распадется. Период полураспада определенного типа атома не описывает точное количество времени, которое проходит каждый атом перед распадом. Скорее, период полураспада описывает среднее количество времени, которое требуется большой группе атомов, чтобы достичь точки, когда половина атомов распалась.

Период полураспада радиоактивного элемента можно изменить с помощью эффектов замедления времени. Согласно теории относительности, само время может замедляться. Таким образом, все, что переживает время, может получить более длительную эффективную жизнь, если время будет замедлено.

Это можно сделать двумя способами. Путешествие со скоростью, близкой к скорости света, приводит к значительному замедлению времени по сравнению с неподвижным наблюдателем. Например, у ряда радиоактивных атомов, выпущенных через трубку с высокой скоростью в лаборатории, период полураспада будет увеличен по сравнению с лабораторным из-за замедления времени. Этот эффект многократно подтверждался на ускорителях частиц. Время также можно замедлить, применив очень сильное гравитационное поле.

Период полураспада радиоактивного элемента также можно изменить, изменив состояние электронов, окружающих ядро. В типе радиоактивного распада, называемом «захват электрона», ядро ​​поглощает один из электронов атома и объединяет его с протоном, образуя нейтрон и нейтрино. Чем больше волновые функции электронов атома перекрываются с ядром, тем больше у ядра способности захватить электрон.

Следовательно, период полураспада режима радиоактивного распада с захватом электронов немного зависит от того, в каком состоянии находятся электроны атома. За счет возбуждения или деформации электронов атома в состояния, которые меньше перекрываются с ядром, период полураспада можно уменьшить. Поскольку химическая связь между атомами включает деформацию волновых функций атомных электронов, радиоактивный период полураспада атома может зависеть от того, как он связан с другими атомами.

Просто изменив соседние атомы, связанные с радиоактивным изотопом, мы можем изменить его период полураспада. Однако изменение периода полураспада, достигаемое таким образом, обычно невелико. Например, исследование опубликованное в European Physical Journal A, позволило измерить, что период полураспада бериллия-7 при захвате электронов был увеличен на 0,9% за счет окружения атомов бериллия атомами палладия.

Помимо изменения химических связей, период полураспада радиоактивного элемента можно изменить, просто удалив электроны из атома. В крайнем случае этого подхода все электроны могут быть оторваны от радиоактивного атома. Для такого иона больше нет электронов, доступных для захвата, и поэтому период полураспада режима радиоактивного распада электронного захвата становится бесконечным.

Некоторые радиоактивные изотопы, которые могут распадаться только в режиме захвата электронов (например, рубидий-83), можно заставить никогда не распадаться, оторвав все электроны.

Было обнаружено, что другие типы радиоактивного распада, помимо захвата электронов, также имеют период полураспада, зависящий от состояния окружающих электронов, но эффекты меньше. Изменение периода полураспада из-за изменения электронного окружения обычно очень мало, обычно намного меньше 1%.

Когда справочники перечисляют значения периода полураспада различных материалов, они на самом деле перечисляют период полураспада элемента, когда его атомы находятся в состоянии покоя, в основном состоянии и в определенной конфигурации химической связи.

Обратите внимание, что большинство изменений в периоде полураспада период полураспада радиоактивного элемента очень мало. Кроме того, большие изменения периода полураспада требуют сложного, дорогого, высокоэнергетического оборудования (например, ускорителей частиц, ядерных реакторов, ионных ловушек).

Таким образом, вне специализированных лабораторий мы можем сказать, что в хорошем приближении период полураспада не меняется. Например, углеродное датирование и геологическое радиометрическое датирование настолько точны, потому что период полураспада в природе очень близок к постоянному.

Источник

Почему термин «период полураспада» используется для измерения радиоактивности?

Термин «период полураспада» уместен из-за экспоненциальной и квантовой природы радиоактивного распада, что делает невозможным точно предсказать, когда распадется один атом радиоактивного материала. Вместо этого измерение периода полураспада относится к статистике, представляющей время, необходимое для того, чтобы данное количество вещества уменьшилось наполовину в результате распада.

Для радиоактивных материалов это может установить, сколько времени пройдет, прежде чем материал перестанет представлять угрозу; для других материалов, таких как углерод-14, период полураспада может помочь в радиометрической датировке (углеродная датировка), для определения приблизительного возраста древних останков! Хотя это может показаться немного сложным для тех, кто не знаком с ядерной химией, это полезная и универсальная концепция для полного понимания.

Что такое радиоактивный распад?

Как вы, возможно, знаете, атомные элементы могут иметь различные изотопы, которые являются разными версиями элемента, имеющего одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, содержащихся в ядре. Таким образом, атомная масса этих изотопов будет различной, как и некоторые из их физических свойств, но их химические свойства в целом одинаковы. Каждый химический элемент имеет один или несколько изотопов, некоторые из которых стабильны, а другие нестабильны. Атомное ядро считается стабильным, когда силы, удерживающие протоны и нейтроны вместе, сильнее сил, пытающихся их разделить (сильная атомная сила против электростатического отталкивания).

Простейшим примером этого является водород, который имеет два стабильных изотопа — протий (1 протон) и дейтерий (известный как «тяжелый водород», с 1 протоном и 1 нейтроном). Однако водород также имеет нестабильный природный изотоп, известный как тритий, который имеет 1 протон и 2 нейтрона. Нестабильность этого радиоизотопа означает, что он хочет распасться на другую, более стабильную форму.

Подобно человеческим существам, борющимся с романтикой, атомные ядра постоянно ищут стабильности и могут достичь ее с помощью процесса радиоактивного распада. Если внутри атомного ядра слишком много энергии, чтобы оставаться вместе, то ядро разрушится, потеряв по крайней мере некоторые части (нуклоны), которые делают его нестабильным. Исходные нестабильные ядра будут называться “родительскими”, в то время как более стабильные ядра, получившиеся в результате, будут называться «дочерними». Дочерние ядра все еще могут быть радиоактивными (нестабильными), хотя и более стабильными, чем раньше, и поэтому могут подвергнуться дальнейшему распаду. Более крупные элементы с большим количеством нуклонов, а именно любой элемент с атомным номером выше 83, имеют нестабильное ядро ​​и, следовательно, радиоактивны. Однако интенсивность этой радиоактивности может сильно различаться.

Существует три типа радиоактивного распада, которые происходят в зависимости от типа нестабильности, обнаруженной в ядре.

Альфа-распад

В случае альфа-распада ядро ​​будет искать стабильности, испуская альфа-частицу (два протона и два нейтрона, по сути, атом гелия). После этого типа распада атомный номер уменьшится на 2. Уран-238 является наиболее распространенным изотопом урана, встречающимся в природе, и, хотя его период полураспада составляет 4,5 миллиарда лет, когда атомное ядро ​​распадается, он выделяет альфа-частицу, которая становится торием-234. Альфа-частицы не могут проникать во многие вещества (и их можно остановить листом бумаги!), Но они по-прежнему высвобождаются с большой скоростью и могут быть опасны для живых клеток, поскольку они могут сбивать электроны с близлежащих атомов. Следовательно, альфа-частицы опасны при проглатывании или попадании в организм, но обычно считаются безвредными для человека, поскольку они не могут проникнуть даже через одежду человека!

Бета-распад

Гамма-распад

Что такое период полураспада?

Теперь, когда у вас есть понимание радиоактивного распада, идея периода полураспада становится намного проще. Поскольку радиоактивные изотопы распадаются на более стабильные формы в результате альфа-, бета- и гамма-распада, количество исходного «родительского» материала уменьшается. Сейчас невозможно точно сказать, когда данное ядро подвергнется радиоактивному распаду, так как атомы невероятно малы и непредсказуемы. Однако, если рассматривать в больших количествах (миллионы, миллиарды или триллионы отдельных атомов), то можно измерить статистическую вероятность радиоактивного распада.

Квантовое поведение отдельных атомов невозможно оценить, но поведение большой группы атомов зависит от вероятности и, следовательно, обеспечивает надежный уровень статистической достоверности. В ядерной физике период полураспада является полезной мерой для определения того, как быстро радиоактивный изотоп будет подвергаться радиоактивному распаду или как долго стабильный изотоп будет оставаться нетронутым. Пожалуй, проще всего понять период полураспада на примере. Давайте рассмотрим период полураспада радиоизотопа никель-63, который распадается до меди-63 посредством бета-распада.

Когда радиоактивный изотоп распадается на стабильный изотоп «дочернего» материала, он больше не распадается и не испускает больше излучения. Таким образом, со временем один и тот же радиоактивный материал станет менее опасным, поскольку он не будет излучать столько альфа-, бета- или гамма-частиц. После 10 периодов полураспада уровень радиоактивности образца составит менее одной тысячной от исходной, и, как правило, он считается полностью безвредным.

Когда вы начинаете смотреть на вещи в атомном или квантовом масштабе, становится намного труднее быть точным по отношению к отдельному атому. Когда смотришь на один атом урана-235, невозможно узнать, когда он подвергнется радиоактивному распаду и станет единым атомом тория-231. Однако, наблюдая миллион атомов урана-235, с точной статистической вероятностью можно сказать, что половина атомов испытает альфа-распад в течение 703 миллионов лет!

Источник

Физика. 11 класс

§ 39. Закон радиоактивного распада

При всем разнообразии реакций самопроизвольного (спонтанного) распада ядер в этом процессе наблюдается общая закономерность, которую можно описать математически. Интересно, что зависимость количества распавшихся ядер от времени задается одной и той же функцией для различных ядер, участвующих в распаде. Перейдем к количественному описанию процессов радиоактивного распада.

Это соотношение выражает закон радиоактивного распада, который можно сформулировать следующим образом:

число нераспавшихся радиоактивных ядер убывает с течением времени по закону, представленному соотношением (1).

В 1943 г. Дьердь фон Хевеши была присуждена Нобелевская премия по химии «за работу по использованию изотопов в качестве меченых атомов при изучении химических процессов».

Источник

Физики развеяли миф о зависимости периода полураспада радиоактивных элементов и температуры

В рамках исследования ученых интересовал особый тип бета-распада, называемый электронным захватом. Во время этого процесса протон ядра захватывает электрон, превращаясь в нейтрон с испусканием нейтрино. При этом заряд ядра меняется на единицу, а массовое число атома остается неизменным.

Традиционно считалось, что все виды бета-распада не зависят от состава окружения образца и от температуры. Недавно, однако, физики сообщили, что период полураспада одного из изотопов бериллия меняется в зависимости от того, помещен ли этот материал в электропроводящий контейнер или изолирующий. Для объяснения этого феномена ученые предложили теорию, которая объясняет подобное поведение, опираясь на зависимость периода полураспада от температуры внутри контейнеров.

Предметом изучения американских физиков стал один из изотопов рубидия. В результате с точностью не менее 0,1 процента им удалось установить, что период полураспада не зависит от температуры. Таким образом, если подобная зависимость для бериллия и имеет место, то она скорее является частным фактом, возможно обусловленным взаимодействием образца со стенками контейнеров.

Совсем недавно ученые выяснили, что на период полураспада радия и хлора может влиять расстояние от Земли до Солнца. По мнению ученых, это связано с потоками нейтрино, испускаемыми светилом.

Источник

Что влияет на период полураспада

В ранней работе введено понятие гиперплазмона для объяснения эффектов, наблюдаемых в низкотемпературной химически активной фторуглеродной плазме. Природа наблюдавшегося явления имеет для физики, по-видимому, фундаментальный характер, т.к. приводит к изменению периода полураспада радиоактивных элементов. Правда, пока эффект обнаружен на трех изотопах из 6, на которых проводились испытания. Так 137 Cs, 144 Ce, 32 P на облучение гиперполем не отреагировал. Возможно, была мала мощность дозы облучения гиперполем, возможно существование какие-то другие факторы, о которых мы либо не знаем, либо знаем, но не придаем им значения.

Мы исследовали возможность перераспределения энергии внутри молекулы, рассмотрели вариант передачи энергии другим молекулам и, наконец, RVT-обмен, но исчезнувшую энергию так и не нашли. Причем, молекулы или простые свободные радикалы, по-видимому, больше гиперплазмоном не удерживались и могли его покинуть. Их место занимали другие простые свободные радикалы, находящиеся в возбужденном состоянии. Далее процесс повторяется. Возможно, они вовлекались в процесс повторно. Сегодня рано делать какие-либо утверждения.

Существует вероятность, что гиперплазмон имеет форму тора, поскольку есть факты, которые можно трактовать в пользу тороидальной формы гиперплазмона. Например, при горении дуги в аргоне концы электродов, между которыми горела дуга, принимали после продолжительного горения дуги, округлую форму. Однако при горении во фторуглеродной плазме электроды имели форму скошенных под углом 45 градусов плоскостей, если рассматривать электрод в разрезе. Между этими плоскостями находился гиперплазмон. Центр тора был бы скрыт от визуального наблюдения внешним плазменным кольцом гиперплазмона, а излучение производилось бы через центральные области графитового сечения электрода. На практике такие эксперименты не проводились, т.к. многие явления стали понятны только спустя достаточно длинное время. Что существует внутри сфероида или тороида вращения на данный момент нам не известно. Анализируя ситуацию на сегодняшний день, 15 лет спустя, мы пришли к интересному выводу. Дело в том, что после горения электрической дуги с определенными параметрами электроды через некоторое время принимают определенную форму: плоскую поверхность по отношению друг к другу. Это означает, что гиперплазмон имеет, все-таки, форму тора. Ядро тора скрыто плазменной оболочкой и является источником гиперполя, которое можно наблюдать только со стороны центральной зоны графитового электрода, которая не может быть доступна для визуальных и оптических наблюдений. Правда, пока неясно какими приборами производить это наблюдение того, что само по себе еще не понятно. Какая сила объединяет ядро в кластер и ее величина, пока не ясно, так же как природа кластера. Скорее мы этого пока не знаем, как не знаем природу гиперполя. Изучение с помощью электронной спектроскопии испускания свободных радикалов даст нам только частичную информации о гиперплазмоне (причем степень ее достоверности тоже неизвестна). Другая часть, неизвестная физике сегодняшнего дня, останется так же не выясненной. Если сделанные предположения верны, то оптимальное наблюдение ядра гиперплазмона через центральную область точки соприкосновения гиперплазмона с графитовым электродом и, следовательно, через графит.

Тем более при таком предложении нам предстоит изучить совершенно новое физическое явление. Отсутствие запаха фтора тоже может говорить в пользу о превращении ядер первоначальных частиц. Экспериментальная проверка, несмотря на значительную накопленную экспериментальную информацию, будет достаточно трудной, так как потребует, скорее всего, новых подходов. Возможно, эксперименты с полым катом с графитовой футеровкой полого катода, состоящего из двух цилиндрических анодов и натекателя азота, расположенного после второго анода имеет прямое отношение к опытам с цианом. График, построенных в координатах аналогичных радикалу С₂, и имеющий в своей структуре разрыв второго рода, характеризуется условным параметром р, равен параметру р для графика построенному по электронному спектру для гиперплазмона.

Мы предположили, что существует какое-то поле неизвестной физической природы, генерируемое внутренней структурой гиперплазмона. Как его обнаружить? Мы решили исследовать его на одноклеточных организмах, но грамотно поставить эксперимент не смогли. Совершенно случайно мы обнаружили, что это поле воздействует на ядра радиоактивных элементов. Специалисты по ядерной физике к нашей идее отнеслись с сомнением и мы прибегли к услугам радиохимиков (professor Betenekov N. и др.), которые располагали необходимыми изотопами и аппаратурой, позволяющей с большой точность прослеживать изменения, происходящие с изотопами. Оказалось, что у изотопов 85 Sr, и 106 Ru произошло уменьшение активности на 20% с ошибкой эксперимента 1%. Еще ранее служба стандартизации радиоактивных изотопов пришла к аналогичному выводу для изотопа 90 Sr. Поэтому обнаружение влияния на радиоактивные элементы следует считать чисто случайным явлением, но факт существования такого явления сомнения не вызывает.

Тем более, к исследованию процесса мы приступили с проявления его на аэрофотопленке, помещенной в пакет темной светонепроницаемой бумаги. Плотность почернения фотопленки в клетках разграфленной темной бумаги, на которых размещался 90 Sr (взятый от дозиметра, как эталонный источник для работы последнего) имела плотность почернения на 46 % меньше при включенном генераторе. Это в начале экспериментов. В конце экспериментов, примерно через неделю, различие в почернениях исчезало. Т.е. наблюдался эффект, похожий на эффект насыщения. Но при этом конечное снижение активности достигало максимального для данной мощности поля значения.

Опыты с радиоактивными элементами, вызывающих цепные реакции не проводились, т.к. у нас отсутствовал доступ к таким элементам.

Источник