Beziehung zwischen radioaktivem Zerfall und Halbwertzeit

Es gibt bestimmte natürlich vorkommende Isotope, die aufgrund der unausgewogenen Anzahl von Protonen und Neutronen in ihrem Atomkern instabil sind. Um stabil zu werden, durchlaufen diese Isotope daher einen spontanen Prozess, den sogenannten radioaktiven Zerfall. Der radioaktive Zerfall bewirkt, dass ein Isotop eines bestimmten Elements in ein Isotop eines anderen Elements umgewandelt wird. Das Endprodukt des radioaktiven Zerfalls ist jedoch immer stabiler als das Ausgangsisotop. Der radioaktive Zerfall einer bestimmten Substanz wird mit einem speziellen Begriff gemessen, der als Halbwertszeit bezeichnet wird. Die Zeit, die eine Substanz benötigt, um durch radioaktiven Zerfall die Hälfte ihrer ursprünglichen Masse zu erreichen, wird als Halbwertzeit dieser Substanz gemessen. Dies ist die Beziehung zwischen radioaktivem Zerfall und Halbwertzeit.

Wichtige Bereiche

1. Was ist radioaktiver Zerfall?
      - Definition, Mechanismen, Beispiele
2. Was ist Half Life?
      - Definition, Erklärung mit Beispielen
3. Welche Beziehung besteht zwischen radioaktivem Zerfall und Halbwertzeit?
      - Radioaktiver Zerfall und Halbwertzeit

Schlüsselbegriffe: Halbwertszeit, Isotope, Neutronen, Protonen, radioaktiver Zerfall

Was ist radioaktiver Zerfall?

Radioaktiver Zerfall ist der Prozess, bei dem instabile Isotope durch Strahlungsemission zerfallen. Instabile Isotope sind Atome mit instabilen Kernen. Ein Atom kann aus verschiedenen Gründen instabil werden, beispielsweise durch das Vorhandensein einer hohen Anzahl von Protonen in den Kernen oder einer hohen Anzahl von Neutronen in den Kernen. Diese Kerne unterliegen einem radioaktiven Zerfall, um stabil zu werden.

Wenn zu viele Protonen und zu viele Neutronen vorhanden sind, sind die Atome schwer. Diese schweren Atome sind instabil. Daher können diese Atome radioaktiv zerfallen. Andere Atome können auch einem radioaktiven Zerfall entsprechend ihrem Neutron: Proton-Verhältnis unterliegen. Wenn dieses Verhältnis zu hoch ist, ist es neutronenreich und instabil. Wenn das Verhältnis zu niedrig ist, ist es ein protonenreiches Atom und ist instabil. Der radioaktive Zerfall von Substanzen kann auf drei Arten auftreten.

Alpha-Emission / Zerfall
Beta-Emission / Zerfall
Gamma-Emission / Zerfall

Alpha-Emission

Ein Alphateilchen ist identisch mit einem Heliumatom. Es besteht aus 2 Protonen und 2 Neutronen. Alpha-Teilchen tragen eine elektrische Ladung von +2, da keine Elektronen vorhanden sind, um die positiven Ladungen von 2 Protonen zu neutralisieren. Durch den Alpha-Zerfall verlieren die Isotope 2 Protonen und 2 Neutronen. Daher wird die Ordnungszahl eines radioaktiven Isotops um 2 Einheiten und die Atommasse von 4 Einheiten verringert. Schwere Elemente wie Uran können eine Alpha-Emission erfahren.

Beta-Emission

Bei der Beta-Emission (β) wird ein Beta-Partikel emittiert. Je nach elektrischer Ladung des Beta-Partikels kann es sich entweder um ein positiv geladenes Beta-Partikel oder um ein negativ geladenes Beta-Partikel handeln. Wenn es β ist^- Emission, dann ist das emittierte Teilchen ein Elektron. Wenn es sich um eine Emission von β + handelt, ist das Teilchen ein Positron. Ein Positron ist ein Teilchen mit den gleichen Eigenschaften wie ein Elektron mit Ausnahme seiner Ladung. Die Ladung des Positrons ist positiv, während die Ladung des Elektrons negativ ist. Bei der Beta-Emission wird ein Neutron in ein Proton und ein Elektron (oder ein Positron) umgewandelt. Daher würde sich die Atommasse nicht ändern, aber die Ordnungszahl wird um eine Einheit erhöht.

Gamma-Emission

Gammastrahlung ist keine Partikel. Daher verändern Gamma-Emissionen weder die Ordnungszahl noch die Atommasse eines Atoms. Gammastrahlung besteht aus Photonen. Diese Photonen tragen nur Energie. Daher verursacht die Gamma-Emission, dass die Isotope ihre Energie freisetzen.

Abbildung 1: Radioaktiver Zerfall von Uran-235

Uran-235 ist ein radioaktives Element, das natürlich vorkommt. Es kann alle drei Arten von radioaktivem Zerfall bei unterschiedlichen Bedingungen durchmachen.

Was ist Half Life?

Die Halbwertszeit einer Substanz ist die Zeit, die diese Substanz benötigt, um durch radioaktiven Zerfall die Hälfte ihrer ursprünglichen Masse oder Konzentration zu erreichen. Dieser Begriff erhält das Symbol t_1/2. Der Begriff Halbwertszeit wird verwendet, weil nicht vorhergesagt werden kann, wann ein einzelnes Atom zerfallen könnte. Es ist jedoch möglich, die Zeit zu messen, die zur Hälfte der Kerne eines radioaktiven Elements benötigt wird.

Die Halbwertszeit kann entweder hinsichtlich der Anzahl der Kerne oder der Konzentration gemessen werden. Verschiedene Isotope haben unterschiedliche Halbwertzeiten. Daher können wir durch Messung der Halbwertszeit das Vorhandensein oder Fehlen eines bestimmten Isotops vorhersagen. Die Halbwertszeit ist unabhängig vom physikalischen Zustand des Stoffes, von Temperatur, Druck oder anderen äußeren Einflüssen.

Die Halbwertszeit einer Substanz kann mit der folgenden Gleichung bestimmt werden.

l(N_t / N_O) = Kt

woher,

N_t ist die Masse der Substanz nach t Zeit

N_O ist die anfängliche Masse der Substanz

K ist die Zerfallskonstante

t ist die betrachtete Zeit

Abbildung 02: Eine Kurve von
Radioaktiver Zerfall

Das obige Bild zeigt eine Kurve des radioaktiven Zerfalls für eine Substanz. Die Zeit wird in Jahren gemessen. Nach diesem Diagramm beträgt die Zeit, die die Substanz benötigt, um 50% der ursprünglichen Masse (100%) zu erreichen, ein Jahr. Die 100% werden nach zwei Jahren zu 25% (ein Viertel der Anfangsmasse). Daher beträgt die Halbwertszeit dieser Substanz ein Jahr.

100% → 50% → 25% → 12,5% → → →

(1^st Halbwertzeit) (2^nd Halbwertzeit) (3^rd halbes Leben)

Das obige Diagramm hat die Details aus der Grafik zusammengefasst.

Beziehung zwischen radioaktivem Zerfall und Halbwertzeit

Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem radioaktiven Zerfall und der Halbwertzeit einer radioaktiven Substanz. Die Rate des radioaktiven Zerfalls wird in Halbwertszeitäquivalenten gemessen. Aus der obigen Gleichung können wir eine weitere wichtige Gleichung für die Berechnung der Rate des radioaktiven Zerfalls ableiten.

ln (N_t / N_O) = Kt

da die Masse (oder die Anzahl der Kerne) nach einer Halbwertszeit die Hälfte ihres Anfangswertes ist,

N_t = N_O/ 2

Dann,

ln (N_O/ 2 / N_O) = Kt_1/2

ln (1/2 / 1) = kt_1/2

ln (2) = kt_1/2

Deshalb,

t_1/2 = Ln2 / k

Der Wert von ln2 beträgt 0,693. Dann,

t_1/2 = 0,693 / k

Hier t_1/2 ist die Halbwertszeit einer Substanz und k die radioaktive Zerfallskonstante. Der oben genannte Ausdruck sagt aus, dass hochradioaktive Substanzen schnell verbraucht werden und die schwach radioaktiven Substanzen länger brauchen, um vollständig zu zerfallen. Daher bedeutet eine lange Halbwertszeit einen schnellen radioaktiven Zerfall, während eine kurze Halbwertszeit einen langsamen radioaktiven Tag anzeigt. Die Halbwertszeit einiger Substanzen kann nicht bestimmt werden, da radioaktiver Zerfall Millionen von Jahren dauern kann.

Fazit

Radioaktiver Zerfall ist der Prozess, bei dem instabile Isotope durch Strahlungsemission zerfallen. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem radioaktiven Zerfall einer Substanz und der Halbwertszeit, da die Rate des radioaktiven Zerfalls durch die Äquivalente der Halbwertzeit gemessen wird.

Verweise:

1. „Halbwertszeit des radioaktiven Zerfalls - Grenzenloses offenes Lehrbuch.“ Grenzenlos. 26. Mai 2016. Web. Hier verfügbar. 01. Aug. 2017.
2. "Der Prozess des natürlichen radioaktiven Zerfalls". Dummies. N.p., n. D. Netz. Hier verfügbar. 01. Aug. 2017.

Bildhöflichkeit:

1. "Radioaktiver Zerfall" Von Kurt Rosenkrantz aus dem PDF. (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia

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