Kuliah 2. Hukum dasar peluruhan radioaktif dan aktivitas radionuklida
Laju peluruhan radionuklida berbeda-beda - ada yang meluruh lebih cepat, ada yang lebih lambat. Indikator kecepatan peluruhan radioaktif adalah konstanta peluruhan radioaktif, λ [detik-1], yang mencirikan kemungkinan peluruhan satu atom dalam satu detik. Untuk setiap radionuklida, konstanta peluruhan memiliki nilainya sendiri-sendiri; semakin besar, semakin cepat inti zat tersebut meluruh.
Jumlah peluruhan yang tercatat dalam sampel radioaktif per satuan waktu disebut aktivitas (A ), atau radioaktivitas sampel. Nilai aktivitas berbanding lurus dengan jumlah atom N zat radioaktif:
A =λ· N , (3.2.1)
Di mana λ – konstanta peluruhan radioaktif, [detik-1].
Saat ini, menurut arus Sistem internasional Satuan SI, diambil sebagai satuan pengukuran radioaktivitas becquerel [Bk]. Satuan ini mendapatkan namanya untuk menghormati ilmuwan Perancis Henri Becquerel, yang menemukan fenomena tersebut pada tahun 1856 radioaktivitas alami uranium. Satu becquerel sama dengan satu peluruhan per detik 1 Bk = 1 .
Namun satuan kegiatan non sistem masih sering digunakan – rasa ingin tahu [Ki], diperkenalkan oleh Curie sebagai ukuran laju peluruhan satu gram radium (yang mana ~3,7 1010 peluruhan terjadi per detik), oleh karena itu
1 Ki= 3,7·1010 Bk.
Unit ini nyaman untuk menilai aktivitas jumlah besar radionuklida.
Penurunan konsentrasi radionuklida dari waktu ke waktu sebagai akibat peluruhan mengikuti hubungan eksponensial:
, (3.2.2)
Di mana N T– jumlah atom unsur radioaktif yang tersisa setelah waktu tertentu T setelah dimulainya observasi; N 0 – jumlah atom pada saat awal ( T =0 ); λ – konstanta peluruhan radioaktif.
Ketergantungan yang dijelaskan disebut hukum dasar peluruhan radioaktif .
Waktu yang dibutuhkan untuk setengahnya jumlah total radionuklida disebut setengah hidup T½ . Setelah satu waktu paruh, dari 100 atom radionuklida, hanya tersisa 50 (Gbr. 2.1). Selama periode serupa berikutnya, dari 50 atom ini, hanya tersisa 25 atom, dan seterusnya.
Hubungan antara waktu paruh dan konstanta peluruhan diturunkan dari persamaan hukum dasar peluruhan radioaktif:
pada T=T½ Dan
kita mendapatkan https://pandia.ru/text/80/150/images/image006_47.gif" width="67" height="41 src="> Þ ;
https://pandia.ru/text/80/150/images/image009_37.gif" width="76" height="21">;
yaitu..gif" width="81" height="41 src=">.
Oleh karena itu, hukum peluruhan radioaktif dapat dituliskan sebagai berikut:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image013_21.gif" width="89" height="39 src=">, (3.2.4)
Di mana pada – aktivitas obat dari waktu ke waktu T ; A0 – aktivitas obat pada saat awal pengamatan.
Seringkali diperlukan untuk menentukan aktivitas sejumlah zat radioaktif tertentu.
Ingatlah bahwa satuan besaran suatu zat adalah mol. Satu mol adalah jumlah suatu zat yang mengandung jumlah atom yang sama dengan yang terkandung dalam 0,012 kg = 12 g isotop karbon 12C.
Satu mol zat apa pun mengandung bilangan Avogadro N.A. atom:
N.A. = 6,02·1023 atom.
Untuk zat sederhana(elemen) massa satu mol secara numerik sesuai dengan massa atom A elemen
1 mol = A G.
Contoh: Untuk magnesium: 1 mol 24Mg = 24 g.
Untuk 226Ra: 1 mol 226Ra = 226 g, dst.
Mempertimbangkan apa yang telah dikatakan di M gram zat tersebut adalah N atom:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image015_20.gif" width="156" height="43 src="> (3.2.6)
Contoh: Mari kita hitung aktivitas 1 gram 226Ra, yaitu λ = 1,38·10-11 detik-1.
A= 1,38·10-11·1/226·6,02·1023 = 3,66·1010 Bq.
Jika suatu unsur radioaktif merupakan bagian dari suatu senyawa kimia, maka dalam menentukan aktivitas obat perlu diperhatikan rumusnya. Dengan mempertimbangkan komposisi zat, itu ditentukan fraksi massa χ radionuklida dalam suatu zat, yang ditentukan oleh perbandingan:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image017_17.gif" width="118" height="41 src=">
Contoh penyelesaian masalah
Kondisi:
Aktivitas A0 unsur radioaktif 32P per hari pengamatan adalah 1000 Bk. Tentukan aktivitas dan jumlah atom unsur ini setelah seminggu. Setengah hidup T½ 32P = 14,3 hari.
Larutan:
a) Tentukan aktivitas fosfor-32 setelah 7 hari:
https://pandia.ru/text/80/150/images/image019_16.gif" width="57" height="41 src=">
Menjawab: setelah seminggu, aktivitas obat 32P menjadi 712 Bk, dan jumlah atom isotop radioaktif 32P adalah 127,14·106 atom.
Pertanyaan kontrol
1) Apa aktivitas radionuklida?
2) Sebutkan satuan radioaktivitas dan hubungannya.
3) Berapakah konstanta peluruhan radioaktif?
4) Mendefinisikan hukum dasar peluruhan radioaktif.
5) Apa yang dimaksud dengan waktu paruh?
6) Apa hubungan antara aktivitas dan massa radionuklida? Tulis rumusnya.
Tugas
1. Hitung aktivitas 1 G 226Ra. T½ = 1602 tahun.
2. Hitung aktivitas 1 G 60Co. T½ = 5,3 tahun.
3. Satu cangkang tank M-47 berisi 4.3 kg 238U. ½ = 2,5·109 tahun. Tentukan aktivitas proyektil.
4. Hitung aktivitas 137Cs setelah 10 tahun, jika pada saat awal pengamatan sama dengan 1000 Bk. T½ = 30 tahun.
5. Hitung aktivitas 90Sr setahun yang lalu, jika in saat ini kali itu sama dengan 500 Bk. T½ = 29 tahun.
6. Aktivitas apa yang akan saya buat? kg radioisotop 131I, T½ = 8,1 hari?
7. Dengan menggunakan data referensi, tentukan aktivitas 1 G 238U. ½ = 2,5·109 tahun.
Dengan menggunakan data referensi, tentukan aktivitas 1 G 232Th, ½ = 1,4·1010 tahun.
8. Hitung aktivitas senyawa : 239Pu316O8.
9. Hitung massa radionuklida dengan aktivitas 1 Ki:
9.1. 131I, T1/2=8,1 hari;
9.2. 90Sr, T1/2=29 tahun;
9.3. 137Cs, Т1/2=30 tahun;
9.4. 239Pu, Т1/2=2,4·104 tahun.
10. Tentukan massa 1 mCi isotop karbon radioaktif 14C, T½ = 5560 tahun.
11. Perlu dibuat sediaan radioaktif fosfor 32P. Setelah jangka waktu berapa 3% obat akan tersisa? ½ = 14,29 hari.
12. Campuran kalium alami mengandung 0,012% isotop radioaktif 40K.
1) Tentukan massa kalium alami yang mengandung 1 Ki 40K. Т½ = 1,39·109 tahun = 4,4·1018 detik.
2) Hitung radioaktivitas tanah dengan menggunakan 40K, jika diketahui kandungan kalium pada sampel tanah adalah 14 kg/t.
13. Berapa waktu paruh yang diperlukan agar aktivitas awal suatu radioisotop menurun hingga 0,001%?
14. Untuk mengetahui pengaruh 238U pada tanaman, benih direndam dalam suhu 100 ml larutan UO2(NO3)2 · 6H2O, dimana massa garam radioaktifnya adalah 6 G. Tentukan aktivitas dan aktivitas spesifik 238U dalam larutan. ½ = 4,5·109 bertahun-tahun.
15. Identifikasi aktivitas 1 gram 232Th, ½ = 1,4·1010 tahun.
16. Tentukan massa 1 Ki 137Cs, Т1/2=30 tahun.
17. Perbandingan antara kandungan isotop kalium stabil dan radioaktif di alam adalah nilai konstan. Konten 40K adalah 0,01%. Hitung radioaktivitas tanah dengan menggunakan 40K, jika diketahui kandungan kalium pada sampel tanah adalah 14 kg/t.
18. Radioaktivitas litogenik lingkungan dibentuk terutama oleh hitungan ketiga radionuklida alam utama: 40K, 238U, 232Th. Proporsi isotop radioaktif dalam jumlah isotop alami masing-masing adalah 0,01, 99,3, ~100. Hitung radioaktivitas 1 T tanah, jika diketahui hal itu konten relatif kalium dalam sampel tanah 13600 g/t, uranium – 1·10-4 g/t, torium – 6·10-4 g/t.
19. 23.200 ditemukan pada cangkang moluska kerang Bq/kg 90Sr. Tentukan aktivitas sampel setelah 10, 30, 50, 100 tahun.
20. Polusi utama perairan tertutup di zona Chernobyl terjadi pada tahun pertama setelah kecelakaan di pembangkit listrik tenaga nuklir. Di sedimen dasar danau. Azbuchin pada tahun 1999 menemukan 137Cs dengan aktivitas spesifik 1,1·10 Bq/m2. Tentukan konsentrasi (aktivitas) turunnya 137Cs per m2 sedimen dasar pada tahun 1986-1987. (12 tahun yang lalu).
21. 241Am (T½ = 4.32·102 tahun) terbentuk dari 241Pu (T½ = 14.4 tahun) dan merupakan migran geokimia aktif. Mengambil keuntungan bahan referensi, hitung dengan akurasi 1% penurunan aktivitas plutonium-241 dari waktu ke waktu, pada tahun berapa setelahnya Bencana Chernobyl pembentukan 241Am di lingkungan akan maksimal.
22. Hitung aktivitas 241Am pada produk emisi Reaktor Chernobyl per bulan April
2015, dengan ketentuan pada bulan April 1986 aktivitas 241Am adalah 3,82 1012 Bk,½ = 4,32·102 tahun.
23. 390 ditemukan dalam sampel tanah nCi/kg 137Cs. Hitung aktivitas sampel setelah 10, 30, 50, 100 tahun.
24. Rata-rata konsentrasi pencemaran dasar danau. Glubokoe, terletak di Zona Chernobyl keterasingan adalah 6.3·104 Bk 241Pagi dan 7,4·104 238+239+240Pu per 1 m2. Hitung pada tahun berapa data tersebut diperoleh.
Hukum peluruhan inti radioaktif
Kemampuan inti untuk meluruh secara spontan, mengeluarkan partikel, disebut radioaktivitas. Peluruhan radioaktif adalah proses statistik. Setiap inti radioaktif dapat meluruh kapan saja dan polanya hanya diamati secara rata-rata; jumlah besar inti.
Peluruhan konstanλ adalah probabilitas peluruhan nuklir per satuan waktu.
Jika sampel pada waktu t mengandung N inti radioaktif, maka jumlah inti dN yang meluruh selama waktu dt sebanding dengan N.
dN = -λNdt. (13.1)
Dengan mengintegrasikan (1) kita memperoleh hukum peluruhan radioaktif
N(t) = N 0 e -λt . (13.2)
N 0 adalah jumlah inti radioaktif pada waktu t = 0.
Waktu hidup rata-rata τ –
. (13.3)
Setengah hidup T 1/2 - waktu di mana jumlah awal inti radioaktif akan berkurang setengahnya
T 1/2 = ln2/λ=0,693/λ = τln2. (13.4)
Aktivitas A - jumlah rata-rata inti yang meluruh per satuan waktu
SEBUAH(t) = λN(t). (13.5)
Aktivitas diukur dalam curie (Ci) dan becquerel (Bq)
1 Ki = 3,7*10 10 peluruhan/s, 1 Bq = 1 peluruhan/s.
Peluruhan inti asal 1 menjadi inti 2, diikuti peluruhannya menjadi inti 3, dijelaskan oleh sistem persamaan diferensial
(13.6)
dimana N 1 (t) dan N 2 (t) adalah jumlah inti, dan λ 1 dan λ 2 masing-masing adalah konstanta peluruhan inti 1 dan 2. Solusi sistem (6) dengan kondisi awal N 1 (0) = N 10 ; N 2 (0) = 0 akan menjadi
, (13.7a)
. (13.7b)
| Gambar 13.1 |
Jumlah core mencapai 2 nilai maksimum
pada . Jika λ 2< λ 1 (), суммарная активностьN 1 (t)λ 1 + N 2 (t)λ 2 будет монотонно уменьшаться.
Jika λ 2 >λ 1 ()), aktivitas total awalnya meningkat karena akumulasi inti 2.
Jika λ 2 >> λ 1 , dengan cukup kali besar kontribusi eksponensial kedua pada (7b) menjadi sangat kecil dibandingkan dengan kontribusi eksponensial pertama dan aktivitas eksponensial kedua A 2 = λ 2 N 2 dan isotop pertama A 1 = λ 1 N 1 hampir sama. Di masa depan, aktivitas isotop pertama dan kedua akan berubah dengan cara yang sama seiring waktu.
SEBUAH 1 (t) = N 10 λ 1 = N 1 (t)λ 1 = SEBUAH 2 (t) = N 2 (t)λ 2 .(13.8)
Itulah yang disebut keseimbangan kuno, di mana jumlah inti isotop dalam rantai peluruhan berhubungan dengan konstanta peluruhan (waktu paruh) melalui hubungan sederhana.
. (13.9)
Oleh karena itu di keadaan alami semua isotop yang terkait secara genetik di peringkat radioaktif, biasanya ditemukan dalam rasio kuantitatif tertentu tergantung pada waktu paruhnya.
Dalam kasus umum, jika terdapat rantai peluruhan 1→2→...n, prosesnya dijelaskan dengan sistem persamaan diferensial
dN saya /dt = -λ saya N saya +λ saya-1 N saya-1 .(13.10)
Penyelesaian sistem (10) untuk aktivitas dengan kondisi awal N 1 (0) = N 10 ; N i (0) = 0 akan menjadi
(13.12)
Bilangan prima berarti pada hasil kali penyebutnya, faktor dengan i = m dihilangkan.
Isotop
ISOTOP-varietas dari hal yang sama unsur kimia, dekat dengan mereka sifat fisik dan kimia, tetapi memiliki massa atom yang berbeda. Nama "isotop" diusulkan pada tahun 1912 oleh ahli radiokimia Inggris Frederick Soddy, yang membentuknya dari dua kata-kata Yunani: isos – sama dan topos – tempat. Isotop menempati tempat yang sama di dalam sel tabel periodik unsur Mendeleev.
Sebuah atom dari setiap unsur kimia terdiri dari inti bermuatan positif dan awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya ( cm.Juga INTI ATOM). Kedudukan suatu unsur kimia dalam tabel periodik Mendeleev (nomor atomnya) ditentukan oleh muatan inti atomnya. Oleh karena itu, isotop disebut varietas dari unsur kimia yang sama, yang atom-atomnya memilikinya biaya yang sama kernel (dan karenanya hampir identik cangkang elektronik), tetapi berbeda dalam nilai massa inti. Oleh secara kiasan F. Soddy, atom-atom isotop “di luar” sama, tetapi “di dalam” berbeda.
Neutron ditemukan pada tahun 1932 – sebuah partikel yang tidak bermuatan, dengan massa mendekati massa inti atom hidrogen - proton , dan model inti proton-neutron tercipta definisi modern konsep isotop: isotop adalah zat yang inti atomnya terdiri dari nomor yang sama proton dan hanya berbeda dalam jumlah neutron dalam inti . Setiap isotop biasanya dilambangkan dengan sekumpulan simbol, dimana X adalah lambang unsur kimianya, Z adalah muatan inti atom (jumlah proton), A adalah nomor massa isotop ( jumlah total nukleon - proton dan neutron dalam inti, A = Z + N). Karena muatan inti tampaknya diasosiasikan secara unik dengan lambang unsur kimia, notasi A X sering digunakan untuk singkatannya.
Dari semua isotop yang kita ketahui, hanya isotop hidrogen yang memilikinya nama yang tepat. Jadi, isotop 2 H dan 3 H disebut deuterium dan tritium dan masing-masing diberi nama D dan T (isotop 1 H kadang-kadang disebut protium).
Terjadi di alam sebagai isotop stabil , dan tidak stabil - radioaktif, inti atomnya mengalami transformasi spontan menjadi inti lain dengan emisi berbagai partikel (atau proses yang disebut peluruhan radioaktif). Sekitar 270 isotop stabil sekarang diketahui, dan isotop stabil hanya ditemukan pada unsur-unsur dengan nomor atom Z Ј 83. Jumlah isotop tidak stabil melebihi 2000, sebagian besar diperoleh secara artifisial melalui berbagai cara. reaksi nuklir. Jumlah isotop radioaktif dari banyak unsur sangat besar dan bisa melebihi dua lusin. Jumlah isotop stabil jauh lebih kecil. Beberapa unsur kimia hanya terdiri dari satu isotop stabil (berilium, fluor, natrium, aluminium, fosfor, mangan, emas, dan sejumlah unsur lainnya). Angka terbesar isotop stabil - 10 ditemukan di timah, di besi, misalnya, ada 4, di merkuri - 7.
Penemuan isotop, latar belakang sejarah. Pada tahun 1808 Inggris naturalis ilmiah John Dalton pertama kali memperkenalkan definisi unsur kimia sebagai zat yang terdiri dari atom-atom yang sejenis. Pada tahun 1869, ahli kimia D.I. ditemukan oleh Mendeleev hukum periodik unsur kimia. Salah satu kesulitan dalam membuktikan konsep unsur sebagai zat yang menempati tempat tertentu dalam sel tabel periodik adalah berat atom unsur yang tidak bilangan bulat yang diamati secara eksperimental. Pada tahun 1866, fisikawan dan kimiawan Inggris Sir William Crookes mengajukan hipotesis bahwa setiap unsur kimia alam merupakan campuran zat tertentu yang sifatnya sama, tetapi mempunyai massa atom yang berbeda, tetapi pada saat itu anggapan tersebut belum ada. konfirmasi eksperimental dan karena itu hanya memberikan sedikit pemberitahuan.
Sebuah langkah penting Dalam perjalanan menuju penemuan isotop, ditemukannya fenomena radioaktivitas dan hipotesis peluruhan radioaktif yang dirumuskan oleh Ernst Rutherford dan Frederick Soddy: radioaktivitas tidak lebih dari peluruhan suatu atom menjadi partikel bermuatan dan atom unsur lain. , berbeda sifat kimianya dengan aslinya. Alhasil, muncullah ide rangkaian radioaktif atau keluarga radioaktif , yang awalnya terdapat unsur induk pertama, yaitu radioaktif, dan pada akhirnya terdapat unsur stabil terakhir. Analisis rantai transformasi menunjukkan bahwa selama perjalanannya, sel-sel yang sama dari sistem periodik dapat berisi hal yang sama unsur radioaktif, hanya berbeda massa atom. Faktanya, ini berarti diperkenalkannya konsep isotop.
Konfirmasi independen mengenai keberadaan isotop stabil unsur kimia kemudian diperoleh dalam percobaan J. J. Thomson dan Aston pada tahun 1912–1920 dengan berkas partikel bermuatan positif (atau disebut berkas saluran). ) keluar dari tabung pembuangan.
Pada tahun 1919, Aston merancang instrumen yang disebut spektrograf massa (atau spektrometer massa). . Tabung pelepasan masih digunakan sebagai sumber ion, namun Aston menemukan metode di mana defleksi berurutan berkas partikel dalam listrik dan Medan magnet menyebabkan pemfokusan partikel dengan nilai yang sama rasio muatan terhadap massa (berapa pun kecepatannya) pada titik yang sama di layar. Bersamaan dengan Aston, spektrometer massa dengan desain yang sedikit berbeda dibuat pada tahun yang sama oleh American Dempster. Sebagai hasil dari penggunaan dan peningkatan spektrometer massa selanjutnya melalui upaya banyak peneliti, pada tahun 1935 hampir meja penuh komposisi isotop semua unsur kimia yang diketahui pada waktu itu.
Metode pemisahan isotop. Untuk mempelajari sifat-sifat isotop dan khususnya untuk penggunaannya dalam bidang ilmiah dan tujuan yang diterapkan mereka harus diperoleh dalam jumlah yang lebih atau kurang nyata. Dalam spektrometer massa konvensional, pemisahan isotop hampir sempurna dapat dicapai, namun kuantitasnya sangat kecil. Oleh karena itu, upaya para ilmuwan dan insinyur ditujukan untuk mencari hal lain metode yang mungkin pemisahan isotop. Pertama-tama, mereka dikuasai metode fisika-kimia pemisahan berdasarkan perbedaan sifat isotop dari unsur yang sama seperti laju penguapan, konstanta kesetimbangan, reaksi kimia dan seterusnya. Yang paling efektif di antara mereka adalah metode rektifikasi dan pertukaran isotop, yang banyak digunakan dalam produksi industri isotop unsur ringan: hidrogen, litium, boron, karbon, oksigen, dan nitrogen.
Kelompok metode lain terdiri dari apa yang disebut metode kinetik molekuler: difusi gas, difusi termal, difusi massa (difusi dalam aliran uap), sentrifugasi. Metode difusi gas berdasarkan kecepatan yang berbeda difusi komponen isotop dalam media berpori yang sangat tersebar, digunakan selama Perang Dunia Kedua untuk pengorganisasian produksi industri pemisahan isotop uranium di AS sebagai bagian dari apa yang disebut Proyek Manhattan bom atom. Untuk mendapatkan jumlah uranium yang dibutuhkan yang diperkaya hingga 90% dengan isotop ringan 235 U, komponen utama bom atom yang “mudah terbakar”, dibangun pabrik yang menempati area seluas sekitar empat ribu hektar. Lebih dari 2 miliar dolar dialokasikan untuk pembangunan pusat atom dengan pabrik untuk produksi uranium yang diperkaya. Setelah perang, pabrik untuk produksi uranium yang diperkaya untuk keperluan militer, juga berdasarkan metode pemisahan difusi, dikembangkan dan dibangun di Uni Soviet. DI DALAM tahun terakhir metode ini digantikan oleh metode sentrifugasi yang lebih efisien dan lebih murah. Dalam metode ini, efek pemisahan campuran isotop dicapai dengan berbagai tindakan gaya sentrifugal pada komponen campuran isotop yang mengisi rotor sentrifugal, yaitu silinder berdinding tipis yang dibatasi pada bagian atas dan bawah, berputar dengan kecepatan sangat tinggi. kecepatan tinggi dalam ruang vakum. Ratusan ribu sentrifugal yang dihubungkan secara bertingkat, yang rotornya masing-masing menghasilkan lebih dari seribu putaran per detik, saat ini digunakan di pabrik pemisahan modern baik di Rusia maupun di negara lain. negara maju perdamaian. Sentrifugal digunakan tidak hanya untuk memproduksi uranium yang diperkaya, yang diperlukan untuk menjamin pengoperasian reaktor nuklir pembangkit listrik tenaga nuklir, tetapi juga untuk produksi isotop dari sekitar tiga puluh unsur kimia di bagian tengah tabel periodik. Unit pemisahan elektromagnetik dengan sumber ion yang kuat juga digunakan untuk memisahkan berbagai isotop; dalam beberapa tahun terakhir, metode pemisahan laser juga tersebar luas.
Penerapan isotop. Berbagai isotop unsur kimia banyak digunakan penelitian ilmiah, V berbagai bidang industri dan pertanian, energi nuklir, biologi dan kedokteran modern, penelitian lingkungan dan bidang lainnya. Dalam penelitian ilmiah (misalnya, dalam analisis kimia), sebagai suatu peraturan, jumlah kecil isotop langka berbagai elemen, dihitung dalam gram bahkan miligram per tahun. Pada saat yang sama, untuk sejumlah isotop yang banyak digunakan dalam energi nuklir, kedokteran, dan industri lainnya, kebutuhan produksinya bisa mencapai beberapa kilogram bahkan ton. Jadi, sehubungan dengan penggunaan air berat D 2 O in reaktor nuklir produksi globalnya pada awal tahun 1990-an abad yang lalu adalah sekitar 5.000 ton per tahun. Deuterium isotop hidrogen, yang merupakan bagian dari air berat, yang konsentrasinya dalam campuran alami hidrogen hanya 0,015%, bersama dengan tritium, di masa depan, menurut para ilmuwan, akan menjadi komponen utama bahan bakar energi. reaktor termonuklir, bekerja berdasarkan reaksi fusi nuklir. Dalam hal ini, kebutuhan produksi isotop hidrogen akan sangat besar.
Dalam penelitian ilmiah, isotop stabil dan radioaktif banyak digunakan sebagai indikator isotop (pelacak) dalam studi sebagian besar berbagai proses terjadi di alam.
DI DALAM pertanian isotop (atom (“berlabel”) digunakan, misalnya, untuk mempelajari proses fotosintesis, kecernaan pupuk, dan untuk menentukan efisiensi penggunaan nitrogen, fosfor, kalium, elemen jejak, dan zat lainnya oleh tanaman.
Teknologi isotop banyak digunakan dalam pengobatan. Jadi, di AS, menurut statistik, lebih dari 36 ribu prosedur medis dilakukan setiap hari dan sekitar 100 juta tes laboratorium menggunakan isotop. Prosedur yang paling umum melibatkan tomografi komputer. Isotop karbon C13, diperkaya hingga 99% (kandungan alami sekitar 1%), secara aktif digunakan dalam apa yang disebut “kontrol pernapasan diagnostik”. Inti dari tes ini sangat sederhana. Isotop yang diperkaya dimasukkan ke dalam makanan pasien dan, setelah berpartisipasi dalam proses metabolisme di berbagai organ tubuh, dilepaskan saat dihembuskan oleh pasien. karbon dioksida CO 2 yang dikumpulkan dan dianalisis menggunakan spektrometer. Perbedaan kecepatan proses yang berhubungan dengan ekskresi berbagai kuantitas karbon dioksida, yang ditandai dengan isotop C 13, memungkinkan untuk menilai keadaan berbagai organ sabar. Di AS, jumlah pasien yang akan menjalani tes ini diperkirakan mencapai 5 juta per tahun. Sekarang untuk produksi isotop C 13 in yang sangat diperkaya skala industri metode pemisahan laser digunakan.
Informasi terkait.
>> Hukum peluruhan radioaktif. Setengah hidup
§ 101 HUKUM Pembusukan RADIOAKTIF. SETENGAH HIDUP
Peluruhan radioaktif mengikuti hukum statistik. Rutherford, mempelajari transformasi zat radioaktif, secara eksperimental menetapkan bahwa aktivitasnya menurun seiring waktu. Hal ini telah dibahas pada paragraf sebelumnya. Dengan demikian, aktivitas radon berkurang 2 kali lipat setelah 1 menit. Aktivitas unsur-unsur seperti uranium, thorium dan radium juga menurun seiring berjalannya waktu, namun jauh lebih lambat. Untuk setiap zat radioaktif ada interval tertentu waktu di mana aktivitas berkurang 2 kali lipat. Interval ini disebut waktu paruh. Waktu paruh T adalah waktu di mana separuh jumlah awal atom radioaktif meluruh.
Penurunan aktivitas, yaitu jumlah peluruhan per detik, bergantung pada waktu untuk salah satu obat radioaktif ditunjukkan pada Gambar 13.8. Waktu paruh zat ini adalah 5 hari.
Sekarang mari kita turunkan bentuk matematika hukum peluruhan radioaktif. Misalkan jumlah atom radioaktif pada momen waktu awal (T= 0) sama dengan N 0. Kemudian, setelah waktu paruh, angka ini akan sama dengan
Setelah selang waktu serupa lainnya, angka ini akan menjadi sama dengan:
Fenomena radioaktivitas ditemukan pada tahun 1896 oleh A. Becquerel, yang mengamati emisi spontan radiasi yang tidak diketahui dari garam uranium. Segera E. Rutherford dan Curie menetapkan bahwa selama peluruhan radioaktif inti He (partikel α), elektron (partikel β) dan partikel keras radiasi elektromagnetik(sinar γ).
Pada tahun 1934 ditemukan peluruhan dengan emisi positron (β + -peluruhan), dan pada tahun 1940 ditemukan tipe baru radioaktivitas - fisi inti secara spontan: inti fisi terpecah menjadi dua fragmen dengan massa yang sebanding dengan emisi neutron secara bersamaan dan γ -kuanta. Radioaktivitas proton inti diamati pada tahun 1982. Jadi, ada jenis berikut peluruhan radioaktif: peluruhan α; -membusuk; - membusuk; e - tangkap.
Radioaktivitas- kemampuan beberapa orang inti atom secara spontan (spontan) berubah menjadi inti lain dengan emisi partikel.
Inti atom terdiri dari proton dan neutron, yang memiliki nama umum - nukleon. Jumlah proton dalam inti menentukan Sifat kimia atom dan dilambangkan Z(nomor seri barang). Jumlah nukleon di kernel disebut nomor massa dan menunjukkan A. Inti dengan nomor seri yang sama dan nomor massa yang berbeda disebut isotop. Semua isotop dari satu unsur kimia mempunyai sifat kimia yang sama, dan properti fisik dapat bervariasi cukup banyak. Untuk menentukan isotop, gunakan simbol unsur kimia dengan dua indeks: A Z X. Indeks bawah adalah nomor seri, indeks atas adalah nomor massa. Seringkali subskrip dihilangkan karena ditunjukkan oleh simbol elemen itu sendiri.
Misalnya, mereka menulis 14 C, bukan 14 6 C.
Kemampuan inti untuk meluruh bergantung pada komposisinya. Unsur yang sama dapat memiliki isotop stabil dan radioaktif.
Misalnya, isotop karbon 12 C stabil, tetapi isotop 14 C bersifat radioaktif.
Peluruhan radioaktif adalah fenomena statistik. Kemampuan suatu isotop untuk meluruh ditandai dengan konstanta peluruhan λ.
Konstanta peluruhan λ adalah probabilitas inti suatu isotop tertentu akan meluruh per satuan waktu.
Mari kita nyatakan jumlah N inti peluruhan radioaktif pada waktu t, dN 1 - jumlah inti peluruhan selama waktu dt. Karena jumlah inti dalam suatu materi sangat banyak, hukum ini terpenuhi angka besar. Peluang peluruhan nuklir dalam waktu singkat dt ditentukan dengan rumus dP = λdt. Frekuensinya sama dengan peluang: d N 1 / N = dP = λdt. d N 1 / N = λdt- rumus yang menentukan jumlah inti yang meluruh.
Penyelesaian persamaan tersebut adalah: , - rumusnya disebut hukum peluruhan radioaktif: Jumlah inti radioaktif berkurang seiring waktu menurut hukum eksponensial.
Di sini N adalah jumlah inti yang tidak meluruh pada waktu t; N o - jumlah awal inti yang tidak membusuk; λ adalah konstanta peluruhan radioaktif.
Dalam praktiknya, yang digunakan bukanlah konstanta peluruhan λ , dan kuantitas yang dipanggil waktu paruh T.
Waktu paruh (T) adalah waktu di mana separuh inti radioaktif meluruh.
Hukum peluruhan radioaktif melalui periode waktu paruh (T) berbentuk:
Hubungan antara waktu paruh dan konstanta peluruhan diberikan dengan rumus: T = ln(2/λ) = 0,69/λ
Waktu paruhnya bisa sangat panjang atau sangat pendek.
Untuk menilai derajat aktivitas suatu isotop radioaktif, digunakan besaran yang disebut aktivitas.
Jumlah aktivitas inti obat radioaktif yang meluruh per satuan waktu: A = dN peluruhan /dt
Satuan SI untuk aktivitas adalah 1 becquerel (Bq) = 1 disintegrasi/s - aktivitas obat dimana 1 disintegrasi terjadi dalam 1 s. Satuan aktivitas yang lebih besar adalah 1 rutherford (Rd) = Bq. Satuan aktivitas di luar sistem yang sering digunakan - curie (Ci), sama dengan aktivitas 1 g radium: 1 Ci = 3,7 Bq.
Seiring waktu, aktivitas menurun menurut hukum eksponensial yang sama dengan yang berlaku pada peluruhan radionuklida itu sendiri:
=
.
Dalam prakteknya, rumus yang digunakan untuk menghitung aktivitas:
SEBUAH = = λN = 0,693 N/T.
Jika jumlah atom dinyatakan melalui massa dan massa, maka rumus menghitung aktivitas akan berbentuk: A = = 0,693 (μT)
dimana bilangan Avogadro; μ - massa molar.
Konsep radioaktivitas
Hukum Peluruhan Radioaktif
Kuantifikasi radioaktivitas dan satuannya
Radiasi pengion, karakteristiknya.
Sumber AI
Konsep radioaktivitas
Radioaktivitas adalah proses transformasi (peluruhan) inti atom secara spontan yang disertai dengan emisi tipe khusus radiasi yang disebut radioaktif.
Dalam hal ini terjadi transformasi atom suatu unsur menjadi atom unsur lain.
Transformasi radioaktif hanya merupakan karakteristik zat individual.
Suatu zat dikatakan radioaktif jika mengandung radionuklida dan mengalami peluruhan radioaktif.
Radionuklida (isotop) - inti atom yang mampu meluruh secara spontan disebut radionuklida.
Untuk mengkarakterisasi nuklida, gunakan simbol suatu unsur kimia, tunjukkan nomor atom (jumlah proton) dan nomor massa inti (jumlah nukleon, yaitu jumlah total proton dan neutron).
Misalnya, 239 94 Pu berarti inti atom plutonium mengandung 94 proton dan 145 neutron, sehingga totalnya 239 nukleon.
Jenis peluruhan radioaktif berikut ini ada:
peluruhan beta;
Peluruhan alfa;
Fisi inti atom secara spontan (peluruhan neutron);
Radioaktivitas proton (fusi proton);
Radioaktivitas dua proton dan cluster.
Peluruhan beta adalah proses transformasi proton menjadi neutron atau neutron menjadi proton dalam inti atom dengan pelepasan partikel beta (positron atau elektron)
Peluruhan alfa – ciri-ciri unsur berat, yang intinya, mulai dari nomor 82 tabel D.I. Mendeleev, tidak stabil, meskipun terdapat kelebihan neutron dan meluruh secara spontan. Inti unsur-unsur ini sebagian besar memancarkan inti atom helium.
Fisi spontan inti atom (peluruhan neutron) - ini adalah fisi spontan beberapa inti unsur berat (uranium-238, californium 240.248, 249, 250, curium 244, 248, dst). Kemungkinan terjadinya fisi nuklir spontan tidak signifikan dibandingkan dengan peluruhan alfa. Dalam hal ini, inti membelah menjadi dua bagian (inti) yang bermassa sama.
Hukum Peluruhan Radioaktif
Stabilitas inti menurun seiring dengan bertambahnya jumlah nukleon. Hal ini juga tergantung pada rasio jumlah neutron dan proton.
Proses transformasi nuklir berturut-turut, biasanya, diakhiri dengan pembentukan inti stabil.
Transformasi radioaktif mematuhi hukum peluruhan radioaktif:
N = N 0 e λ t ,
dimana N, N 0 adalah jumlah atom yang belum meluruh pada waktu t dan t 0 ;
λ adalah konstanta peluruhan radioaktif.
Nilai λ memiliki nilai tersendiri makna individu untuk setiap jenis radionuklida. Ini mencirikan tingkat pembusukan, yaitu. menunjukkan berapa banyak inti yang meluruh per satuan waktu.
Menurut persamaan hukum peluruhan radioaktif, kurvanya berbentuk eksponensial.
Kuantifikasi radioaktivitas dan satuannya
Waktu di mana separuh inti meluruh akibat transformasi nuklir spontan disebut setengah hidup T 1/2 . Waktu paruh T 1/2 berhubungan dengan konstanta peluruhan dengan ketergantungan:
T 1/2 = ln2/λ = 0,693/λ.
Waktu paruh T 1/2 radionuklida yang berbeda berbeda-beda dan sangat bervariasi - dari sepersekian detik hingga ratusan bahkan ribuan tahun.
Waktu paruh beberapa radionuklida:
Yodium-131 - 8,04 hari
Cesium-134 - 2,06 tahun
Strontium-90 - 29,12 tahun
Cesium-137 - 30 tahun
Plutonium-239 - 24065 tahun
Uranium-235 - 7.038. 10 8 tahun
Kalium-40 - 1,4 10 9 tahun.
Kebalikan dari konstanta peluruhan adalah diteleponumur rata-rata atom radioaktif T :
Laju peluruhan ditentukan oleh aktivitas zat A:
A = dN/dt = A 0 e λ t = λ N,
dimana A dan A 0 adalah aktivitas zat pada waktu t dan t 0 .
Aktivitas– ukuran radioaktivitas. Hal ini ditandai dengan jumlah peluruhan inti radioaktif per satuan waktu.
Aktivitas radionuklida berbanding lurus dengan jumlah inti atom radioaktif pada waktu t dan berbanding terbalik dengan waktu paruh:
A = 0,693 N/T 1/2.
Satuan SI untuk aktivitas adalah becquerel (Bq). Satu becquerel sama dengan satu peluruhan per detik. Satuan aktivitas ekstrasistemik adalah curie (Ku).
1 Ku = 3,7 10 10 Bq
1Bq = 2,7 · 10 -11 Ku.
Satuan aktivitas curie sama dengan aktivitas 1 g radium. Dalam praktek pengukuran, konsep volumetrik A v (Bq/m 3, Ku/m 3), permukaan A s (Bq/m 2, Ku/m 2), dan spesifik A m (Bq/m, Ku/m) aktivitas juga digunakan.
