شیمی هسته ای (2)

شاخه های تجزیه ی رادیواکتیو : در طبیعت چندین شاخه ی تجزیه ی رادیواکتیو وجود دارد.شاخه های تجزیه قسمت هایی از سری های  رادیواکتیو هستند. به این ترتیب که وقتی هسته ای تجزیه می شود و به هسته ی رادیواکتیو دیگری تبدیل می شود این روند ادامه پیدا می کند تا وقتی که به هسته ی پایداری برسد از اولین هسته ی رادیواکتیو تا هسته ی پایدار را یک سری می گویند.  در طبیعت سه سری رادیواکتیو وجود دارد:سری اورانیم ٬ توریم و اکتینیم.

خصوصیات سری های تجزیه ی طبیعی : 1)هر سری توسط عضو برجسته ای از آن سری نامیده می شود. 2)محصول نهایی هر سری ایزوتوپ پایداری از سرب است . ٣) سه سری از طریق هیچ ایزوتوپی به هم وابسته نیستند.یک ایزوتوپ در یکی از سری ها به ایزوتوپ متعلق به سری دیگر تجزیه نمی شود. ٤) در هر سری  تعدادی از ایزوتوپ های فعال متحمل تجزیه ی شاخه ای می شوند به این ترتیب که یک ایزوتوپ مشخص به دو روش تجزیه می شود و دو محصول را به عنوان محصولات شاخه ای ایجاد می کندبه عنوان مثال پلونیم با عدد جرمی ٢١٨در سری اورانیم متحمل هر دو تجزیه ی α و β می شود و به ترتیب Pb با عدد جرمی ٢١٤ و At با عدد جرمی٢١٨می شود که این محصولات شاخه ای همیشه به یک محصول مشابه تبدیل می شوند.

در سری های تجزیه ی مصنوعی با ایزوتوپ های مصنوعی سر و کار داریم.خصوصیات سری های تجزیه ی مصنوعی: ١) تمام اعضای این سری ها به جز عضو آخر در طبیعت وجود ندارند پس مصنوعی هستند. ٢)محصول نهایی ایزوتوپی از سرب نبوده بلکه ایزوتوپی از بیسموت است. ٣) این سری ها بر خلاف سه سری طبیعی به هیچ وجه شامل محصول گازی رادون نیستند.

قوانین تجزیه ی رادیواکتیو : در یک واکنش رادیواکتیو با تغییراتی مثل نشر ذره ی α ٬ ץ یا β از یک اتم به اتم دیگر میرسیم. در یک فعالیت رادیواکتیو مشخص می شود که چگونه یک عنصر ناپدید و یا تجزیه می شود. تمام اتم های رادیواکتیوی که در یک نمونه از عنصر وجود دارندتمایل دارند تجزیه شوند. تعداد  واقعی اتم هایی که در واحد زمان تجزیه می شوند سرعت نامیده می شود.در واقع سرعت به تمایل اتم های رادیواکتیو برای متلاشی شدن وابسته است.این نشان دهنده ی این است که تمایل اتم های رادیواکتیو مختلف برای متلاشی شدن متفاوت است این خاصیت تمایل را به عنوان فعالیت نام می برند به عنوان مثال عنصر پرتو زای Thبا عدد جرمی ٢٣٢هفتاد برابر بیشتر از Raبا عدد جرمی ٢٢٦تمایل برای متلاشی شدن دارد.تجزیه ی رادیواکتیو واکنشی مرتبه اول است که که به طور نمایی کاهش می یابد.سرعت تجزیه ی رادیواکتیو به گونه ای است که ماهیت آن از لحاظ فیزیکی و شیمیایی تاثیری در سرعت تجزیه ندارد برای یک عنصر فعال سرعت تجزیه در هر زمان فقط به تعداد  هسته های موجود بستگی دارد.

               ( 1 ) dN/dt=λN -

 ثابت λ بیانگر نسبی بودن واکنش است که مشخصه ی تجزیه ی هر عنصر است و به عنوان ثابت تجزیه هم نامیده می شود.  N  تعداد اتم ها و dN تغییر در تعداد اتم ها در زمان t می باشد.                                                                          

نیمه عمر عناصر رادیواکتیو :نیمه عمر یک عنصر رادیواکتیو زمانی است که نیمی از عنصر فعال تجزیه شود این زمان را به صورت t _½نشان می دهند.برای مثال فرض کنید هزار تا اتم فعال داریم اگر زمان لازم برای تجزیه ی ٥٠٠ اتم ده دقیقه باشد نیمه عمر ده دقیقه است.اندازه ی نیمه عمر بیانگر مقدار رادیواکتیویته بودن یک عنصر است هر چه نیمه عمر کوچکتر باشد نشان دهنده ی این است که تعداد  اتم های تجزیه شده در واحد زمان بیشتر است . مقدار نیمه عمر برای عناصر رادیواکتیو مختلف از کسری از ثانیه تا میلیون ها سال متغیر است اما مقدار آن برای یک عنصر خاص ثابت است.برای به دست آوردن زمان نیمه عمر از این رابطه استفاده می شود:                t_½ =0.693/λ         

به عنوان مثال مسئله ای را حل می کنیم: نوکلئوئید ¹⁸F   متحمل 10% تجزیه ی رادیواکتیو در 5. 16  دقیقه می شود t_½ آنرا حساب کنید. N :

 ln N/N ₀=-λt

تعداد اتم های موجود و  N₀ تعداد اتم های اولیه است.پس طبق رابطه ی بالا         λ= - 2.303/t log(N/N₀

پس با جاگذاری λ=-2.303/ 16.5 log (0.9/1)=> λ=6.39x10^-3 min^-1 

که با توجه به فرمول زمان نیمه عمر t_½  =0.693/λ=> t_½  =108 min 

زمان متوسط یا میانگین برای عنصر رادیواکتیو : ترم dN تعداد اتم هایی از عنصر رادیواکتیو است که در زمان dt متلاشی می شوند.

dN⁄N بیانگر کسری از کل تعداد اتم های موجود است که در همان زمان dt متلاشی می شوند.(4کسری از اتم های رادیواکتیو موجود که در واحد زمان تجزیه می شود=- (dN/N)/ dt با جاگذاری رابطه ی(1) در رابطه ی (4) نتیجه می شود :λ=λN/λ:کسری از کل تعداد اتم های موجود.

زمان متوسط (میانگین ) : برای اتم های رادیواکتیو معکوس ثابت رادیواکتیو یعنی ג⁄١ می باشد.زمانی که بحث آماری برای اتم های رادیواکتیو داشته باشیم از زمان متوسط استفاده می کنیم.

تعادل رادیواکتیویته :فرض کنید یک عنصر رادیواکتیو به نام A داریم که  A.....> B.....> C از لحاظ سرعت تجزیه ی B به زمانی می رسیم که سرعت تجزیه ی آن برابر با سرعت تشکیل ان از A می شود.با اینکه عنصر B متحمل تجزیه می شود ولی عملا هیچ تغییری در مقدارش به وجود نمی آید این همان تعادل رادیواکتیویته است.در حالت تعادل سرعت تجزیه و تشکیل یکسان است.مقدار ثابت تعادل متناسب با ثابت تجزیه (ג) می باشد.مثلا اگر در زمان تعادل ₂λ و ₁λ داشته باشیم داریم : N₂ λ₂ = N₁ λ₁

گستره ی ذرات α : قاعده ی گایگر ناتا می گوید ذرات  α نشر شده توسط یک عنصر رادیواکتیو دارای انرژی به صورت جنبشی هستند بنابراین هنگامی که ذره ی α از یک هسته نشر می شود در تمام جهات نسبت به هسته ی مادر حرکت می کند و در طی مسیری که طی می کند با مواد موجود در هوا برخورد می کند و از آنجاییکه خود ذره ی α یک ذره ی باردار است پس مواد موجود در هوا را یونیزه می کند .بعد از اینکه ذرات α مسافتی را طی کرد بار خود را از دست می دهند و تبدیل به ذرات خنثی می شوند و پدیده ی یونیزاسیون هوا متوقف می شود. طبق تعریف حداکثر مسافت نسبت به سرچشمه را که در آن ذرات  α باعث یونیزاسیون هوا می شوند گستره (R ) می نامند. گستره ی ذرات  α برای هر چشمه ی معین مقداری ثابت است.هر چه طول عمر ایزوتوپ زیاد باشد ذرات α کوتاه ترین گستره را دارند . قاعده ی گایگر ناتا: logλ=A logR +B

AوB مقادیر ثابت هستند.