عناصر رادیواکتیو و نیمه عمر آن ها

عناصر رادیواکتیو برای پایدارتر شدن دستخوش دگرگونی های خود به خودی می شوند که به عنوان واپاشی رادیواکتیو نیز شناخته می شود. این رویداد شامل انتشار ذرات و  یا انرژی از هسته های ناپایدار آنها است. در این پست خلاصه ای از آنچه اتفاق می افتد و همچنین برخی از عناصر رادیو اکتیو و نیمه عمر آن ها آمده است:

1. ناپایداری هسته:

• نسبت نوترون به پروتون: علت اصلی واپاشی رادیواکتیو عدم تعادل در نسبت نوترون به پروتون در هسته اتم است. برای عناصر سبک تر، نسبت تقریباً 1:1 به طور کلی پایدار است. عناصر سنگین تر برای پایداری به نسبت نوترون به پروتون بالاتر نیاز دارند. اگر این نسبت خارج از ناحیه پایداری باشد، هسته اتم رادیواکتیو می شود.
• نیروهای هسته ای قوی و ضعیف: پایداری یک هسته به تعادل بین نیروی هسته ای قوی (که پروتون ها و نوترون ها را جذب می کند) و نیروی الکترومغناطیسی (که در آن پروتون ها یکدیگر را به خاطر بار مثبت یکسان دفع می کند) بستگی دارد. پوسیدگی رادیواکتیو زمانی رخ می دهد که این تعادل مختل شود.

2. انواع واپاشی رادیواکتیو:

واپاشی رادیواکتیو به اشکال مختلفی وجود دارد که هر کدام شامل انتشار ذرات و یا انرژی مختلف است:

• واپاشی آلفا (α): هسته یک ذره آلفا را منتشر می کند که از دو پروتون و دو نوترون (هسته هلیوم) تشکیل شده است. در نتیجه عدد اتمی را 2 و عدد جرمی را 4 واحد کاهش می دهد.
• فروپاشی بتا (β): دو نوع وجود دارد:
* واپاشی بتا منفی  (β⁻): یک نوترون به پروتون تبدیل می شود و یک الکترون (ذره بتا) و یک پاد نوترینو ساطع می کند. عدد اتمی 1 واحد افزایش می یابد، در حالی که عدد جرمی بدون تغییر باقی می ماند.
* واپاشی بتا مثبت (β⁺): یک پروتون به نوترون تبدیل می شود و یک پوزیترون (پاد الکترون) و یک نوترینو ساطع می کند. عدد اتمی 1 واحد کاهش می یابد و عدد جرمی بدون تغییر باقی می ماند.
• واپاشی گاما (γ): هسته یک پرتو گاما منتشر می کند که تابش الکترومغناطیسی پر انرژی است. واپاشی گاما معمولاً به دنبال  انواع دیگری از فروپاشی روی می دهد، زیرا زمانی اتفاق می افتد که هسته در حالت برانگیخته است و به حالت انرژی پایین تر منتقل می شود. این رویداد عدد اتمی یا جرمی را تغییر نمی دهد.
• جذب الکترون: یک پروتون در هسته یک الکترون را از یک لایه الکترونی داخلی می گیرد، به نوترون تبدیل می شود و یک نوترینو ساطع می کند. عدد اتمی 1 واحد کاهش می یابد و عدد جرمی بدون تغییر باقی می ماند.
• شکافت خود به خود: هسته های سنگین به طور خود به خود به دو یا چند هسته کوچکتر تقسیم می شوند. این فرآیند مقدار زیادی انرژی آزاد می کند.

3. نیمه عمر:

• نرخ واپاشی: واپاشی رادیواکتیو یک فرآیند احتمالی است. ما نمی‌توانیم زمان واپاشی یک اتم خاص را پیش‌بینی کنیم، اما می‌توانیم سرعت واپاشی تعداد زیادی اتم را اندازه‌گیری کنیم.
• تعریف نیمه عمر: نیمه عمر زمانی است که طول می کشد تا نیمی از اتم های یک نمونه تجزیه شوند. نیمه عمر بسیار متفاوت است، از کسری از ثانیه تا میلیاردها سال متغییر است.

4. پیامدهای تجزیه رادیواکتیو:

• انتشار انرژی: واپاشی رادیواکتیو انرژی را به شکل انرژی جنبشی ذرات ساطع شده و پرتوهای گاما آزاد می کند.
• دگرگونی هسته ای: واپاشی رادیواکتیو عدد اتمی و گاهی اوقات عدد جرمی یک اتم را تغییر می دهد و آن را به عنصر دیگری تبدیل می کند (تبدیل).
• خطرات تشعشع: ذرات ساطع شده و اشعه گاما پرتوهای یونیزه هستند که می توانند به بافت بیولوژیکی آسیب رسانده و باعث مشکلات سلامتی شوند.

به طور خلاصه، عناصر رادیواکتیو تحت دگرگونی های هسته ای خود به خودی قرار می گیرند تا به حالت پایدارتری دست یابند و در این فرآیند ذرات و انرژی ساطع می کنند. نوع واپاشی و سرعت تجزیه مشخصه هر ایزوتوپ رادیواکتیو است و درک این فرآیندها برای کاربردهای مختلف از جمله پزشکی هسته‌ای، تکنیک‌های تاریخ‌گذاری و تولید انرژی بسیار مهم است.

مثال هایی از عناصر رادیو اکتیو

در اینجا چند نمونه از عناصر رادیواکتیو و نیمه عمر آنها آورده شده است. توجه داشته باشید که بسته به ایزوتوپ خاص، نیمه عمر را می توان در واحدهای مختلفی (ثانیه، دقیقه، سال و غیره) بیان کرد. همچنین، به خاطر داشته باشید که این مقادیر تقریبی هستند، زیرا برخی از اندازه‌گیری‌ها دارای عدم قطعیت‌های جزئی هستند:

برخی از عناصری که به طور طبیعی رادیواکتیو هستند:

• اورانیوم-238 (²³⁸U): 4.5 میلیارد سال. این نیمه عمر بسیار طولانی به همین دلیل است که اورانیوم 238 هنوز در مقادیر قابل توجهی در زمین وجود دارد.
• اورانیوم-235 (²³⁵U): 704 میلیون سال. این ایزوتوپ در طبیعت نیز یافت می شود، اما نسبت بسیار کمتری نسبت به اورانیوم-238 دارد. شکافت پذیر است و در راکتورهای هسته ای استفاده می شود.
• توریم-232 (²³²Th): 14.05 میلیارد سال. ایزوتوپ بسیار طولانی دیگر که معمولاً در پوسته زمین یافت می شود.
• رادیوم-226 (²²⁶Ra): 1600 سال. از لحاظ تاریخی در رنگ های درخشان استفاده می شد، اما اکنون به دلیل رادیواکتیویته آن تا حد زیادی جایگزین شده است.
• رادون-222 (²²²Rn): 3.8 روز. گاز رادیواکتیو که محصول تجزیه رادیوم است. منبع قابل توجهی برای قرار گرفتن در معرض تشعشعات داخلی است.
• پتاسیم-40 (⁴⁰K): 1.25 میلیارد سال. به طور طبیعی در بدن ما و محیط زیست یافت می شود.
• کربن-14 (¹⁴C): 5730 سال. برای تاریخ گذاری رادیوکربن بسیار مهم است.

برخی از عناصر مصنوعی که رادیو اکتیو هستند:

• تکنسیوم-99m (⁹⁹mTc):  شش و یک صدم 6.01 ساعت. یک حالت شبه پایدار (m) از تکنسیوم-99. به دلیل نیمه عمر نسبتا کوتاه و انتشار گاما به طور گسترده در تصویربرداری پزشکی استفاده می شود.
• ید-131 (¹³¹I): 8.02 روز. در درمان های پزشکی، به ویژه برای اختلالات تیروئید استفاده می شود.
• کبالت-60 (⁶⁰Co): 5.27 سال. مورد استفاده در رادیوتراپی و کاربردهای صنعتی.
• استرانسیوم-90 (⁹⁰Sr): 28.8 سال. انتشار دهنده بتا، جزء مهمی از ریزش هسته ای است.
• سزیم-137 (¹³⁷Cs): 30.17 سال. یکی دیگر از اجزای مهم ریزش هسته ای؛ یک ساطع کننده گاما
• پلوتونیوم-239 (²³⁹Pu): 24110 سال. در سلاح های هسته ای و برخی راکتورها استفاده می شود.

نکات مهم:

• واحدها: به واحدهای نیمه عمر بسیار توجه کنید. نیمه عمر 8 روزه با نیمه عمر 8 سال یا 8 میلیارد سال بسیار متفاوت است!
• محصولات واپاشی رادیواکتیو: هنگامی که یک عنصر رادیواکتیو تجزیه می شود، اغلب به عنصر رادیواکتیو دیگری (ایزوتوپ دختر) تبدیل می شود. این فرآیند می تواند از طریق یک سری واپاشی تا رسیدن به ایزوتوپ پایدار ادامه یابد.
• ایمنی: همیشه با مواد رادیواکتیو با احتیاط شدید برخورد کنید و از مقررات ایمنی سختگیرانه پیروی کنید.

این لیست انتخاب کوچکی را ارائه می دهد. ایزوتوپ های رادیواکتیو بسیار بیشتری با طیف وسیعی از نیمه عمر وجود دارند. می توانید جداول گسترده تری از ایزوتوپ ها و نیمه عمر آنها را در ویکیپدیا بیابید.

در شکل زیر مراحل فروپاشی اورانیم-238 تا رسیدن به عنصر پایدار سرب-206 را می بینید:

سرچشمه ها:

https://imagine.gsfc.nasa.gov/educators/elements/imagine/09.html

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Periodic_Table_Stability_%26_Radioactivity.svg