Prishja radioaktive

Prishja radioaktive, e njohur gjithashtu si prishja bërthamore, radioaktiviteti ose shpërbërja radioaktive, është një proces themelor në fizikën bërthamore. Është një proces në të cilin një bërthamë atomike e paqëndrueshme humbet energjinë për t’u bërë e qëndrueshme. Është një proces natyror dhe është i rëndësishëm për imazhet mjekësore dhe përcaktimin e moshës së shkëmbinjve, datimi me karbon dhe fosileve.

Çfarë ndodh gjatë prishjes radioaktive

Radioaktiviteti ndodh kur një atom ka një tepricë energjie, mase ose të dyja, duke e bërë bërthamën e tij të paqëndrueshme. Për të arritur një nivel më të ulët dhe më të qëndrueshëm të energjisë, ai lëshon energji në formën e rrezatimit. Ky rrezatim mund të emetohet si grimca ose valë elektromagnetike, në varësi të natyrës së prishjes.

[Një material që përmban bërthama të paqëndrueshme konsiderohet radioaktiv. Tre nga llojet më të zakonshme të prishjes janë alfa, beta dhe gama prishje. Forca e dobët është mekanizmi që është përgjegjës për prishjen beta, ndërsa dy të tjerët qeverisen nga forcat elektromagnetike dhe bërthamore.]¹

Atomi origjinal i paqëndrueshëm, i njohur si izotopi mëmë, pëson një transformim. Ndërsa humbet energji, bërthama mund të ndryshojë në përbërje, si për shembull duke ndryshuar numrin e protoneve ose neutroneve. Ky ndryshim çon në formimin e një atomi të ri të quajtur izotopi bijë. Izotopi i vajzës është zakonisht më i qëndrueshëm se prindi, por në disa raste, ai mund të jetë ende radioaktiv dhe të vazhdojë të kalbet ose prishet derisa të arrihet një formë e qëndrueshme.

Procesi i prishjes radioaktive është i rastësishëm, që do të thotë se është e pamundur të parashikohet saktësisht se kur një atom i caktuar do të prishet. Megjithatë, për një numër të madh atomesh, shkalla e prishjes është e qëndrueshme dhe mund të karakterizohet nga gjysma e jetës së substancës – koha që i duhet gjysmës së atomeve në një mostër për t’u prishur.

[Në 1896, Antoine Becquerel zbuloi se një shkëmb i pasur me uranium lëshon rreze të padukshme që mund të errësojnë një pllakë fotografike në një enë të mbyllur. Shkencëtarët ofrojnë tre argumente për origjinën bërthamore të këtyre rrezeve. Së pari, efektet e rrezatimit nuk ndryshojnë me gjendjen kimike; domethënë, nëse materiali lëshues është në formën e një elementi ose përbërjeje. Së dyti, rrezatimi nuk ndryshon me ndryshimet në temperaturë ose presion – të dy faktorë që në shkallë të mjaftueshme mund të ndikojnë në elektronet në një atom. Së treti, energjia shumë e madhe e rrezeve të padukshme (deri në qindra eV) nuk është në përputhje me tranzicionet atomike të elektroneve (vetëm disa eV). Sot, ky rrezatim shpjegohet me shndërrimin e masës në energji thellë brenda bërthamës së një atomi. Emetimi spontan i rrezatimit nga bërthamat quhet radioaktivitet bërthamor.]²

Nga> Radioactivity: Definition, Types, Formula, and Applications³

Cilat materiale i nënshtrohen prishjes radioaktive

Prishja radioaktive ndodh në materialet që përmbajnë izotope radioaktive, të cilat janë forma të paqëndrueshme të elementeve. Ky paqëndrueshmëri lind sepse forcat që mbajnë bërthamën së bashku nuk janë të balancuara, shpesh për shkak të një tepricë të protoneve, neutroneve ose të dyjave. Për të arritur një gjendje më të qëndrueshme, bërthama pëson prishje radioaktive.

Shembuj të izotopeve radioaktive janë:

• Uranium-238 dhe Uranium-235
• Torium-232
• Radium-226
• Karboni-14
• Plutonium-239

Llojet e prishjes radioaktive

Disa lloje të ndryshme të prishjes radioaktive mund të ndodhin në natyrë. Tre llojet kryesore janë:

• Prishja alfa: Në zbërthimi ose prishjen alfa, një bërthamë atomike lëshon një grimcë alfa të përbërë nga dy protone dhe dy neutrone. Ky lloj prishjeje është i zakonshëm në bërthamat e rënda dhe të paqëndrueshme, pasi ndihmon në zvogëlimin e masës dhe energjisë së bërthamës.
• Prishja beta: Prishja beta ndodh kur një neutron në bërthamë shndërrohet në një proton, një elektron dhe një antineutrino. Ekzistojnë dy lloje kryesore të prishjes beta – beta minus dhe beta plus. Beta minus prishja rezulton në emetimin e një elektroni (e^–), ndërsa beta plus prishja çon në emetimin e një pozitroni (β⁺).
• Prishja gama: Prishja gama nuk përfshin emetimin e asnjë grimce. Në vend të kësaj, ndodh kur një bërthamë e ngacmuar lëshon energji të tepërt përmes rrezatimit elektromagnetik me energji të lartë të quajtur rreze gama. Ky lloj kalbjeje shpesh ndjek forma të tjera të prishjes radioaktive.

Lloje të tjera të prishjes radioaktive janë:

• Kapja e elektroneve: Një elektron i brendshëm orbital kapet nga bërthama, ku kombinohet me një proton për të formuar një neutron, duke lëshuar një neutrino në proces. Si rezultat, numri atomik zvogëlohet me 1, por numri i masës mbetet i pandryshuar, duke çuar në formimin e një elementi të ri.
• Emetimi i neutroneve: Bërthama lëshon një ose më shumë neutrone. Ndodh nëse bërthama është e pasur me neutrone. Si rezultat, numri i masës zvogëlohet me 1, por numri atomik mbetet i pandryshuar, duke çuar në formimin e një izotopi të ndryshëm të të njëjtit element.
• Emetimi i protonit: Një lloj i rrallë i prishjes bërthamore në të cilin bërthama lëshon një proton. Si rezultat, numri atomik zvogëlohet me 1 dhe numri i masës zvogëlohet me 1, duke çuar në formimin e një elementi tjetër.

Ligji i prishjes radioaktive

Ligji i prishjes radioaktive është një parim themelor që përshkruan se si numri i bërthamave radioaktive në një mostër zvogëlohet me kalimin e kohës. Ai thotë se shpejtësia me të cilën një substancë radioaktive prishet është drejtpërdrejt proporcionale me numrin e bërthamave të paprishura të pranishme në çdo kohë të caktuar. Ky ligj shprehet matematikisht përmes ekuacionit diferencial të zbërthimit radioaktiv:

Ku

– N (t) është numri i bërthamave të paprishura në kohën t

– dN/dt​ është shkalla e ndryshimit të numrit të bërthamave, që përfaqëson sa shpejt po kalben bërthamat

– λ është konstanta e zbërthimit, një vlerë pozitive që është specifike për secilin izotop radioaktiv

Zgjidhja e ekuacionit diferencial është ekuacioni i zbërthimit radioaktiv:

Ku

– N_o është numri fillestar i bërthamave

Kjo tregon se numri i bërthamave të pakalbura zvogëlohet në mënyrë eksponenciale me kalimin e kohës. Duke përdorur formulën e prishjes radioaktive, shkencëtarët mund të parashikojnë me saktësi sasinë e materialit radioaktiv të mbetur pas një periudhe të caktuar kohore.

Gjysma e jetës

Siç u përmend më parë, gjysma jeta është koha e nevojshme që gjysma e bërthamave në një mostër të kalben. Shënohet me t_1/2 dhe lidhet me konstanten e prishjes nga marrëdhënia:

Gjysma e jetës është një masë statistikore që ndihmon në parashikimin se sa kohë do të duhet që një pjesë e konsiderueshme e materialit të prishet.

Aplikimet e prishjes radioaktive

1. Datimi radioaktiv: Përdoret në arkeologji, gjeologji dhe paleontologji për të përcaktuar moshën e shkëmbinjve, fosileve dhe artefakteve.
2. Imazhet mjekësore: Teknikat si PET (Tomografia e Emetimit të Pozitronit) dhe SPECT (Tomografia e Kompjuterizuar me Emetim të Fotonit të Vetëm) përdorin gjurmues radioaktivë për të vizualizuar dhe diagnostikuar sëmundjet.
3. Trajtimi i kancerit: Izotopet radioaktive përdoren në terapinë me rrezatim për të shënjestruar dhe shkatërruar qelizat kancerogjene.
4. Sterilizimi: Burimet radioaktive si Kobalt-60 ose Ceziumi-137 sterilizojnë pajisjet dhe furnizimet mjekësore.
5. Studimet gjurmuese në kimi: Izotopet radioaktive shërbejnë si gjurmues për të monitoruar reaksionet kimike, për të gjurmuar rrjedhën e lëngjeve dhe për të studiuar proceset metabolike.
6. Detektorët e tymit: Americium-241, një emetues alfa, jonizon grimcat e ajrit në detektorët e tymit, duke shkaktuar një alarm kur është i pranishëm tymi.
7. Matësit industrialë: Burimet radioaktive si Kobalti-60 matin dendësinë dhe trashësinë e materialeve në aplikime industriale.
8. Prodhimi i energjisë bërthamore: Reaktorët bërthamorë përdorin prishje radioaktive të kontrolluar për të gjeneruar nxehtësi, e cila më pas shndërrohet në energji elektrike.
9. Ruajtja e ushqimit: Rrezatimi e ekspozon ushqimin ndaj sasive të kontrolluara të rrezatimit për të vrarë bakteret, insektet dhe parazitët, duke zgjatur jetëgjatësinë.
10. Eksplorimi i hapësirës: Gjeneratorët termoelektrikë të radioizotopeve (RTG) përdorin nxehtësinë nga prishja radioaktive për të fuqizuar anijet kozmike dhe sondat e hapësirës së thellë.

Shembuj të problemeve me zgjidhjet

Problemi 1

Një copë druri i lashtë zbulohet të ketë një përmbajtje karboni-14 që është 25% e asaj që gjendet në drurin e gjallë. Gjysma e jetës së karbonit-14 është afërsisht 5730 vjet.

(a) Vlerësoni moshën e drurit.
(b) Nëse përmbajtja origjinale e karbonit-14 e kampionit ishte 1.5 mikrogramë, sa karbon-14 mbetet në kampion?

Zgjidhja

(a) Dhënë:

Fraksioni fillestar i karbonit-14: N₀ = 100%

Fraksioni i mbetur i karbonit-14: N(t) = 25%

Gjysma e jetës së karbonit-14: t_1/2 = 5730 vjet

Duke përdorur formulën:

t_1/2 = 0.693/λ

Konstan ta e prishjes jepet nga:

λ = 0.693/t_1/2 = 0.693/5730 [vite⁻¹] = 1.21×10⁻⁴ [vite⁻¹]

Për të përcaktuar moshën e drurit, ne përdorim këtë formulë.

N(t) = No * e^−λt

Riorganizimi i termave:

ln(N(t)/N_o) =−λt

=> t = –(1/λ) * ln(N(t)/N_o)

=> t = (–1/1.21×10⁻⁴) × ln(0.25) = 11,457 vjet

Mosha e drurit është afërsisht 11,457 vjet.

(b) Dhënë

Fraksioni fillestar i karbonit-14: N_o = 1.5 mikrogramë

Konstanta e zbërthimit: λ = 1.29 x 10^-4 vite^-1

Koha: t = 11,457 vjet

Përsëri, duke përdorur formulën:

N(t) = No*e^−λt

Ne marrim

N(t) = 1.5 mikrogram × exp(−1.21×10⁻⁴vite⁻¹ × 11457 vite)=0.375 mikrogram

Sasia e mbetur e karbonit-14 në mostër është 0.375 mikrogramë.

Problemi 2

Një mostër e një izotopi radioaktiv ka një aktivitet fillestar prej 800 shpërbërjesh në sekondë. Pas 10 orësh, aktiviteti bie në 200 shpërbërje në sekondë.

(a) Përcaktoni gjysmën e jetës së izotopit.
(b) Llogaritni se sa kohë do të kërkohet që aktiviteti të bjerë në 25 shpërbërje në sekondë.

Zgjidhja

(a) Dhënë

Aktiviteti fillestar: N₀ = 800 shpërbërje në sekondë

Aktiviteti pas 10 orësh: N(t) = 200 shpërbërje në sekondë

Koha: t = 10 orë

Marrëdhënia midis aktivitetit dhe kohës jepet nga:

N(t) = N_o × e^−λt

Riorganizimi i termave dhe zëvendësimi i λ me t_1/2

N(t)/N_o = e^{−0.693t/t_1/2}

Vendosja e vlerave

200/800 = e^{−0.693*10h/t_1/2} => t_1/2 = −6.93h / ln (0.25) = 5h

Gjysma e jetës së izotopit është 5 orë.

(b) Dhënë

Aktiviteti fillestar: N₀ = 800 shpërbërje në sekondë

Aktiviteti pas t orëve: N(t) = 25 shpërbërje në sekondë

Gjysma e jetës: t_1/2 = 5 orë

Ne përdorim ekuacionin e mëposhtëm

N(t)/N_o = e^{−0.693t/t_1/2}

Vendosja e vlerave

25/800=e^−0.693t/5h => ln (0.03125) = –0.1386 t => t=25h

Do të duhen 25 orë që aktiviteti të bjerë në 25 shpërbërje në sekondë.

Referenca

1. Radioactive decay – Wikipedia ↩︎
2. 10.4: Radioactive Decay – Physics LibreTexts ↩︎
3. Radioactivity: Definition, Types, Formula, and Applications ↩︎