原子核に含まれる陽子と中性子の数が不均衡なために不安定な自然発生同位体がいくつかあります。したがって、安定するために、これらの同位体は放射性崩壊と呼ばれる自発的なプロセスを経ます。放射性崩壊により、特定の元素の同位体が別の元素の同位体に変換されます。ただし、放射性崩壊の最終生成物は常に最初の同位体よりも安定しています。特定の物質の放射性崩壊は、半減期として知られる特別な用語によって測定されます。 物質が放射性崩壊によって最初の質量の半分になるまでの時間が、その物質の半減期として測定されます。 これが放射性崩壊と半減期の関係です。
対象となる主な分野
1.放射性崩壊とは
– 定義、メカニズム、例
2.半減期とは
– 定義、例による説明
3.放射性崩壊と半減期の関係
– 放射性崩壊と半減期
重要な用語:半減期、同位体、中性子、陽子、放射性崩壊
放射性崩壊とは
放射性崩壊は、不安定同位体が放射線を放出して崩壊するプロセスです。不安定同位体は、不安定な原子核を持つ原子です。原子核内に多数の陽子が存在する、または原子核内に多数の中性子が存在するなどのいくつかの理由により、原子は不安定になる可能性があります。これらの原子核は、安定するために放射性崩壊を受けます。
陽子と中性子が多すぎると、原子は重くなります。これらの重い原子は不安定です。したがって、これらの原子は放射性崩壊を受ける可能性があります。他の原子も、中性子と陽子の比率に応じて放射性崩壊を受ける可能性があります。この比率が高すぎると、中性子が豊富で不安定になります。比率が低すぎると、プロトンが豊富な原子になり、不安定になります。物質の放射性崩壊は、主に 3 つの方法で発生する可能性があります。
- アルファ放出/減衰
- ベータ放出/崩壊
- ガンマ放出/減衰
アルファ放出
アルファ粒子はヘリウム原子と同じです。陽子2個と中性子2個で構成されています。 2 つの陽子の正電荷を中和する電子がないため、アルファ粒子は +2 の電荷を帯びています。アルファ崩壊により、同位体は 2 つの陽子と 2 つの中性子を失います。したがって、放射性同位元素の原子番号は 2 単位減少し、原子質量は 4 単位減少します。ウランなどの重元素は、アルファ放出を受ける可能性があります。
ベータ放出
ベータ放出 (β) の過程で、ベータ粒子が放出されます。ベータ粒子の電荷に応じて、正に帯電したベータ粒子または負に帯電したベータ粒子のいずれかになります。 β放出であれば、放出される粒子は電子です。 β+ 放出であれば、その粒子は陽電子です。陽電子は、電荷以外は電子と同じ性質を持つ粒子です。陽電子の電荷は正ですが、電子の電荷は負です。ベータ放出では、中性子が陽子と電子 (または陽電子) に変換されます。したがって、原子質量は変更されませんが、原子番号は 1 単位増加します。
ガンマ放出
ガンマ線は微粒子ではありません。したがって、ガンマ放射は、原子の原子番号または原子質量を変更しません。ガンマ線は光子で構成されています。これらの光子はエネルギーのみを運びます。したがって、ガンマ線放出により同位体がエネルギーを放出します。
図 1:ウラン 235 の放射性崩壊
ウラン 235 は自然界に存在する放射性元素です。異なる条件で、3 種類すべての放射性崩壊を受ける可能性があります。
Half Life とは
物質の半減期は、その物質が放射性崩壊によって最初の質量または濃度の半分になるまでにかかる時間です。この項には記号 t1/2 が与えられます .個々の原子が崩壊する時期を予測することができないため、半減期という用語が使用されます。しかし、放射性元素の原子核が半分になるまでの時間を測定することは可能です。
半減期は、核の数または濃度のいずれかに関して測定できます。同位体が異なれば、半減期も異なります。したがって、半減期を測定することで、特定の同位体の有無を予測できます。半減期は、物質の物理的状態、温度、圧力、またはその他の外的影響とは無関係です。
物質の半減期は、次の式を使用して決定できます。
ln (Nt / いいえo ) =kt
ここで、
Nt t 時間後の物質の質量
いいえいいえ 物質の初期質量です
K は減衰定数です
t は考慮される時間です
図 02:曲線
放射性崩壊
上の画像は、物質の放射性崩壊曲線を示しています。時間は年単位で測定されます。そのグラフによると、物質が最初の質量（100%）から50%になるまでの時間は1年です。 100% は 2 年後に 25% (最初の質量の 4 分の 1) になります。したがって、その物質の半減期は 1 年です。
100% 50% → 25% → 12.5% → → →
(1 半減期) (2 半減期) (3 半減期)
上記のチャートは、グラフから得られた詳細をまとめたものです。
放射性崩壊と半減期の関係
放射性崩壊と放射性物質の半減期の間には直接的な関係があります。放射性崩壊の速度は、半減期相当で測定されます。上記の式から、放射性崩壊の速度を計算するための別の重要な式を導き出すことができます。
ln(Nt / いいえo ) =kt
質量 (または原子核の数) は、半減期の後に初期値の半分になるため、
いいえt =いいえo /2
次に、
ln({No /2}/ いいえo ) =kt1/2
ln({1/2}/ 1) =kt1/2
ln(2) =kt1/2
したがって、
t1/2 =ln2 / k
ln2 の値は 0.693 です。次に、
t1/2 =0.693 / k
ここで、t1/2 は物質の半減期、k は放射性崩壊定数です。上記の式から、放射能の強い物質は消費が早く、放射能の弱い物質は完全に崩壊するまでに時間がかかることがわかります。したがって、長い半減期は放射性崩壊が速いことを示し、短い半減期は遅い放射性日を示します。一部の物質の半減期は、放射性崩壊に数百万年かかる場合があるため、決定できません。
結論
放射性崩壊は、不安定同位体が放射線を放出して崩壊するプロセスです。物質の放射性崩壊と半減期の間には直接的な関係があります。これは、放射性崩壊の速度が半減期の等価物によって測定されるためです。
