Radioaktiver Zerfall ist der Prozess, durch den ein Atomkern eines nicht stabilen Atoms Energie durch das Ausstrahlen von in Ionen zerfallenden Partikeln (ionisierende Strahlung) verliert. Es gibt viele verschiedene Typen des radioaktiven Zerfalls (sieh Tisch unten). Ein Zerfall oder Verlust der Energie, resultiert, wenn sich ein Atom mit einem Typ des Kerns, genannt das Elternteilradionuklid, zu einem Atom mit einem Kern in einem verschiedenen Staat, oder zu einem verschiedenen Kern verwandelt, der verschiedene Zahlen von Nukleonen enthält. Jedes dieser Produkte wird die Tochter nuclide genannt. In einem Zerfall sind der Elternteil und die Tochter verschiedene chemische Elemente, und so läuft der Zerfall-Prozess auf Kernumwandlung (Entwicklung eines Atoms eines neuen Elements) hinaus.

Die ersten zu entdeckenden Zerfall-Prozesse waren Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall und Gammazerfall. Alpha-Zerfall kommt vor, wenn der Kern ein Alphateilchen (Helium-Kern) vertreibt. Das ist der allgemeinste Prozess, Nukleonen auszustrahlen, aber in selteneren Typen des Zerfalls können Kerne Protone oder spezifische Kerne anderer Elemente (im Prozess genannt Traube-Zerfall) vertreiben. Beta-Zerfall kommt vor, wenn der Kern ein Elektron oder Positron und einen Typ des Neutrinos in einem Prozess ausstrahlt, der ein Proton zu einem Neutron oder umgekehrt ändert. Der Kern kann ein umkreisendes Elektron gewinnen, ein Proton in ein Neutron (Elektronfestnahme) umwandelnd. Alle diese Prozesse laufen auf Kernumwandlung hinaus.

Im Vergleich dort bestehen Sie radioaktive Zerfall-Prozesse, die auf Umwandlung nicht hinauslaufen. Die Energie eines aufgeregten Kerns kann als ein Gammastrahl im Gammazerfall ausgestrahlt oder verwendet werden, um Schleudersitz zu betätigen, ein Augenhöhlenelektron durch die Wechselwirkung mit dem aufgeregten Kern in einem Prozess hat innere Konvertierung genannt. Radioisotope strahlen gelegentlich Neutronen aus, und das läuft auf eine Änderung in einem Element von einem Isotop bis einen anderen hinaus.

Ein Typ des radioaktiven Zerfalls läuft auf Produkte hinaus, die nicht definiert werden, aber in einer Reihe von "Stücken" des ursprünglichen Kerns erscheinen. Dieser Zerfall wird spontane Spaltung genannt. Dieser Zerfall geschieht, wenn sich ein großer nicht stabiler Kern spontan in zwei (und gelegentlich drei) kleinere Tochter-Kerne aufspaltet, und gewöhnlich Gammastrahlung, Neutronen oder andere Partikeln demzufolge ausstrahlt.

Radioaktiver Zerfall ist ein stochastischer (d. h., zufällig) Prozess am Niveau von einzelnen Atomen, darin gemäß der Quant-Theorie, es ist unmöglich vorauszusagen, wenn ein besonderes Atom verfallen wird. Jedoch ist die Chance, dass ein gegebenes Atom verfallen wird, mit der Zeit unveränderlich. Für eine Vielzahl von identischen Atomen (desselben nuclide) ist die Zerfall-Quote für die Sammlung vom gemessenen Zerfall voraussagbar, der des nuclide (oder gleichwertig von der Halbwertzeit) unveränderlich ist.

Radionuklide können künstlich erzeugt werden. In der Natur ergibt sich radioaktiver Zerfall aus drei Hauptquellen: Einige primordiale nuclides sind radioaktiv, aber sind so langlebig, dass sie anwesend vom primordialen Sonnennebelfleck bleiben. Andere natürlich vorkommende Radionuklide sind kurzlebiger radiogenic nuclides, die die Töchter dieser radiactive primordialen nuclides sind. Eine dritte Quelle von natürlich vorkommendem radioaktivem nuclides ist cosmogenic nuclides, gebildet durch die kosmische Strahl-Beschießung des Materials in der Atmosphäre oder Kruste der Erde. Für einen zusammenfassenden Tisch, die Zahl von stabilem nuclides und radioaktiven nuclides in jeder Kategorie zeigend, sieh Radionuklid.

Zerfall-Phänomene

Die Neutronen und Protone, die Kerne, sowie andere Partikeln einsetzen, die sich nahe genug für sie nähern, werden durch mehrere Wechselwirkungen geregelt. Die starke Kernkraft, die nicht an der vertrauten makroskopischen Skala beobachtet ist, ist die stärkste Kraft über subatomare Entfernungen. Die elektrostatische Kraft ist fast immer, und im Fall vom Beta-Zerfall bedeutend, die schwache Kernkraft wird auch beteiligt.

Das Wechselspiel dieser Kräfte erzeugt mehrere verschiedene Phänomene, in denen Energie durch die Neuordnung von Partikeln im Kern, oder die Änderung eines Typs der Partikel in andere veröffentlicht werden kann. Diese Neuordnungen und Transformationen können energisch gehindert werden, so dass sie sofort nicht vorkommen. In bestimmten Fällen werden zufällige Quant-Vakuumschwankungen theoretisiert, um Entspannung einem niedrigeren Energiestaat (der "Zerfall") in einem Phänomen zu fördern, das als Quant tunneling bekannt ist. Die radioaktive Zerfall-Halbwertzeit von nuclides ist über Zeitskalen von 55 Größenordnungen, von 2.3 x 10-Sekunden-(für Wasserstoff 7) zu 6.9 x 10 Sekunden (für das Tellur 128) gemessen worden. Die Grenzen dieser Zeitskalen werden durch die Empfindlichkeit der Instrumentierung nur festgelegt, und es gibt keine bekannten natürlichen Grenzen dazu, wie kurz oder lang ein Zerfall Hälfte des Lebens für den radioaktiven Zerfall eines Radionuklids sein kann.

Der Zerfall-Prozess, wie alle gehinderten Energietransformationen, kann analogized durch ein Schneefeld auf einem Berg sein. Während die Reibung zwischen den Eiskristallen das Gewicht des Schnees unterstützen kann, ist das System hinsichtlich eines Staates der niedrigeren potenziellen Energie von Natur aus nicht stabil. Eine Störung würde so den Pfad zu einem Staat des größeren Wärmegewichtes erleichtern: Das System wird an den Boden-Staat herangehen, Hitze erzeugend, und die Gesamtenergie wird über eine größere Zahl von Quant-Staaten verteilbar sein. So resultiert eine Lawine. Die Gesamtenergie ändert sich in diesen Prozess, aber wegen des Gesetzes des Wärmegewichtes nicht, Lawinen geschehen nur in einer Richtung, und das ist zum "Boden-Staat" — der Staat mit der größten Zahl von Wegen, auf die die verfügbare Energie verteilt werden konnte.

Solch ein Zusammenbruch (ein Zerfall-Ereignis) verlangt eine spezifische Aktivierungsenergie. Für eine Schnee-Lawine kommt diese Energie als eine Störung von der Außenseite des Systems, obwohl solche Störungen willkürlich klein sein können. Im Fall von einem aufgeregten Atomkern kommt die willkürlich kleine Störung aus Quant-Vakuumschwankungen. Ein radioaktiver Kern (oder jedes aufgeregte System in der Quant-Mechanik) ist nicht stabil, und kann sich so zu einem weniger aufgeregten System spontan stabilisieren. Die resultierende Transformation verändert die Struktur des Kerns und läuft auf die Emission entweder eines Fotons oder einer Hoch-Geschwindigkeitspartikel hinaus, die Masse (wie ein Elektron, Alphateilchen oder anderer Typ) hat.

Entdeckung

Radioaktivität wurde 1896 vom französischen Wissenschaftler Henri Becquerel entdeckt, während man an phosphoreszierenden Materialien gearbeitet hat. Diese Materialien glühen in der Dunkelheit nach der Aussetzung, um sich zu entzünden, und er hat vermutet, dass das Glühen, das in Kathode-Strahl-Tuben durch Röntgenstrahlen erzeugt ist, mit der Phosphoreszenz vereinigt werden könnte. Er hat einen fotografischen Teller in schwarzes Papier gewickelt und hat verschiedene phosphoreszierende Salze darauf gelegt. Alle Ergebnisse waren negativ, bis er Uran-Salze verwendet hat. Das Ergebnis mit diesen Zusammensetzungen war ein Schwärzen des Tellers. Diese Radiationen wurden Strahlen von Becquerel genannt.

Es ist bald klar geworden, dass das Schwärzen des Tellers nichts hatte, um mit der Phosphoreszenz zu tun, weil der Teller schwarz geworden ist, als das Mineral in der Dunkelheit war. Nichtphosphoreszierende Salze von Uran und metallischem Uran haben auch den Teller geschwärzt. Es war klar, dass es eine Form der Radiation gibt, die Papier durchführen konnte, das den Teller veranlasste, schwarz zu werden.

Zuerst ist es geschienen, dass die neue Radiation den dann kürzlich entdeckten Röntgenstrahlen ähnlich war. Weitere Forschung durch Becquerel, Ernest Rutherford, Paul Villard, Pierre Curie, Marie Curie, und haben andere entdeckt, dass diese Form der Radioaktivität bedeutsam mehr kompliziert war. Verschiedene Typen des Zerfalls können vorkommen, sehr verschiedene Typen der Radiation erzeugend. Rutherford war erst, um zu begreifen, dass sie alle mit derselben mathematischen Exponentialformel (sieh unten) vorkommen, und Rutherford und sein Student Frederick Soddy erst waren, um zu begreifen, dass viele Zerfall-Prozesse auf die Umwandlung eines Elements zu einem anderen hinausgelaufen sind. Nachher wurde das radioaktive Versetzungsgesetz von Fajans und Soddy formuliert, um die Produkte des Alphas und Beta-Zerfalls zu beschreiben.

Die frühen Forscher haben auch entdeckt, dass viele andere chemische Elemente außer Uran radioaktive Isotope haben. Eine systematische Suche nach der Gesamtradioaktivität in Uran-Erzen hat auch Marie Curie geführt, um ein neues Element-Polonium zu isolieren und ein neues Element-Radium von Barium zu trennen. Die chemische Ähnlichkeit der zwei Elemente hätte sie schwierig sonst gemacht zu unterscheiden.

Gefahr von radioaktiven Substanzen

Die Gefahren der Radioaktivität und Radiation wurden nicht sofort anerkannt. Akute Effekten der Radiation wurden zuerst im Gebrauch von Röntgenstrahlen beobachtet, als Elektroingenieur und Physiker Nikola Tesla absichtlich seine Finger Röntgenstrahlen 1896 unterworfen haben. Er hat seine Beobachtungen bezüglich der Brandwunden veröffentlicht, die sich entwickelt haben, obwohl er sie dem Ozon aber nicht Röntgenstrahlen zugeschrieben hat. Seine Verletzungen haben später geheilt.

Die genetischen Effekten der Radiation, einschließlich der Wirkung der Krebs-Gefahr, wurden viel später anerkannt. 1927 hat Hermann Joseph Muller Forschung veröffentlicht, genetische Effekten zeigend, und 1946 wurde dem Nobelpreis für seine Ergebnisse zuerkannt.

Bevor die biologischen Effekten der Radiation bekannt waren, haben viele Ärzte und Vereinigungen Marketing radioaktive Substanzen als offene Medizin, Glühen in den dunklen Pigmenten begonnen. Beispiele waren Radium-Klistier-Behandlungen und Radium enthaltendes Wasser, um als Stärkungsmittel betrunken zu sein. Marie Curie hat gegen diese Sorte der Behandlung protestiert, warnend, dass die Effekten der Radiation auf dem menschlichen Körper nicht gut verstanden wurden. Curie ist später von aplastic Anämie gestorben, die wahrscheinlich durch die Aussetzung von der ionisierenden Strahlung verursacht ist. Vor den 1930er Jahren, nach mehreren Fällen der Knochen-Nekrose und Tod von Anhängern, waren Radium enthaltende medizinische Produkte vom Markt (radioaktive Quacksalberei) größtenteils entfernt worden.

Typen des Zerfalls

Bezüglich Typen der radioaktiven Radiation wurde es gefunden, dass ein elektrisches oder magnetisches Feld solche Emissionen in drei Typen von Balken spalten konnte. Die Strahlen wurden das alphabetische Namenalpha, Beta und Gamma in der Größenordnung von ihrer Fähigkeit gegeben, in Sache einzudringen. Während Alpha-Zerfall nur in schwereren Elementen gesehen wurde (Atomnummer 52, Tellur, und größer), wurden die anderen zwei Typen des Zerfalls in allen Elementen gesehen. Spontaner Zerfall ist in Elementen der Atomnummer neunzig offensichtlich oder größer.

Im Analysieren der Natur der Zerfall-Produkte war es von der Richtung von elektromagnetischen Kräften offensichtlich, die auf die Radiationen durch elektrische und magnetische Außenfelder veranlasst sind, dass Alphateilchen eine positive Anklage getragen haben, haben Beta-Partikeln eine negative Anklage getragen, und Gammastrahlung war neutral. Vom Umfang der Ablenkung war es klar, dass Alphateilchen viel massiver waren als Beta-Partikeln. Vorübergehende Alphateilchen durch ein sehr dünnes Glasfenster und das Abfangen von ihnen in einer Entladungstube haben Forschern erlaubt, das Emissionsspektrum des resultierenden Benzins zu studieren, und schließlich zu beweisen, dass Alphateilchen Helium-Kerne sind. Andere Experimente haben die Ähnlichkeit zwischen klassischer Beta-Radiation und Kathode-Strahlen gezeigt: Sie sind beide Ströme von Elektronen. Ebenfalls, wie man fand, waren Gammastrahlung und Röntgenstrahlen ähnliche energiereiche elektromagnetische Radiation.

Die Beziehung zwischen den Typen des Zerfalls hat auch begonnen, untersucht zu werden: Zum Beispiel wurde Gammazerfall fast immer verbunden mit anderen Typen des Zerfalls gefunden, und ist in ungefähr derselben Zeit, oder später vorgekommen. Der Gammazerfall als ein getrenntes Phänomen (mit seiner eigenen Halbwertzeit, jetzt genannter isomerer Übergang), wurde in der natürlichen Radioaktivität gefunden, ein Ergebnis des Gammazerfalls von aufgeregten metastable Kernisomers zu sein, die der Reihe nach von anderen Typen des Zerfalls geschaffen wurden.

Obwohl Alpha, Beta und Gammastrahlungen meistens gefunden wurden, wurden andere Typen des Zerfalls schließlich entdeckt. Kurz nach der Entdeckung des Positrons in kosmischen Strahl-Produkten wurde es begriffen, dass derselbe Prozess, der im klassischen Beta-Zerfall funktioniert, auch Positrone (Positron-Emission) erzeugen kann. In einem analogen Prozess, anstatt Positrone und neutrinos auszustrahlen, wie man fand, haben einige protonenreiche nuclides ihre eigenen Atomelektronen (Elektronfestnahme) gewonnen, und nur ein Neutrino (und gewöhnlich auch ein Gammastrahl) ausgestrahlt. Jeder dieser Typen des Zerfalls schließt die Festnahme oder Emission von Kernelektronen oder Positronen ein und handelt, um einen Kern zum Verhältnis von Neutronen zu Protonen zu bewegen, das kleinste Energie für eine gegebene Gesamtzahl von Nukleonen (Neutronen plus Protone) hat.

Ein theoretischer Prozess der Positron-Festnahme (analog der Elektronfestnahme) ist in Antimaterie-Atomen möglich, aber ist nicht beobachtet worden, da die komplizierten Antimaterie-Atome nicht verfügbar sind. Das würde erforderliche Antimaterie-Atome mindestens so kompliziert wie Beryllium 7, der das leichteste bekannte Isotop der normalen Sache ist, um Zerfall durch die Elektronfestnahme zu erleben.

Kurz nach der Entdeckung des Neutrons 1932 wurde es von Enrico Fermi begriffen, dass bestimmte seltene Zerfall-Reaktionen Neutronen als eine Zerfall-Partikel (Neutronemission) nachgeben. Isolierte Protonenemission wurde schließlich in einigen Elementen beobachtet. Es wurde auch gefunden, dass einige schwere Elemente spontane Spaltung in Produkte erleben können, die sich in der Zusammensetzung ändern. Im genannten Traube-Zerfall eines Phänomenes, spezifischen Kombinationen von Neutronen und Protonen anders, als, wie man fand, Alphateilchen (Helium-Kerne) von Atomen spontan ausgestrahlt wurden.

Andere Typen des radioaktiven Zerfalls, die vorher gesehene Partikeln ausstrahlen, wurden gefunden, aber durch verschiedene Mechanismen. Ein Beispiel ist innere Konvertierung, die auf Elektron und manchmal energiereiche Foton-Emission hinausläuft, wenn auch es weder Beta noch Gammazerfall einschließt. Dieser Typ des Zerfalls (wie isomerer Übergang-Gammazerfall) wandelt ein Element zu einem anderen nicht um.

Seltene Ereignisse, die eine Kombination von zwei Typ-Ereignissen des Beta-Zerfalls einschließen, die gleichzeitig (sieh unten) geschehen, sind bekannt. Jeder Zerfall-Prozess, der Bewahrung der Energie oder Schwung-Gesetze nicht verletzt (und vielleicht die anderen Partikel-Bewahrungsgesetze) wird erlaubt zu geschehen, obwohl nicht alle entdeckt worden sind. Ein interessantes Beispiel (besprochen in einer Endabteilung) wird Zustandbeta-Zerfall von Rhenium 187 gebunden. In diesem Prozess, einem Gegenteil der Elektronfestnahme, wird der Beta-Elektronzerfall des Elternteilnuclide durch die Beta-Elektronemission nicht begleitet, weil die Beta-Partikel in die K-Schale des Ausstrahlen-Atoms gewonnen worden ist. Ein Antineutrino wird jedoch ausgestrahlt.

Zerfall-Weisen in der Tabellenform

Radionuklide können mehrere verschiedene Reaktionen erleben. Diese werden im folgenden Tisch zusammengefasst. Ein Kern mit der Massenzahl A und Atomnummer Z wird als (A, Z) vertreten. Die Säule "Tochter-Kern" zeigt den Unterschied zwischen dem neuen Kern und dem ursprünglichen Kern an. So, (Ein  1, Z) bedeutet, dass die Massenzahl diejenige weniger ist als vorher, aber die Atomnummer ist dasselbe wie zuvor.

Radioaktiver Zerfall läuft auf die Verminderung der summierten Rest-Masse hinaus, einmal ist die veröffentlichte Energie (die Zerfall-Energie) irgendwie geflüchtet (zum Beispiel, die Produkte könnten gewonnen und abgekühlt werden, und die Hitze hat erlaubt zu flüchten). Obwohl Zerfall-Energie manchmal, wie vereinigt, mit dem Unterschied zwischen der Masse der nuclide Elternteilprodukte und der Masse der Zerfall-Produkte definiert wird, ist das nur Rest-Massenmaße wahr, wohin eine Energie vom Produktsystem entfernt worden ist. Das ist wahr, weil die Zerfall-Energie immer Masse damit tragen muss, wo auch immer es erscheint (sieh Masse in der speziellen Relativität) gemäß der Formel E = mc. Die Zerfall-Energie wird als die Energie von ausgestrahlten Fotonen plus die kinetische Energie von massiven ausgestrahlten Partikeln am Anfang veröffentlicht (d. h. Partikeln, die Rest-Masse haben). Wenn diese Partikeln zum Thermalgleichgewicht mit ihren Umgebungen kommen und Fotonen absorbiert werden, dann wird die Zerfall-Energie in die Thermalenergie umgestaltet, die seine Masse behält.

Zerfall-Energie bleibt deshalb verbunden mit einem bestimmten Maß der Masse des Zerfall-Systems invariant Masse. Die Energie von Fotonen, kinetische Energie von ausgestrahlten Partikeln, und, später, die Thermalenergie der Umgebungssache, tragen alle zu Berechnungen der invariant Masse von Systemen bei. So, während die Summe von Rest-Massen von Partikeln im radioaktiven Zerfall nicht erhalten wird, werden die Systemmasse und das System invariant Masse (und auch die Systemgesamtenergie) während jedes Zerfall-Prozesses erhalten.

Zerfall-Ketten und vielfache Weisen

Die Tochter nuclide eines Zerfall-Ereignisses kann auch (radioaktiv) sein nicht stabil. In diesem Fall wird es auch verfallen, Radiation erzeugend. Die resultierende zweite Tochter nuclide kann auch radioaktiv sein. Das kann zu einer Folge von mehreren Zerfall-Ereignissen führen. Schließlich wird ein stabiler nuclide erzeugt. Das wird eine Zerfall-Kette genannt (sieh diesen Artikel für spezifische Details von wichtigen natürlichen Zerfall-Ketten).

Ein Beispiel ist die natürliche Zerfall-Kette von U, der wie folgt ist:

• Zerfall, durch die Alpha-Emission, mit einer Halbwertzeit von 4.5 Milliarden Jahren zum Thorium 234
• der, durch die Beta-Emission, mit einer Halbwertzeit von 24 Tagen zum Protactinium 234 verfällt
• der, durch die Beta-Emission, mit einer Halbwertzeit von 1.2 Minuten zu Uran 234 verfällt
• der, durch die Alpha-Emission, mit einer Halbwertzeit von zweihundertvierzigtausend Jahren zum Thorium 230 verfällt
• der, durch die Alpha-Emission, mit einer Halbwertzeit von siebenundsiebzigtausend Jahren zu Radium 226 verfällt
• der, durch die Alpha-Emission, mit einer Halbwertzeit von 1.6 tausend Jahren zu radon-222 verfällt
• der, durch die Alpha-Emission, mit einer Halbwertzeit von 3.8 Tagen zu Polonium 218 verfällt
• der durch die Alpha-Emission mit einer Halbwertzeit von 3.1 Minuten verfällt, um 214 zu führen
• der, durch die Beta-Emission, mit einer Halbwertzeit von 27 Minuten zum Wismut 214 verfällt
• der, durch die Beta-Emission, mit einer Halbwertzeit von 20 Minuten zu Polonium 214 verfällt
• der durch die Alpha-Emission mit einer Halbwertzeit von 160 Mikrosekunden verfällt, um 210 zu führen
• der, durch die Beta-Emission, mit einer Halbwertzeit von 22 Jahren zum Wismut 210 verfällt
• der, durch die Beta-Emission, mit einer Halbwertzeit von 5 Tagen zu Polonium 210 verfällt
• der durch die Alpha-Emission mit einer Halbwertzeit von 140 Tagen verfällt, um 206 zu führen, der ein stabiler nuclide ist.

Einige Radionuklide können mehrere verschiedene Pfade des Zerfalls haben. Zum Beispiel, etwa 36 % des Wismuts 212 Zerfall, durch die Alpha-Emission, zum Thallium 208 während etwa 64 % des Wismuts 212 Zerfall, durch die Beta-Emission, zu Polonium 212. Sowohl das Thallium 208 als auch das Polonium 212 sind radioaktive Tochter-Produkte des Wismuts 212, und beider Zerfall direkt zur stabilen Leitung 208.

Ereignis und Anwendungen

Gemäß der Urknall-Theorie wurden stabile Isotope der leichtesten fünf Elemente (H, Er und Spuren von Li, und B Sein), sehr kurz nach dem Erscheinen des Weltalls, in einem Prozess genannt der Urknall nucleosynthesis erzeugt. Diese leichtesten stabilen nuclides (einschließlich schweren Wasserstoffs) überleben zu heute, aber irgendwelche radioaktiven Isotope der leichten Elemente, die im Urknall (wie Tritium) erzeugt sind, sind schon lange verfallen. Isotope von Elementen, die schwerer sind als Bor, wurden überhaupt im Urknall nicht erzeugt, und diese ersten fünf Elemente haben keine langlebigen Radioisotope. So sind alle radioaktiven Kerne deshalb in Bezug auf die Geburt des Weltalls, relativ jung, sich später in verschiedenen anderen Typen von nucleosynthesis in Sternen (insbesondere supernovae), und auch während andauernder Wechselwirkungen zwischen stabilen Isotopen und energischen Partikeln geformt. Zum Beispiel wird Kohlenstoff 14, ein radioaktiver nuclide mit einer Halbwertzeit von nur 5730 Jahren, ständig in der oberen Atmosphäre der Erde wegen Wechselwirkungen zwischen kosmischen Strahlen und Stickstoff erzeugt.

Nuclides, die durch den radioaktiven Zerfall erzeugt werden, werden radiogenic nuclides genannt, ob sie selbst stabil sind oder nicht. Dort bestehen Sie stabiler radiogenic nuclides, die von kurzlebigen erloschenen Radionukliden im frühen Sonnensystem gebildet wurden. Die Extraanwesenheit dieser stabilen radiogenic nuclides (wie Xe-129 von primordialem I-129) vor dem Hintergrund von primordialem stabilem nuclides kann durch verschiedene Mittel abgeleitet werden.

Radioaktiver Zerfall ist gestellt worden, um in der Technik des Radioisotopic-Beschriftens zu verwenden, das verwendet wird, um den Durchgang einer chemischen Substanz durch ein kompliziertes System (wie ein lebender Organismus) zu verfolgen. Eine Probe der Substanz wird mit einer hohen Konzentration von nicht stabilen Atomen synthetisiert. Die Anwesenheit der Substanz in einer oder einem anderen Teil des Systems wird durch das Ermitteln der Positionen von Zerfall-Ereignissen bestimmt.

Auf der Proposition, dass radioaktiver Zerfall aufrichtig zufällig (aber nicht bloß chaotisch ist) ist er in Hardware-Zufallszahlengeneratoren verwendet worden. Weil, wie man denkt, sich der Prozess bedeutsam im Mechanismus mit der Zeit nicht ändert, ist es auch ein wertvolles Werkzeug im Schätzen der absoluten Alter von bestimmten Materialien. Für geologische Materialien werden die Radioisotope und einige ihrer Zerfall-Produkte gefangen, wenn ein Felsen fest wird, und dann später (Thema vielen wohl bekannten Qualifikationen) verwendet werden kann, um das Datum des Festwerdens zu schätzen. Diese schließen Überprüfung der Ergebnisse von mehreren gleichzeitigen Prozessen und ihren Produkten gegen einander innerhalb derselben Probe ein. Auf eine ähnliche Mode, und unterwerfen auch der Qualifikation, der Rate der Bildung von Kohlenstoff 14 in verschiedenen Zeitaltern, das Datum der Bildung der organischen Sache innerhalb einer bestimmten mit der Halbwertzeit des Isotops verbundenen Periode kann geschätzt werden, weil der Kohlenstoff 14 gefangen wird, wenn die organische Sache anbaut und den neuen Kohlenstoff 14 von der Luft vereinigt. Danach nimmt der Betrag von Kohlenstoff 14 in der organischen Sache gemäß Zerfall-Prozessen ab, die auch durch andere Mittel (wie Überprüfung vom Kohlenstoff 14 in individuellen Baumringen, zum Beispiel) unabhängig überprüft werden können.

Radioaktive Zerfall-Raten

Die Zerfall-Rate oder Tätigkeit, einer radioaktiven Substanz wird charakterisiert durch:

Unveränderliche Mengen:

• Die Halbwertzeit, ist die Zeit, die für die Tätigkeit eines gegebenen Betrags einer radioaktiven Substanz genommen ist, um zur Hälfte seines Anfangswerts zu verfallen; sieh Liste von nuclides.
• Die Mittellebenszeit, "tau" die durchschnittliche Lebenszeit einer radioaktiven Partikel vor dem Zerfall.
• Der Zerfall unveränderlich, "Lambda" das Gegenteil der Mittellebenszeit.

Obwohl das Konstanten sind, werden sie mit dem statistisch zufälligen Verhalten von Bevölkerungen von Atomen vereinigt. In Folge-Vorhersagen mit diesen Konstanten sind für die kleine Zahl von Atomen weniger genau.

Im Prinzip das Gegenstück jeder Zahl, die größer ist als eine eine Halbwertzeit, ein drittes Leben, oder sogar (1/)-lifecan, auf genau dieselbe Weise wie Halbwertzeit verwendet werden;

aber die Halbwertzeit wird als die mit dem Exponentialzerfall vereinigte Standardzeit angenommen.

Zeitvariable Mengen:

• Gesamttätigkeit, ist Zahl des Zerfalls pro Einheitszeit einer radioaktiven Probe.
• Zahl von Partikeln, ist die Gesamtzahl von Partikeln in der Probe.
• Spezifische Tätigkeit, Zahl des Zerfalls pro Einheitszeit pro Betrag der Substanz der Probe am Zeitsatz zur Null (t = 0). "Der Betrag der Substanz" kann die Masse, das Volumen oder die Maulwürfe der anfänglichen Probe sein.

Diese sind wie folgt verbunden:

:::

wo N der anfängliche Betrag der aktiven Substanz — Substanz ist, die denselben Prozentsatz von nicht stabilen Partikeln wie hat, als die Substanz gebildet wurde.

Einheiten von Radioaktivitätsmaßen

Die SI-Einheit der radioaktiven Tätigkeit ist der becquerel (Bq) zu Ehren vom Wissenschaftler Henri Becquerel. Ein Bq wird als eine Transformation (oder Zerfall oder Zerfall) pro Sekunde definiert. Seit vernünftigen Größen des radioaktiven Materials enthält viele Atome, Bq ist ein winziges Maß der Tätigkeit; Beträge, die Tätigkeiten auf der Ordnung von GBq (gigabecquerel, 1 x 10 Zerfall pro Sekunde) oder TBq (terabecquerel, 1 x 10 Zerfall pro Sekunde) geben, werden allgemein verwendet.

Eine andere Einheit der Radioaktivität ist das Curie, Ci, der als der Betrag des Radium-Ausströmens (radon-222) im Gleichgewicht mit einem Gramm reines Radium, Isotop Ra-226 ursprünglich definiert wurde. Zurzeit ist es definitionsgemäß zur Tätigkeit jedes Radionuklids gleich, das mit einer Zerfall-Rate von 3.7 × 10 Bq, so dass 1 Curie (Ci) = 3.7 × 10 Bq verfällt. Der Gebrauch von Ci wird zurzeit durch das SI entmutigt. Niedrige Tätigkeiten werden auch in Zerfällen pro Minute (dpm) gemessen.

Mathematik des radioaktiven Zerfalls

Universales Gesetz des radioaktiven Zerfalls

Radioaktivität ist ein sehr häufiges Beispiel des Exponentialzerfalls. Das Gesetz beschreibt das statistische Verhalten einer Vielzahl von nuclides, aber nicht die individuellen. Im folgenden Formalismus, der Zahl von nuclides oder nuclide Bevölkerung N, ist natürlich eine getrennte Variable (eine natürliche Zahl) - aber für jede physische Probe ist N so groß (Beträge von L = die Konstante von 10 avagadro), dass es als eine dauernde Variable behandelt werden kann. Differenzialrechnung, um Differenzialgleichungen aufzustellen, für das Verhalten des Kernzerfalls zu modellieren.

Ein-Zerfall-Prozess

Ziehen Sie den Fall eines nuclide in Betracht, der in einen anderen durch etwas Prozess verfällt (Emission anderer Partikeln, wie Elektron neutrinos und Elektronen e im Beta-Zerfall, sind darin irrelevant, was folgt). Der Zerfall eines nicht stabilen Kerns ist völlig zufällig, und es ist unmöglich vorauszusagen, wenn ein besonderes Atom verfallen wird. Jedoch wird es ebenso wahrscheinlich jederzeit verfallen. Deshalb, in Anbetracht einer Probe eines besonderen Radioisotops, ist die Zahl von Zerfall-Ereignissen, die angenommen sind, in einem kleinen Zwischenraum der Zeit vorzukommen, zur Zahl der Atom-Gegenwart proportional, die ist

:

Der besondere Radionuklid-Zerfall an verschiedenen Raten, so hat jeder seinen eigenen unveränderlichen Zerfall. Der erwartete Zerfall ist zu einer Zunahme der Zeit proportional:

:

Das negative Zeichen zeigt an, dass Abnahmen als Zeit zunehmen, weil jedes Zerfall-Ereignis nacheinander folgt. Die Lösung dieser Differenzialgleichung der ersten Ordnung ist die Funktion:

:

wo der Wert in der Zeit = 0 ist.

Diese Gleichung ist von besonderem Interesse; das Verhalten von zahlreichen wichtigen Mengen kann davon (sieh unten) gefunden werden. Obwohl der Elternteilzerfall-Vertrieb einem Exponential-folgt, werden Beobachtungen von Zerfall-Zeiten durch eine begrenzte Zahl der ganzen Zahl von Atomen beschränkt und Statistik von Poisson demzufolge der zufälligen Natur des Prozesses folgen.

Wir haben für alle Zeiten:

:

wo die unveränderliche Zahl von Partikeln während des Zerfall-Prozesses ist, der klar der anfänglichen Zahl von nuclides gleich ist, da das die anfängliche Substanz ist.

Wenn die Zahl von nichtverfallenen Kernen ist:

:

dann ist die Zahl von Kernen, d. h. Zahl von verfallenen Kernen,

:

Kettenzerfall-Prozesse

Kette von zwei Zerfall

Ziehen Sie jetzt den Fall einer Kette von zwei Zerfall in Betracht: Ein nuclide, der in einen anderen durch einen Prozess dann verfällt, in einen anderen durch einen zweiten Prozess verfallend, d. h. Die vorherige Gleichung kann auf eine Zerfall-Kette nicht angewandt werden, aber kann wie folgt verallgemeinert werden. Die Zerfall-Rate dessen ist zur Zahl von nuclides der Gegenwart proportional, so wieder haben wir:

:

aber Sorge muss genommen werden. Seit dem Zerfall darin, verfällt dann darin, die Tätigkeit dessen trägt zur Gesamtzahl von nuclides in der gegenwärtigen Probe bei, bevor jene nuclides verfallen und die Anzahl des Nuclides-Führens zur späteren Probe vermindern. Mit anderen Worten nimmt die Zahl der zweiten Generationskerne infolge des ersten Generationskern-Zerfalls, und Abnahmen infolge seines eigenen Zerfalls in die dritten Generationskerne zu. Die Proportionalität wird eine Gleichung:

:wenn er

die Erhöhung (und das Korrigieren) hinzufügt, erhält Begriff das Gesetz für eine Zerfall-Kette für zwei nuclides:

:

Die Gleichung ist nicht

:

da das andeutet, dass die Zahl von Atomen dessen nur abnimmt, als Zeit zunimmt, der nicht der Fall ist. Die Rate der Änderung dessen ist d. h. mit den Änderungen in den Beträgen dessen verbunden und, kann zunehmen, wie von und Abnahme erzeugt wird, wie erzeugt.

Das Neuschreiben des Verwendens der vorherigen Ergebnisse:

:

Die Subschriften beziehen sich einfach auf den jeweiligen nuclides, d. h. ist die Zahl von nuclides des Typs, ist die anfängliche Zahl von nuclides des Typs, ist der Zerfall, der für - und ähnlich für nuclide unveränderlich ist. Das Lösen dieser Gleichung dafür gibt:

:

Natürlich nimmt diese Gleichung zur vorherigen Lösung ab, im Fall ist ein stabiler nuclide (= 0):

:

wie gezeigt, oben für einen Zerfall. Die Lösung kann durch die Integrationsfaktor-Methode gefunden werden, wo der Integrierungsfaktor ist. Dieser Fall ist vielleicht am nützlichsten, da er sowohl die Ein-Zerfall-Gleichung (oben) als auch die Gleichung für Mehrzerfall-Ketten (unten) mehr direkt ableiten kann.

Kette jeder Zahl des Zerfalls

Für den allgemeinen Fall jeder Zahl des Konsekutivzerfalls in einer Zerfall-Kette, d. h., wo die Zahl des Zerfalls ist und ein Scheinindex ist, kann jede nuclide Bevölkerung in Bezug auf die vorherige Bevölkerung gefunden werden. In diesem Fall.... Das Verwenden der obengenannte läuft auf eine rekursive Form hinaus:

:

Die allgemeine Lösung des rekursiven Problems wird durch die Gleichungen von Bateman gegeben:

:

Alternative Zerfall-Weisen

In allen obengenannten Beispielen verfällt die Initiale nuclide in nur ein Produkt. Ziehen Sie den Fall einer Initiale nuclide in Betracht, der in zwei Produkte verfallen kann, der ist, haben Wir für alle Zeiten:

in dem,

:::

so folgen die Beziehungen in der Parallele:

:

das Anzeigen, dass der unveränderliche Gesamtzerfall der, gegeben ist durch:

Das Lösen dieser Gleichung für:

:Wenn

man die Produktion eines nuclide misst, kann man nur den unveränderlichen Gesamtzerfall beobachten. Die Zerfall-Konstanten und bestimmen die Wahrscheinlichkeit für den Zerfall, um auf Produkte oder wie folgt hinauszulaufen:

::

Diese vielleicht anscheinend disjionted Ergebnisse entsprechen:

& = \left (\frac {\\lambda_B} {\\lambda_B + \lambda_C} + \frac {\\lambda_C} {\\lambda_B + \lambda_C} \right) N_ {A0} \left (1-e^ {-\lambda_a t} \right) = N_ {A0} \left (1-e^ {-\lambda_a t} \right) \\

& = N_ {A0} - N_ {A0} e^ {-\lambda_a t} = N_\mathrm {ganz} - N_A. \end {richten} </Mathematik> {aus}

Folgeerscheinungen der Zerfall-Gesetze

Die Lösungen der obengenannten Differenzialgleichungen werden manchmal mit Mengen geschrieben, die mit der Zahl von nuclide Partikeln in einer Probe verbunden sind, wo L die Konstante von Avagadro ist, und die Verhältnisatommassenzahl ist, und der Betrag der Substanz in Maulwürfen ist.

• Die Tätigkeit:
• Der Betrag der Substanz:.
• Die Masse:.

Das Sammeln dieser Ergebnisse zusammen für die Bequemlichkeit:

Gleichwertige Weisen, die Zerfall-Lösungen zu schreiben, sind dann wie folgt:

Ein Zerfall bearbeitet

Die Lösung

:

kann geschrieben werden:

:::

Bemerken Sie, wie wir einfach jede Menge ersetzen können (an beiden Seiten der Gleichung), da sie zu N direkt proportional sind, und so annullieren die Konstanten (unveränderlich mindestens für einen besonderen nuclide).

Kettenzerfall bearbeitet

Für die Zwei-Zerfall-Kette,

:

sein fast als einfach:

:::

Zerfall-Timing: Definitionen und Beziehungen

Zeit unveränderlich und Mittelleben

Für die Ein-Zerfall-Lösung:

:

die Gleichung zeigt an, dass der unveränderliche Zerfall Einheiten dessen hat, und so auch als 1 / vertreten werden kann, wo eine charakteristische Zeit des Prozesses ist, hat die Zeit unveränderlich genannt.

In einem radioaktiven Zerfall-Prozess, dieses Mal unveränderlich ist auch die Mittellebenszeit, um Atome zu verfallen. Jedes Atom "lebt" für eine begrenzte Zeitdauer, bevor es verfällt, und es gezeigt werden kann, dass diese Mittellebenszeit die Arithmetik ist, die von Lebenszeiten aller Atome bösartig ist, und dass es ist, der wieder mit dem Zerfall unveränderlich wie folgt verbunden ist:

:

Diese Form ist auch für Zwei-Zerfall-Prozesse gleichzeitig wahr, die gleichwertigen Werte von Zerfall-Konstanten (wie gegeben, oben) einfügend

:

in den Zerfall führt Lösung:

:

Halbwertzeit

Ein allgemeiner verwendeter Parameter ist die Halbwertzeit. In Anbetracht einer Probe eines besonderen Radionuklids ist die Halbwertzeit die für die Hälfte der Atome des Radionuklids genommene Zeit, um zu verfallen. Für den Fall von Ein-Zerfall-Kernreaktionen:

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die Halbwertzeit ist mit dem Zerfall unveränderlich wie folgt verbunden: Satz und =, um zu erhalten

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Diese Beziehung zwischen der Halbwertzeit und dem Zerfall unveränderliche Shows, dass hoch radioaktive Substanzen schnell ausgegeben werden, während diejenigen, die schwach ausstrahlen, länger andauern. Halbwertzeiten bekannter Radionuklide ändern sich weit, von mehr als 10 Jahren, solcher bezüglich sehr fast stabilen nuclide Bi zu 10 Sekunden für hoch nicht stabile.

Der Faktor in den obengenannten Beziehungen ergibt sich aus der Tatsache, dass das Konzept "der Halbwertzeit" bloß eine Weise ist, eine verschiedene Basis außer der natürlichen Basis für den Lebensausdruck auszuwählen. Die unveränderliche Zeit ist - Leben, die Zeit bis nur 1/e, bleibt ungefähr 36.8 %, aber nicht die 50 % in der Halbwertzeit eines Radionuklids. So, ist länger als. Wie man zeigen kann, ist die folgende Gleichung gültig:

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Da radioaktiver Zerfall mit einer unveränderlichen Wahrscheinlichkeit Exponential-ist, konnte jeder Prozess als mit einem verschiedenen unveränderlichen Zeitabschnitt leicht beschrieben werden, der (zum Beispiel) sein" (1/3) - Leben" gegeben hat (wie lange bis nur 1/3 verlassen wird) oder" (1/10) - Leben" (ein Zeitabschnitt, bis nur 10 % verlassen werden), und so weiter. So, die Wahl und seit Anschreiber-Zeiten, sind nur für die Bequemlichkeit, und aus der Tagung. Sie widerspiegeln einen grundsätzlichen Grundsatz nur in so viel, weil sie zeigen, dass dasselbe Verhältnis einer gegebenen radioaktiven Substanz während jedes Zeitabschnitts verfallen wird, den man wählt.

Mathematisch würde das Leben für die obengenannte Situation ebenso als aboveby Einstellung und das Ersetzen in die Zerfall-Lösung gefunden, zu erhalten

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Beispiel

Eine Probe von C, dessen Halbwertzeit 5730 Jahre ist, hat eine Zerfall-Rate von 14 Zerfall pro Minute (dpm) pro Gramm natürlicher Kohlenstoff. Wie man findet, hat ein Artefakt Radioaktivität von 4 dpm pro Gramm seiner Gegenwart C, wie alt das Artefakt ist?

Mit der obengenannten Gleichung haben wir:

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wo:

: Jahre,

: Jahre.

Das Ändern von Zerfall-Raten

Wie man

bekannt, sind die radioaktiven Zerfall-Weisen der Elektronfestnahme und inneren Konvertierung zu chemischen und Umwelteffekten ein bisschen empfindlich, die die elektronische Struktur des Atoms ändern, das der Reihe nach die Anwesenheit 1s und 2s Elektronen betrifft, die am Zerfall-Prozess teilnehmen. Eine kleine Zahl von größtenteils leichtem nuclides wird betroffen. Zum Beispiel können chemische Obligationen die Rate der Elektronfestnahme zu einem kleinen Grad (im Allgemeinen, weniger als 1 %) abhängig von der Nähe von Elektronen zum Kern in Beryllium betreffen. In, Sein, ist ein Unterschied von 0.9 % zwischen Halbwertzeiten in metallischen und isolierenden Umgebungen beobachtet worden. Diese relativ große Wirkung besteht darin, weil Beryllium ein kleines Atom ist, dessen Wertigkeitselektronen in 2s atomare orbitals sind, die der Elektronfestnahme unterworfen sind in Sein, weil (wie der ganze s atomare orbitals in allen Atomen) sie natürlich in den Kern eindringen.

Rhenium 187 ist ein sensationelleres Beispiel. Re normalerweise hat der Beta-Zerfall zu Os mit einer Halbwertzeit von 41.6 × 10 y, aber Studien, die völlig verwenden, haben Atome von Re ionisiert (bloße Kerne) gefunden, dass das zu nur 33 y abnehmen kann. Das wird dem "bestimmten Staat β Zerfall" des völlig ionisierten Atoms zugeschrieben — das Elektron wird in die "K-Schale" ausgestrahlt (1s atomar Augenhöhlen-), der für neutrale Atome nicht vorkommen kann, in denen alle tief liegenden bestimmten Staaten besetzt werden.

Mehrere Experimente haben gefunden, dass Zerfall-Raten anderer Weisen von künstlichen und natürlich vorkommenden Radioisotopen hochgradig der Präzision sind, die durch Außenbedingungen wie Temperatur, Druck, die chemische Umgebung und elektrischen, magnetischen oder Schwerefelder ungekünstelt ist. Der Vergleich von Laborexperimenten im Laufe des letzten Jahrhunderts, Studien von Oklo natürlicher Kernreaktor (der die Effekten von Thermalneutronen auf dem Kernzerfall veranschaulicht hat), und astrophysical Beobachtungen des Lichtstärke-Zerfalls von entferntem supernovae (der weit weg so vorgekommen ist, hat das Licht sehr viel Zeit genommen, um uns zu erreichen), zeigt zum Beispiel stark an, dass Zerfall-Raten (mindestens zu innerhalb der Beschränkungen von kleinen experimentellen Fehlern) als eine Funktion der Zeit ebenso unveränderlich gewesen sind.

Neue Ergebnisse deuten die Möglichkeit an, dass Zerfall-Raten eine schwache Abhängigkeit (0.5 % oder weniger) auf Umweltfaktoren haben könnten. Es ist darauf hingewiesen worden, dass Maße von Zerfall-Raten von Silikon 32, Mangan 54, und Radium 226 kleine Saisonschwankungen (der Ordnung von 0.1 %), vorgeschlagen ausstellen, um entweder mit der Sonnenaufflackern-Tätigkeit oder mit Entfernung von der Sonne verbunden zu sein. Jedoch sind solche Maße gegen systematische Fehler hoch empfindlich, und eine nachfolgende Zeitung hat keine Beweise für solche Korrelationen in sechs anderen Isotopen gefunden, und legt obere Grenzen zwischen der Größe irgendwelcher solcher Effekten fest.

Siehe auch

• Actinides in der Umgebung
• Hintergrundradiation
• Katastrophe von Tschernobyl
• Zerfall-Kette
• Schutz des radioaktiven Niederschlags
• Halbwertzeit
• Listen von Kernkatastrophen und radioaktiven Ereignissen
• Nationaler Rat auf dem Strahlenschutz und den Maßen
• Kernmedizin

Kernapotheke

• Kernphysik
• Kernkraft
• Partikel-Zerfall
• Prozess von Poisson
• Radiation
• Strahlentherapie
• Radioaktive Verunreinigung
• Radioaktivität in der Biologie
• Radiometric, der miteinander geht
• Radionuklid a.k.a. "Radioisotop"
• Weltliches Gleichgewicht
• Vergängliches Gleichgewicht

Referenzen

• "Radioaktivität", Encyclopædia Britannica. 2006. Encyclopædia Britannica Online. Am 18. Dezember 2006
• Radioaktivität durch den Dr. von Ernest Rutherford, Encyclopædia Britannica die elfte Ausgabe

Links

• Die Lund/LBNL Kerndatensuche - Enthält tabellarisierte Information über radioaktive Zerfall-Typen und Energien.
• NUCLEONICA Kernwissenschaftsportal
• NUCLEONICA wiki: Verfallen Sie Motor
• Nomenklatur der Kernchemie
• Einige theoretische Fragen der Kernstabilität
• Spezifische Tätigkeit und verwandte Themen.
• Karlsruhe Nuclide Karte
• Simulation von Monte Carlo des radioaktiven Zerfalls
• Die lebende Karte von Nuclides - IAEO
• Gesundheitsphysik-Gesellschaftspublikum-Ausbildungswebsite
• Kommentierte Bibliografie für die Radioaktivität von der Alsos Digitalbibliothek für Kernprobleme
• Das stochastische Java applet auf dem Zerfall von radioaktiven Atomen durch Wolfgang Bauer
• Stochastische Blitz-Simulation auf dem Zerfall von radioaktiven Atomen durch David M. Harrison