Radyoaktif bozunma

Radyoaktif bozunma sayısını azaltmaktır çekirdekler radyoaktif bir numunede (kararsız). Radyoaktif bozunma , numunedeki tüm radyoaktif çekirdekler stabil hale gelene kadar meydana gelir.

Bahisler

Radyoaktif bozunma için çok önemli bir parametredir nükleer atık yönetim sektörü , radyasyondan korunma ve modelleme ve tahmin radiotoxicological veya radioecological etkilerine maruz kalma radyoaktif kirliliği . Bazı durumlarda, absorpsiyon, birikim ve muhtemelen biyolojik birikim veya biyo- büyütme gibi karmaşık olayları da hesaba katmak gerekir ...

Radyoaktif bozunma yasası

Herhangi bir radyonüklid , aynı türden başka bir radyonüklid kadar herhangi bir zamanda bozunmaya meyillidir ve bozulma, nüklidin bulunduğu fizikokimyasal koşullara bağlı değildir. Başka bir deyişle, bozunma tesadüfen yönetilir ve radyoaktif bozunma yasası istatistiksel bir yasadır .

Not: Ayrıntılı olarak, sürekli ölçümler, nötrinolara maruz kalma oranının bir fonksiyonu olarak radyoaktif bozunmada değişimler gösteriyor gibi görünüyor; bu, Dünya'nın Güneş'e göre konumuna göre biraz değişen bir oran.

Belirli bir zaman aralığında bir radyoaktif malzeme örneği gözlenirse, radyoaktif bozunmaya uğrayan çekirdeklerin oranı , büyük sayılar yasası nedeniyle büyük ölçüde sabit olacaktır .

Bu sayı anlamına gelir matematiksel olarak gösteren , N çekirdeklerinin süresi azalır t , bunun aşağıdaki üstel bozunma  : . Bu, aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:

Üstel yasanın matematiksel gösterimi

Let , N ( t ) sayısı, radyonüklid bir bölgesinin belirli bir kimyasal element her zaman bir numunede mevcut t . Bu radyonüklitlerden birinin bozulma olasılığı, diğer radyonüklitlerin varlığına veya çevreleyen ortama bağlı olmadığından, toplam bozulma sayısı –d N , küçük bir zaman aralığı boyunca d t ( N , zamanla azalır: d N , N varyasyonu (d N <0), eksik çekirdek sayısı –d N'dir ) t zamanında mevcut olan N radyonüklitlerinin sayısı ve bu aralığın d t süresi ile orantılıdır :

dikkate alınan radyonüklidin radyoaktif sabiti olarak adlandırılan orantılılık sabiti λ , bir zamanın tersi boyutuna sahip olduğunda; sabiti λ pozitiftir.

Önceki diferansiyel denklemi entegre ederek , herhangi bir t anında vücutta bulunan radyonüklitlerin N ( t ) sayısını buluruz, verilen bir t = 0 zamanında N 0 olduğunu bilerek  ; üstel bir bozulma yasasıdır  :

veya:

 

Bununla birlikte, bu azalma yasasının yalnızca ilk radyonüklidden kaynaklanan radyoaktivite ile ilgili olduğuna dikkat edilmelidir  ; ancak bir ilk radyonüklitin radyoaktif bozunmasından kaynaklanan radyonüklitler kendileri radyoaktif olabilir ve kendi radyoaktivitelerini indükleyebilir. Bu durumda, radyoaktiviteleri kademeli olarak başlangıçtaki radyonüklitinkine eklenir. İlk radyonüklid ve onun soyundan gelenler arasında bu şekilde yaratılan karışımın aktivitesi, aşağıdaki "İki bağımlı izotopun filizlenmesi" bölümünde tartışılmaktadır.

Radyoaktif yarı ömür

Bir radyoaktif izotopun "  yarı ömrü  " veya yarı ömrü , numunede bulunan bu izotopun çekirdek sayısının yarı yarıya azaldığı zamandır. Genellikle T veya t ½ ile gösterilir .

Bir radyoaktif malzeme örneğini gözlemlersek, bir t ½ süresinden sonra , bu örnek (tanım gereği) malzemesinin yarısını kaybetmiş olacak ve ilk malzemenin yalnızca yarısı kalacaktır. Ancak bu sürenin iki katının sonunda, ek malzeme kaybı, başlangıçtaki toplamla değil, yalnızca kalan yarısı ile ilgilidir; iki kez t ½ sonra , bu nedenle ilk materyalin yarısı, yani çeyrek kalacaktır. Aynı şekilde, üç kez t ½'dan sonra , ilk numunenin yalnızca (1/2) 3 = 1 / 8'i olacaktır ve bu böyle devam edecektir. Bu yarılanma ömrünün on katından sonra, aktivite 2 10 = 1024 faktör azalmış olacak , dolayısıyla büyük ölçüde bin'e bölünecektir. t ½ , numunede bulunan radyoaktif çekirdeklerin sayısının yarıya indiği zamandır, ancak numunenin "ömrü", "yarılanma ömründen" çok daha fazladır: her zaman bir miktar radyoaktif madde vardır, bir süre sonra bile çok sayıda "yarı ömür".

Bir radyoaktif numunenin bozunma kanunu matematiksel olarak şu şekilde karakterize edilebilir:

Yarı ömür ve ortalama ömür için matematiksel karakterizasyon

N (t), t anında radyonüklitlerin sayısını temsil ediyorsa, o zaman:

Hemen şunu anlıyoruz:

veya:

nerede ilk çekirdek sayısı ve çekirdek tipine karşılık gelen radyoaktif sabittir.

Ortalama hayatta kalma

Yarı ömür, ortalama ömür t ile karıştırılmamalıdır . Bu, aşağıdaki mantıkla elde edilir: Bu t süresi boyunca t "yaşadığı" anda bozulan çekirdek miktarı veya daha kesin olarak, t anında mevcut N 0 exp (–λ t) çekirdeği kalır . Bunlardan bir süreliğine yok edildi:

.

Bu nedenle bu dN'lerin ömrü t ve t + dt arasındadır. Bu nedenle, örnekteki tüm radyonüklitlerin ortalama ömrünü (veya basitçe ortalama ömrü ) şu şekilde tanımlayabiliriz :

.

Yukarıda verilen dN ifadesini dikkate alarak, bu nedenle elde ederiz

.

Bilimsel literatürde, ortalama radyoaktif ömür genellikle Yunanca τ harfi ile gösterilir, bu nedenle

.

Bu ömür, numunenin boyutuna bağlı değildir  ; yarı ömrü gibi, dikkate alınan radyonüklidin karakteristik bir zamanıdır . Bu karakteristik zamanın τ sonunda, aktivite başlangıç ​​değerinin 1 / e fraksiyonuna indirgenir:

.  

Bu "yaşam süresinin" aslında gözlemin başlangıcından itibaren numunedeki bir atomun ortalama hayatta kalma süresi olduğu not edilebilir . Doğal olarak oluşan bir radyonüklit durumunda, önceki ömrü çok daha uzun olabilir, bazen milyonlarca yıl veya daha fazla olabilir. Sembolik bir örnek, 80,8 Mega yıllık yarılanma ömrüne sahip Plütonyum 244'tür ve bu atomların izleri , Sistemin Oluşumu ve evrimi Dünya'nın toprağında bulunmadan çok önce ilkel yıldız patlamalarının süreçleri tarafından oluşturulmuştur. Bunu 5'ten fazla vardır Giga -years. Bu atomların başlangıçta ortalama hayatta kalma süresi yaklaşık 80,8 / Ln (2) = 80,8 x 1,4427 Ma veya 116,7 milyon yıl; ama bugün tespit ettiklerimiz - onlardan geriye kalanlar - en az elli kat daha fazla hayatta kalmaya sahipti. Şans eseri hayatta kaldılar; ve ortalama olarak bugünden hesaplanan hayatta kalma potansiyelleri , ilk günkü gibi 80,8 Mega yıldır.

Ortalama aktivite

Öğe etkinliği

 N adet radyoaktif çekirdekten oluşan bir numunenin saniyedeki parçalanma sayısını “ aktivite ” olarak adlandırıyoruz  . Kaydedilen ortalama aktivite, çekirdek bozunma oranını (saniyedeki bozulma sayısı) temsil eden bekquerel (Bq) cinsinden ifade edilir .

Bir radyoizotopun aktivitesi matematiksel olarak yarı ömrü ile aşağıdaki gibi ilişkilidir:

Aktivite ve ortalama yaşam arasındaki matematiksel bağlantı

Dikkat ediyoruz:

veya:

Farklılaştırarak, hemen şunlara sahibiz:

Radyoaktif sabitliği λ, yarı ömürde ifade edilen değeriyle değiştirerek, aktivitenin elementin yarı ömrü ile ters orantılı olduğunu görüyoruz:

 

Becquerel çok küçük bir birimdir. Radyoaktif bir element metrik miktarlarda mevcut olduğu zaman, ilgili atomların sayısı mertebesindedir Avogadro sayısının , yani, 6.02 x 10 23 . Yarı ömrü bir milyon yıl veya 30 × 10 ^ 12 saniye olan bir element için, bir mol radyoaktif malzeme 20x10 ^ 9 Bq düzeyinde bir aktiviteye sahip olacaktır.

Bu sayı (birkaç milyar bekerel) yüksek görünmektedir, ancak radyasyondan korunma açısından görece önemsizdir  : bin Becquerel düzeyindeki faaliyetler için bile , genellikle karşılaşılan miktarlar mollerin sonsuz küçük fraksiyonlarıdır  ; kendi paylarına, radyotoksisitedeki tipik büyüklük dereceleri µSv / Bq cinsinden ifade edilir; Radyasyondan korunma açısından önemli sonuçlar elde etmek için milyonlarca Becquerel gereklidir .

Bir karışımın zaman içindeki etkinliği

Genel olarak, bir radyoaktif izotop , yarı ömrü kısa olduğu için tamamı daha büyük olan spesifik bir aktivite sergiler . Bu nedenle güçlü radyoaktiviteler jeolojik ölçekte hızla yok olur. Çok radyoaktif malzemeler yalnızca nispeten kısa bir süre için radyoaktiftir ve uzun ömürlü radyoaktivite (jeolojik ölçekte) ancak nispeten düşük radyoaktivite seviyelerine ulaşabilir.

Fisyon ürünleri gibi bir karışım durumunda, belirli bir soğuma süresinden sonra, radyoaktiviteye yarı ömrü bu soğuma süresinin büyüklüğü kadar olan radyoizotoplar hakimdir : yarı ömrü önemli ölçüde daha kısa olan radyoizotoplar daha hızlı bozulmuştur. ve kalıntı radyoaktivite seviyeleri ihmal edilebilir düzeydedir; ve önemli ölçüde daha uzun yarı ömre sahip olanlar daha az radyoaktiftir ve radyoaktivite seviyeleri daha aktif elementler tarafından bastırılır.

Dolayısıyla, HAVL atığının büyük bölümünü oluşturan fisyon ürünleri söz konusu olduğunda  :

Yani bir radyoaktif sabite göre izotop 2'ye dönüştürülen izotop 1 . İzotop 2, radyoaktif sabite göre azalır .

İzotop 1'in azalması, izotop 2'den etkilenmez. Öte yandan, t zamanındaki izotop 2 miktarı, başlangıçtaki izotop 1 miktarına ve iki radyoaktif sabite ve .

Bu nedenle bizde: ve

Bu nedenle, iki izotopun aktiviteleri arasında olası bir denge sağlamak için bir süreye ihtiyaç vardır:

Ne zaman , o zaman izotop 1 en az 10 kat yarılanma ömrü bir dönem eşdeğer izotopunun 2 çürüme artık izotop 1 bağlıdır sonra.

Bir süre sonra , aşağıdaki gibi bir diyet dengesi elde edilir:

Bir laik denge izotop 2 ila yaklaşık 10 kez yarı ömür sonra gözlenir
iki izotoplar faaliyetleri daha sonra eşdeğerdir ve izotop 1 radyoaktif sabitine göre azalır.

Örnek: Plütonyum 240'ın bozunması

240 plütonyum (dönem 6560 yıl) ayrışan uranyum-236 : (23.42 x 10 dönemi 6 , dönüşümlü olarak bozunur yıl) 232 toryum büyük ölçüde stabil (süresi: 14.05 x 10 9 yaşında). Bu üç cismin radyoaktivitesini zamanın bir fonksiyonu olarak bir log / log diyagramında temsil ettiğimizde, üç farklı bölgeyi açıkça ayırt edebiliriz:

İlgili olarak Evren , biz Toryum Çağında bulunuyorlar. Dünya dört milyar yıldan biraz daha uzun bir süre önce oluştu ve Büyük Patlama "sadece" 13 milyar yıl öncesine dayanıyor: birinci nesil yıldızlarda oluşmuş olabilecek plütonyum 240 ve uranyum 236 çoktan yok oldu, ancak orijinal toryum 232 hala orada kalıyor. kayda değer miktarlarda.

Bu önemli karakteristik örnekte, dönemlerin çok belirgin evrelendirilmesi şu şekildedir:

N'inci izotopun aktivitesi, Bateman denklemlerine göre ve aşağıdaki ilişkiye göre başlangıçtaki (N1) izotop 1 miktarından hesaplanabilir :

İlk izotopun yavru izotoplara kıyasla çok uzun bir periyod (T1) olacağı özel durumda, on kez (T1) sonra, seküler bir denge kurulur ve tüm izotoplar aynı aktiviteye sahiptir.

bu denge, yalnızca zincirin farklı izotopları sıkışmış halde kalırsa elde edilir.

Özel bir örnek, yerkabuğunda doğal olarak bulunan ve ana izotopları uranyum 238, toryum 232 ve uranyum 235 olan üç radyoaktif zincirdir.

Radyojenik enerji

Radyojenik enerji (veya radyojenik ısı), bir veya daha fazla radyoizotopun radyoaktif bozunmasıyla açığa çıkan enerjidir . Özellikle uranyum (izotoplar 238 U ve 235 U ), toryum ( 232 Th ) ve potasyum ( 40 K ) radyoaktivitesinden kaynaklandığı Dünya'nın ısı dengesi için özellikle önemlidir .

Notlar ve referanslar

  1. (in) Peter Andrew Sturrock, "  Strange case of solar flare and radioactive Elements  " , Stanford Üniversitesi, ScienceDaily , 25 Ağustos 2010.
  2. Gerçekten de u = t, dv = exp (–λ t) dt, du = dt, v = - λ –1 exp (–λ t) ayarlayarak parçalarla integral alalım: o zamandan beri . Dolayısıyla sonuç açıklandı: .
  3. John C. Mutter, "  The Earth as a Heat Engine  " , Introduction to Earth Science I , Columbia Üniversitesi ( 2 Mart 2021'de erişildi ) , s.  3.2 Manto konveksiyonu.

Ayrıca görün

İlgili Makaleler

Dış bağlantılar

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">