Primer lesson: radioaktiv parchalanish

Radioaktiv parchalanish haqida tushuncha

Radioaktiv parchalanish fizikaning asosiy tushunchasi boʻlib, u beqaror atom yadrolarining radiatsiya chiqarish orqali energiyasini yoʻqotish jarayonini tavsiflaydi. Bu hodisa tabiiy va spontan jarayon bo'lib, bir elementning boshqasiga aylanishiga olib keladi.

Radioaktiv parchalanish asoslari

Atom darajasida materiallar atomlardan iborat bo'lib, ular o'z navbatida elektronlar bilan o'ralgan yadrodan iborat. Yadro proton va neytronlardan iborat. Ba'zi atomlarda protonlar va neytronlar o'rtasidagi muvozanat barqaror emas, bu atomni radioaktiv qiladi. Barqarorlikka erishish uchun bu atomlar energiyani radiatsiya shaklida chiqaradi, bu esa radioaktiv parchalanishga olib keladi.

Radioaktiv parchalanishning uchta asosiy turi mavjud bo'lib, ular chiqarilgan nurlanish turi bilan tavsiflanadi:

Alfa parchalanishi : Yadro alfa zarrachasini chiqaradi (ikkita proton va ikkita neytron bir-biriga bog'langan). Bu atom raqamini 2 ga va massa raqamini 4 ga kamaytiradi, natijada yangi element paydo bo'ladi.
Beta-parchalanish : ikkita kichik tur mavjud:
- Beta-minus parchalanishi : Neytron protonga aylanadi va beta zarracha (elektron) va antineytrino chiqariladi.
- Beta-plyus parchalanishi (pozitron emissiya deb ham ataladi): proton neytronga aylanadi va pozitron va neytrino chiqariladi.
Gamma parchalanishi : alfa yoki beta parchalanishidan keyin yadro hali ham hayajonlangan energiya holatida bo'lishi mumkin. U bu ortiqcha energiyani elektromagnit nurlanishning bir turi bo'lgan gamma-nurlarini chiqarish orqali chiqarishi mumkin.

Radioaktiv yemirilishning matematik tavsifi

Radioaktiv parchalanish jarayonini yemirilish qonuni orqali matematik tarzda tasvirlash mumkin. Unda aytilishicha, radioaktiv moddaning parchalanish tezligi uning hozirgi miqdoriga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir. Bu munosabatni quyidagi tenglama bilan ifodalash mumkin:

\( \frac{dN}{dt} = -\lambda N \)

qayerda:

\(N\) - radioaktiv atomlar soni,
\(t\) - vaqt,
\(\lambda\) - har bir radioaktiv izotopga xos bo'lgan parchalanish doimiysi,
\(\frac{dN}{dt}\) parchalanish tezligini bildiradi.

Ushbu differentsial tenglamani yechish bizga quyidagilarni beradi:

\( N(t) = N_0 e^{-\lambda t} \)

qayerda:

\(N_0\) - moddaning dastlabki miqdori,
\(N(t)\) - vaqtdan keyin qoladigan miqdor \(t\) ,
\(e\) - natural logarifmning asosi.

Ushbu formula bizga radioaktiv moddaning vaqt o'tishi bilan qolgan miqdorini hisoblash imkonini beradi. Yana bir muhim tushuncha - yarim yemirilish davri ( \(t_{\frac{1}{2}}\) , ya'ni namunadagi radioaktiv yadrolarning yarmi parchalanishi uchun zarur bo'lgan vaqt. Yarim yemirilish davri quyidagi tenglama bo'yicha parchalanish konstantasi bilan bog'liq:

\( t_{\frac{1}{2}} = \frac{\ln(2)}{\lambda} \)

Ilovalar va misollar

Radioaktiv parchalanish tibbiyot, arxeologiya va energiya ishlab chiqarish kabi sohalarda turli xil ilovalarga ega. Masalan:

Tibbiyotda radioaktiv izotoplar diagnostika (masalan, ¹⁸ F yordamida PET skanerlash) va terapevtik (masalan, ¹³¹ I bilan saraton kasalligini davolash) maqsadlarida qo'llaniladi.
Arxeologiyada beta-minus parchalanish printsipiga asoslanib, organik materiallarning yoshini aniqlash uchun uglerod-14 danitish usuli qo'llaniladi. Uglerod-14 yana azot-14 ga parchalanadi, yarimparchalanish davri taxminan 5730 yil.
Yadro reaktorlari energiya ishlab chiqarish uchun radioaktiv parchalanishning bir turi bo'lgan yadro bo'linish jarayonidan foydalanadi. Uran-235 yoki Plutonium-239 keng tarqalgan ishlatiladigan yoqilg'i bo'lib, neytronlar bilan bombardimon qilinganda parchalanadi.

Radioaktiv parchalanishning amaliy ko'rsatilishi

Radioaktiv parchalanish tushunchalarini tushunishni amaliy ko'rsatish orqali sezilarli darajada yaxshilash mumkin. Oddiy, ammo ta'sirli namoyishlardan biri vaqt o'tishi bilan radioaktiv moddaning miqdori qanday kamayishini ko'rsatish uchun parchalanish egri chizig'idan foydalanishni o'z ichiga oladi.

Vizual eksperiment radioaktiv atomlarni taqlid qilish uchun zar yoki konfet kabi ko'p sonli kichik narsalardan foydalanishni o'z ichiga oladi. Har bir element atomni ifodalaydi va tajriba quyidagicha davom etadi:

Idishdagi barcha narsalardan boshlang; bu radioaktiv atomlarning dastlabki miqdorini ( \(N_0\) ) ifodalaydi.
Idishni silkitib, keyin narsalarni to'kib tashlang. Oldindan ma'lum bir natijani ko'rsatadigan har qanday element (masalan, o'limda oltita) "chirigan" hisoblanadi va guruhdan chiqariladi.
Qolgan "chirilmagan" narsalarni hisoblang va raqamni yozing. Bu \(N(t)\) ni, birinchi "vaqt oralig'i"dan keyin qolgan radioaktiv atomlar miqdorini bildiradi (har bir tebranish va to'kilish davri).
Jarayonni takrorlang, qolgan narsalarni silkitib, to'kib tashlang, "chirigan" deb hisoblanganlarni olib tashlang, hisoblang va natijani bir necha turga yozib oling.
Turlar bo'ylab qayd etilgan hisoblashlarni gorizontal o'qda vaqt (silkitish-to'kilmasin davrlari bo'yicha) va vertikal o'qda qolgan "chirilmagan" atomlar soni bilan grafikda ko'rsatish mumkin. Ushbu grafik odatda matematik yemirilish qonuni orqasidagi printsipni vizual ravishda namoyish qiluvchi eksponensial parchalanish egri chizig'ini ko'rsatadi.

Ushbu tajriba radioaktiv parchalanishning aniq tasviri bo'lib, radioaktiv moddaning miqdori vaqt o'tishi bilan qanday qilib eksponent ravishda kamayishini ko'rsatadi. Ko'p sonli "parchalanishlar" ni simulyatsiya qilish orqali radioaktiv jarayonlarni tavsiflovchi eksponensial parchalanishning mavhum tushunchasini vizual va jismoniy tushunish mumkin.

Xulosa

Radioaktiv parchalanish beqaror izotoplarning xulq-atvorini va ularning barqarorga aylanishini tushunishda muhim tushunchadir. Alfa zarralari, beta zarralari va gamma nurlarining emissiyasi orqali radioaktiv moddalar barqaror holatni izlab energiya chiqaradi. Bu jarayon matematik jihatdan bashorat qilinadi, bu olimlarga parchalanish tezligini hisoblash, tabiiy hodisalarni tushunish va uning amaliy qo'llanilishidan foydalanish imkonini beradi. Zar yoki shirinlik tajribasi kabi namoyishlar metaforik ravishda parchalanish jarayonini ifodalaydi va fizikaning ushbu asosiy tamoyillarini tasavvur qilish va tushunish uchun qulay usulni ta'minlaydi.