نیمه عمر در شیمی هستهای

نیمه عمر عناصر رادیو اکتیو بخشی از شیمی هسته‌ای است. نیمه عمر به طور طبیعی در برخی از عناصر رادیو اکتیو رخ می‌دهد، در حالی که آن را می‌توان به طور مصنوعی در برخی دیگر از عناصر هم به وجود آورد. این مقاله، مقدمه مختصری را در مورد نیمه عمر در شیمی هسته ای، ارائه می‌دهد.
شیمی هسته‌ای یک زیر شاخه از شیمی است. این شاخه با فرایندهای هسته ای، رادیو اکتیویته و خواص هسته‌ای مواد سر و کار دارد. واکنش‌های شیمیایی در نتیجه فعل و انفعالات الکترونها در اتم اتفاق می‌افتند. واکنش‌های هسته‌ای با واکنش‌های شیمیایی مرسوم تفاوت دارند به این صورت که واکنش‌های هسته‌ای باعث تغییر در ترکیب هسته اتم می‌شوند. واکنش هسته‌ای مقدار زیادی انرژی آزاد می کند.
رشته شیمی هسته ای در سال 1896، هنگامی که هانری بکرل کشف کرد که اورانیوم از خود اشعه ساطع می‌کند، گسترش یافت. ماری کوری تمرکز خود را بر روی مطالعه در مورد رادیو اکتیویته گذاشت. او این نظریه را که پرتو زایی متناسب است با مقدار ماده رادیو اکتیوی که در ماده وجود دارد، ارائه کرد. او هم چنین کشف کرد که پرتو زایی یکی از ویژگی‌های مربوط به اتم‌های ماده است. او هم چنین در طول عمر خود دو عنصر رادیواکتیو پلونیوم و رادیوم را کشف کرد. در سال 1902، دانشمند دیگری به نام فردریک سادی کشف کرد که وقتی پرتو زایی اتفاق می‌افتد، در اثر این واکنش هسته‌ای، هسته اتم دچار تغییر می‌شود و در نتیجه اتم تغییر می‌کند. او هم چنین این نظریه را داد که به طور طبیعی پرتو زایی عناصر رادیواکتیو باعث تجزیه به عناصر سبک‌تری می‌شود.

تعریف نیمه عمر

نیمه عمر یک عنصر رادیو اکتیو مقدار زمانی است که مقداری از آن عنصر نیاز دارد تا به دو عنصر که مقدارشان نیمی از مقدار اولیه است، تجزیه شود. به عنوان مثال، نیمه عمر مدت زمانی است که نیمی از اتم‌های یک عنصر رادیواکتیو تحت یک فرآیند هسته‌ای تبدیل به عناصر سبک‌تری شوند.

نیمه عمر در شیمی هسته‌ای - فرمول نیمه عمر

همان طور که در بالا گفته شد، نیمه عمر در شیمی هسته‌ای فرآیند واپاشی یا تجزیه یک عنصر رادیواکتیو است. هر عنصر رادیواکتیوی نیمه عمر مخصوص خودش را دارد. به عنوان مثال 238U نیمه عمری برابر با چهار و نیم میلیارد سال دارد، به این معنا که نیمی از مقاری از عنصر 238U چهار و نیم میلیارد سال طول می‌کشد تا به عناصر سبک‌تر تجزیه شود. یک مورد جالب در نیمه عمر، نیمه عمر کربن ( ) است که 5730 سال می‌باشد، که کمک بسیار مفیدی نسبت به هر گونه مواد باستان شناسی دیگر، در باستان شناسی یا تعیین قدمت در زمین شناسی می‌کند. شما باید بدانید که نیمه عمر هسته عناصر رادیو اکتیو از کسر کوچکی از ثانیه تا چند میلیارد سال متغیر است.
شما نمی‌توانید زمانی که طول می‌کشد که هسته‌ی یک عنصر رادیو اکتیو به عناصر سبک‌تر تجزیه شود را پیش بینی کنید. اما می‌توانید مقدار عناصری را که در طول یک دوره زمانی مشخص تجزیه می‌شوند، محاسبه کنید.
به عنوان مثال، اگر شما 5 گرم از یک عنصر رادیواکتیو را در اختیار داشته باشید، پس از گذشت مدت زمان یک نیمه عمر نیمی از آن تجزیه شده و در نتیجه 5ر2 گرم از عنصر اصلی باقی می‌ماند. پس از گذشت یک نیمه عمر دیگر مقدار عنصر رادیواکتیو باقیمانده 25ر1 گرم خواهد بود. در این جا یک فرمول برای محاسبه نیمه عمر یک عنصر هسته‌ای را می‌گوییم:

که در آن:
= مقدار ماده باقی مانده
= مقدار ماده اولیه اصلی
t = زمان سپری شده
= نیمه عمر ماده
سعی کنید این مثال را حل کنید. به عنوان مثال اگر به شما 157 گرم از عنصر را بدهند. پس از دو هزار سال چه مقدار از باقی خواهد ماند؟ نیمه عمر برابر 5730 سال است.

مقدار کربن باقیمانده بعد از دو هزار سال 123 گرم خواهد بود.
سه نوع پرتو طبیعی حاصل از تجزیه، شامل اشعه‌های گاما، آلفا و بتا می‌باشند. اشعه آلفا، ذراتی است از جنس هلیم با 2 بار مثبت (یون هلیم He2+ است)، که حاوی 2 پروتون و 2 نوترون می‌باشد. اشعه بتا نوترون بیشتری نسبت به پروتون ساطع می‌کند و دارای بار منفی است. اشعه گاما پرتویی است که هسته اتم در طول موج طیف گاما منتشر می‌کند. یک نکته جالب دیگر این است که اشعه گاما نه جرم دارد و نه بار .
در حالی که بسیاری از عناصر رادیو اکتیو به طور طبیعی تجزیه می‌شوند، شما می‌توانید با تحریک هسته برخی دیگر از عناصر یک واکنش هسته‌ای مصنوعی ایجاد کنید. هم جوشی هسته‌ای و شکافت هسته ای، دو نمونه از تحریک و واکنش‌های هسته‌ای مصنوعی هستند.