Radioaktiivinen hajoaminen
Radioaktiivinen hajoaminen on spontaani kvanttiprosessi, jossa epävakaa ydin muuttuu ja lähettää hiukkasia tai sähkömagneettista säteilyä. Yksittäisen ytimen tarkkaa hajoamishetkeä ei voida ennustaa, mutta suuri joukko ytimiä noudattaa hyvin tarkkaa tilastollista lakia.
Hajoamisvakio
Kullekin radionuklidille on ominainen hajoamisvakio λ. Lyhyellä aikavälillä vielä hajoamattoman ytimen hajoamistodennäköisyys on verrannollinen λ:aan ja aikaväliin. Suurelle joukolle riippumattomia ytimiä tästä seuraa N(t)=N₀e^(−λt).
Prosessi on muistiton
Ideaalinen radioaktiivinen hajoaminen ei 'muista' ytimen ikää. Kymmenen puoliintumisaikaa selvinnyt ydin ei ole lähempänä pakollista hajoamista kuin juuri syntynyt samanlainen ydin. Ehdolla, että ydin on edelleen olemassa, sen tuleva hajoamistodennäköisyys aikayksikköä kohti on sama.
Eri hajoamiskanavat
Alfa-, beeta- ja gammahajoamiset muuttavat ydintä eri tavoin. Kaikissa prosesseissa on säilyttävä sähkövaraus, energia, liikemäärä ja soveltuvat kvanttiluvut. Mahdollinen kanava määräytyy energiataseen lisäksi siirtymäsäännöistä ja kvanttimekaanisista esteistä.
Aktiivisuus
Aktiivisuus A on keskimääräinen hajoamisten määrä sekunnissa ja puhtaalle radionuklidille A=λN. Se pienenee siis samalla eksponentilla kuin jäljellä olevien ytimien määrä. Yksi becquerel tarkoittaa yhtä hajoamista sekunnissa; mittarin lukema riippuu lisäksi geometriasta ja ilmaisimen tehokkuudesta.
Ulkoisten olosuhteiden vaikutus
Lämpötila, paine ja tavallinen kemiallinen sitoutuminen muuttavat useimpia ydinhajoamisia hyvin vähän, koska ydinfysiikan energiat ovat paljon kemiallisia energioita suurempia. Elektronisieppauksessa ytimen lähellä oleva elektronitiheys voi aiheuttaa pienen vaikutuksen, mutta se on erityistapaus.
Hajoamisketjut
Tytärydin voi olla itse radioaktiivinen. Tällöin sen määrä riippuu sekä tuotantonopeudesta emoytimestä että sen omasta hajoamisnopeudesta. Ketjussa voi syntyä hetkellistä tai sekulaarista tasapainoa, jossa eri nuklidien aktiivisuudet liittyvät toisiinsa.
Mittausten tilastot
Sama keskimääräinen aktiivisuus ei tuota täsmälleen samaa lukemaa jokaisella mittausjaksolla. Riippumattomille laskentatapahtumille Poisson-tilasto on usein hyvä malli, ja tyypillinen satunnainen epävarmuus on suuruusluokkaa √N. Tausta ja ilmaisimen tehokkuus on erotettava itse lähteestä.
Satunnaisuus ja ennustettavuus
Yksittäisen ytimen hajoaminen on satunnainen, mutta suuren joukon kehitys on hyvin ennustettava. Tämä ei ole ristiriita vaan tilastollisen kvanttifysiikan keskeinen piirre. Eksponenttilaki kertoo populaation kehityksen, ei seuraavaksi hajoavan atomin henkilöllisyyttä.
Harjoitus
Näyte on ollut olemassa kaksi puoliintumisaikaa. Ovatko jäljellä olevat ytimet todennäköisemmin hajoamassa seuraavan sekunnin aikana kuin vastasyntyneet samanlaiset ytimet?
Ratkaisu
Eivät. Radioaktiivinen hajoaminen on muistiton: jokaisella vielä hajoamattomalla saman radionuklidin ytimellä on sama hajoamistodennäköisyys aikayksikköä kohti.