Radioaktiivisuus
Radioaktiivisuus on epävakaan atomiytimen spontaania muuttumista. Yksittäisen ytimen hajoamishetkeä ei voida ennustaa, mutta suuren ydinjoukon käyttäytyminen noudattaa hyvin tarkkaa tilastollista eksponenttilakia. Radioaktiivisuus on siis samanaikaisesti satunnainen mikrotasolla ja ennustettava populaatiotasolla.
Hajoaminen on muistiton
Vakioisella hajoamisvakiolla λ ehjän ytimen todennäköisyys hajota seuraavan pienen ajan kuluessa ei riipu siitä, kuinka kauan ydin on jo ollut olemassa. Prosessi on muistiton. Tästä seuraa eksponentiaalinen laki N(t)=N₀e^(−λt).
Puoliintumisaika
Puoliintumisaika T₁/₂ on aika, jossa odotusarvo jäljellä olevien radioaktiivisten ydinten määrälle puolittuu. Se liittyy hajoamisvakioon yhtälöllä T₁/₂=ln2/λ. Kahden puoliintumisajan jälkeen jäljellä on keskimäärin 1/4 alkuperäisestä määrästä, kolmen jälkeen 1/8.
Alfahajoaminen
Alfahajoamisessa ydin lähettää helium-4-ytimen. Massaluku pienenee neljällä ja järjestysluku kahdella. Prosessi on erityisen tärkeä raskaissa ytimissä, joissa suuri Coulombin hylkiminen tekee α-hiukkasen irtoamisesta energettisesti mahdollisen.
Beetahajoaminen
β⁻-hajoamisessa neutroni muuttuu protoniksi, elektroniksi ja elektronin antineutriinoksi: n→p+e⁻+ν̄ₑ. Massaluku A ei muutu ja järjestysluku Z kasvaa yhdellä. Elektronin lisäksi antineutriino on välttämätön energian, liikemäärän ja leptoni-luvun säilymisen vuoksi.
Gammasäteily
Gammahajoamisessa virittynyt ydin siirtyy alempaan energiatasoon ja lähettää fotonin. A ja Z eivät muutu. Gammasäteilyn suuri läpäisykyky ei tarkoita automaattisesti suurinta biologista annosta; annos riippuu absorboituneesta energiasta ja säteilytyypin biologisesta vaikutuksesta.
Aktiivisuus ja becquerel
Aktiivisuus on A=λN ja sen SI-yksikkö on becquerel, 1 Bq=1 hajoaminen sekunnissa. Becquerel mittaa hajoamisten lukumäärää, ei absorboitunutta annosta eikä biologista riskiä. Gray ja sievert kuvaavat eri suureita.
Sovellukset ja rajat
Radioaktiivisuutta käytetään lääketieteessä, merkkiaineissa, teollisissa mittauksissa ja ajoituksessa. Radiometrinen ajoitus vaatii kuitenkin tulkittavan, riittävän suljetun järjestelmän ja tiedon käytetyn isotooppijärjestelmän käyttäytymisestä. Pelkkä puoliintumisajan tunteminen ei yksin takaa oikeaa ikää.
Harjoitus
Näytteessä on aluksi 8,0×10⁶ radioaktiivista ydintä ja puoliintumisaika on 5,0 vuotta. Kuinka monta ydintä on odotusarvoisesti jäljellä 15 vuoden jälkeen?
Ratkaisu
15 vuotta on kolme puoliintumisaikaa. Jäljellä oleva osuus on (1/2)³=1/8, joten N=8,0×10⁶/8=1,0×10⁶ ydintä.