กัมมันตภาพรังสี

กัมมันตภาพรังสีคือการเปลี่ยนแปลงเองของนิวเคลียสที่ไม่เสถียร เวลาแตกสลายของนิวเคลียสเดี่ยวเป็นเรื่องเชิงความน่าจะเป็น แต่ประชากรนิวเคลียสจำนวนมากมีพฤติกรรมเฉลี่ยที่คาดการณ์ได้

แอลฟา บีตา และแกมมา

การสลายแอลฟาปล่อยนิวเคลียส ⁴₂He ทำให้ A ลด 4 และ Z ลด 2 การสลาย β⁻ เปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอนพร้อมปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวทริโน จึงทำให้ A คงเดิมและ Z เพิ่ม 1 ส่วนการแผ่แกมมาปล่อยโฟตอนจากนิวเคลียสที่มีพลังงานกระตุ้น โดยไม่เปลี่ยน A หรือ Z

กัมมันตภาพและหน่วย Bq

A = λN โดย N คือจำนวนนิวเคลียสกัมมันตรังสีและ λ คือค่าคงที่การสลาย 1 becquerel (Bq) = 1 การสลายต่อวินาที กัมมันตภาพของแหล่งกำเนิดไม่ใช่สิ่งเดียวกับอัตรานับ ปริมาณรังสีดูดกลืน หรือผลทางชีวภาพ

กฎอนุรักษ์

ประจุ พลังงานรวม โมเมนตัม และโมเมนตัมเชิงมุมต้องอนุรักษ์ ในการสลายบีตา นิวทริโนหรือแอนตินิวทริโนจำเป็นต่อการทำให้สมดุลพลังงานและโมเมนตัมสอดคล้องกับการวัดจริง

แยกแหล่งกำเนิดและเครื่องตรวจวัด

รังสีที่ออกมาอาจถูกดูดกลืนหรือกระเจิงก่อนถึงเครื่องตรวจวัด และเครื่องตรวจวัดบันทึกเพียงบางส่วนของเหตุการณ์ทั้งหมด ดังนั้นอัตรานับที่ลดลงอาจเกิดจากการสลายจริง ระยะทางที่เปลี่ยนไป แผ่นกำบังเพิ่มขึ้น หรือประสิทธิภาพของเครื่องตรวจวัด

การทะลุทะลวงไม่เท่ากับความเสี่ยง

อนุภาคแอลฟาหยุดได้ง่ายภายนอกร่างกาย แต่ถ้าสารปล่อยแอลฟาเข้าไปภายในจะฝากพลังงานหนาแน่นมาก โฟตอนแกมมาทะลุทะลวงได้มากกว่า ความเสี่ยงจริงขึ้นกับพลังงาน ความหนาแน่นการไอออไนซ์ เส้นทางเข้าสู่ร่างกาย และเวลาได้รับรังสี

กฎการสลายแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล

สำหรับประชากรขนาดใหญ่ N(t) = N₀e^(−λt) และ A(t) = A₀e^(−λt) ครึ่งชีวิตสัมพันธ์กับค่าคงที่การสลายด้วย T₁/₂ = ln2/λ ความหมายนี้เป็นสถิติของประชากร ไม่ได้หมายความว่านิวเคลียสแต่ละตัวจะสลายตรงเวลาครึ่งชีวิต

หลังแต่ละครึ่งชีวิต ปริมาณที่เหลือเป็นครึ่งหนึ่งของก่อนหน้า: N₀ → N₀/2 → N₀/4 → N₀/8 ช่วงเวลาเท่ากันจึงสูญเสียสัดส่วนเท่ากัน ไม่ใช่จำนวนอะตอมเท่ากัน

พื้นหลังและความไม่แน่นอนของการนับ

เมื่อวัดแหล่งกำเนิดอ่อน ควรวัดอัตรานับพื้นหลังแยกต่างหากและหักออกอย่างเหมาะสม การนับรังสีมีความผันผวนเชิงสถิติ ดังนั้นความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างการอ่านสองครั้งอาจเป็นเพียงความแปรปรวนของการนับ ไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของแหล่งกำเนิด

ครึ่งชีวิตไม่ใช่นาฬิกาของอะตอมเดี่ยว

ถ้าตัวอย่างมีครึ่งชีวิต 10 วัน ไม่ได้หมายความว่าอะตอมหนึ่งตัวจะอยู่ครบ 10 วันแล้วจึงสลาย แต่หมายถึงในประชากรขนาดใหญ่ จำนวนที่ยังไม่สลายโดยเฉลี่ยจะเหลือครึ่งหนึ่งหลัง 10 วัน อีก 10 วันจะเหลือหนึ่งในสี่ของจำนวนเริ่มต้น

ความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลาของนิวเคลียสที่ยังไม่สลายถูกอธิบายด้วย λ และถือว่าคงที่สำหรับไอโซโทปเดียวภายใต้สภาวะทั่วไป นี่เป็นเหตุผลที่กราฟจำนวนกับเวลาเป็นเอ็กซ์โพเนนเชียล ไม่ใช่เส้นตรง

แบบฝึกหัด

การสลายแอลฟา

²³⁸₉₂U สลายแบบ α

เฉลย: A = 234, Z = 90 จึงเป็น ²³⁴₉₀Th

β⁻ ของคาร์บอน-14

¹⁴₆C เปลี่ยนอย่างไร?

เฉลย: A คง 14, Z เพิ่มเป็น 7 จึงได้ ¹⁴₇N

คำนวณกัมมันตภาพ

λ = 2.0 × 10⁻⁵ s⁻¹, N = 3.0 × 10⁸

เฉลย: A = λN = 6.0 × 10³ Bq