RyR09ZDanQMzW1

Ilustracja przedstawia trójkątny znak z czarnym obramowaniem. Znakiem ostrzegającym przed substancją promieniotwórczą jest stylizowana koniczyna na żółtym tle.

Znanych jest ponad 2300 nuklidównuklidnuklidów promieniotwórczych. Niewielka część z nich to izotopy naturalnie występujące w przyrodzie, pozostałe otrzymywane są sztucznie. Okres półtrwania niektórych z nich jest porównywalny z czasem istnienia Ziemi. Pozostałe rozpadają się w krótszym lub dłuższym czasie, jednocześnie emitując promieniowanie korpuskularne (do którego należą alfa i beta) lub elektromagnetyczne (gamma).

Pierwiastki promieniotwórcze występują w przyrodzie naturalnie, jednak mogą być również produkowane przez człowieka. Dlatego wyróżnia się promieniotwórczośćpromieniotwórczośćpromieniotwórczość naturalną i sztuczną.

Czas połowicznego rozkładu

Proces samorzutnego rozpadu jąder pierwiastków radioaktywnych uzależniony jest od ilości zgromadzonych jąder. Im więcej ich jest, tym szybkość procesu wzrasta. Natomiast ubytek jąder promieniotwórczych powoduje, że próbka rozpada się wolniej. Miarą trwałości radionuklidu jest okres połowicznego rozpadu, inaczej czas półtrwania ($T_{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}$). Definiuje się go jako czas, po którym pozostaje połowa początkowej liczby jąder nuklidu i musi on spełniać zależność:

gdzie:

• $\mathrm{N}\left(\mathrm{t}\right)$ – liczba obiektów pozostałych po czasie t;

• ${\mathrm{N}}_0$ – początkowa liczba obiektów.

Czas półtrwania jest wielkością stałą i charakterystyczną dla danego pierwiastka, niezależną od ilości jąder promieniotwórczych. Dla poszczególnych izotopów czasy te są bardzo zróżnicowane, mogą wynosić ułamki sekund ($1·{10}^{-9} \text{s}$) aż do miliardów lat
($1·{10}^{11}$ lat).

Przykładowo nuklid polonu ${}^{210}\text{Po}$ charakteryzuje się czasem półtrwania, który wynosi $138$ dni. Oznacza to, że jeśli dwa ośrodki badawcze będą w posiadaniu próbek tego izotopu, w ilości $1\ \text g$ w pierwszym z nich oraz $\mathrm{0,5} \text{g}$ w drugim, to po upływie $138$ dni w pierwszym ośrodku pozostanie $\mathrm{0,5} \text{g}$, a w drugim $\mathrm{0,25} \text{g}$ radionuklidu polonu. Wykres zależności ilości radionuklidu polonu od czasu przedstawiono poniżej.

Ponadto substancje promieniotwórcze charakteryzują się również różnymi aktywnościami. Aktywność substancji promieniotwórczej stanowi liczbę rozpadów jąder atomowych danej próbki substancji promieniotwórczej w jednostce czasu. Jednostką aktywności substancji promieniotwórczej w układzie SI jest bekerel ($\text{Bq}$), $1\ \text{Bq}$ oznacza aktywność substancji, dla której rozpad promieniotwórczy następuje w ciągu jednej sekundy.

Jak można ustalić wiek znalezisk archeologicznych?

Istnieje szereg metod, które pozwalają naukowcom ustalić wiek ważnych przedmiotów. Jedną z nich jest datowanie radiowęglowe. Metoda ta pozwala na określenie wieku materiałów pochodzenia naturalnego na podstawie zawartości w nich promieniotwórczego izotopu węgla ${}^{14}\mathrm{C}$. Izotop ten tworzy się w wyższych warstwach atmosfery z azotu. Tak powstały radioaktywny ${}^{14}\mathrm{C}$ utlenia się do ${\mathrm{CO}}_2$ i w takiej postaci jest absorbowany przez organizmy żywe. Stężenie tego radioizotopu w roślinach i zwierzętach jest stałe oraz odpowiada stężeniu w atmosferze. Zatrzymanie pochłaniania izotopu następuje w momencie śmierci organizmu, wtedy też rozpoczyna się stały i powolny rozkład jego zasobów.

Równania reakcji jądrowych, w wyniku których powstają jądra izotopu ${}^{14}\mathrm{C}$:

Równanie rozpadu jądra izotopu ${}^{14}\mathrm{C}$ (przemiana $\beta^-$):

Okres półtrwania węgla ${}^{14}\mathrm{C}$ wynosi około $5730$ lat. Na podstawie pomiaru zawartości izotopu, jaka pozostała w próbce, można wyznaczyć wiek znaleziska archeologicznego. W taki sposób został określony wiek Całunu Turyńskiego, sarkofagów egipskich z epoki Starego Państwa czy papirusów znad Morza Martwego. Metoda ta ma pewne ograniczenia, dotyczące materiałów starszych niż $50$ tys. lat. Wówczas zawartość promieniotwórczych izotopów jest na tyle niska, że określenie wieku próbki obarczone jest zbyt dużym błędem pomiarowym. Ponadto datowanie radiowęglowe wymaga wyjątkowej precyzji, ponieważ koncentracja izotopu węgla ${}^{14}\mathrm{C}$ wynosi zaledwie ${10}^{-10}\%$. Istotny wpływ na dokładność pomiaru przeprowadzonego tą metodą ma również cały proces pomiarowy, na który składają się – usuwanie zanieczyszczeń organicznych obcego pochodzenia, spalanie próbki i oczyszczanie tak otrzymanego ${\text{CO}}_2$, pomiar zawartości izotopu ${}^{14}\mathrm{C}$, analiza statystyczna danych pomiarowych oraz wyznaczenie wieku próbki i widełek błędu pomiarowego.

Ciekawostka

Wyznaczenie wieku Całunu Turyńskiego wywołało wiele kontrowersji. Było to związane z oparciem datowania radiowęglowego na próbkach, które: były zanieczyszczone młodszym materiałem biologicznym, nie były jednorodne, były narażone na działanie czynników zewnętrznych, a co więcej, sam Całun przez wieki poddawany był licznym restauracjom. Z próbek, na których zostało przeprowadzone datowanie radiowęglowe, wiek Całunu określa się na okres między $1260$ a $1390$ rokiem naszej ery. Nie jest to jednak kompletne z innymi metodami badawczymi. Otóż znany ekspert w dziedzinie termochemii, Raymond Rogers, poddał w wątpliwość ten wynik, przeprowadzając testy na zawartość waniliny we włóknach lnu (z Całunu Turyńskiego). Jak powszechnie wiadomo, lignina jest substancją wzmacniającą włókna lniane, a wanilina stanowi jeden z produktów naturalnej degradacji ligniny. Gdyby wiek Całunu Turyńskiego przypadał na średniowiecze, zawartość waniliny wynosiłaby ok $37\%$. W swoich testach R. Rogers nie stwierdził jednak obecności waniliny, co sugeruje, że całun jest znacznie starszy, a to z kolei związane jest z faktem, iż całkowita utrata zawartości waniliny jest zależna od temperatury i w $25°\text{C}$ następuje po $1319$ latach, a w $5°\text{C}$ po ok. $3000$ lat.

R1NE277F4OX6A

Zdjęcie przedstawia lniane płótno, na którym odbite są czerwone podłużne wzory.

RGnbYj2hfriMH

Grafika interaktywna przedstawia czasy półtrwania izotopów. Na grafice widoczny jest dwuwymiarowy układ współrzędnych. Na osi poziomej jest czas podany w dniach, a na osi pionowej masa radioizotopu w miligramach. Układ współrzędnych można przybliżać lub oddalać, a wtedy zmienia się zakres na osiach oraz zaznaczone na osiach wartości. Na układzie współrzędnych zaznaczono wykresy dla następujących izotopów: fosfor‑32, siarka‑35, chrom‑51, kobalt‑58, żelazo‑59, selen‑75, brom‑82, jod‑131. Wpisano czasy połowicznego rozpadu radionuklidu oznaczony symbolem T: dla fosforu‑32 = 14,3 dni, dl siarki‑35 = 87,32 dni, dla chromu‑51 = 27,7 dni, dla kobaltu‑58 = 70,83 dni, dla żelaza 59 = 44,5 dni, dla selenu‑75 = 119,8 dni, dla bromu‑82 = 1,47 dni, dla jodu‑131 = 9,02 dni. Suwakiem można wybrać masę początkową izotopu. Największą wartością jest masa równa 3500 miligramów. Wykresy dla wszystkich izotopów zaczynają się z taką samą masą. Blisko osi pionowej masa spada szybko, ale im dalej od osi pionowej, tym wykres robi się coraz bardziej płaski. Na wykresach zaznaczono punkty odpowiadające różnym okresom półtrwania izotopu. Mimo zmiany masy izotopu, okresy półtrwania nie zmieniają się.

Grafika interaktywna przedstawia czasy półtrwania izotopów. Na grafice widoczny jest dwuwymiarowy układ współrzędnych. Na osi poziomej jest czas podany w dniach, a na osi pionowej masa radioizotopu w miligramach. Układ współrzędnych można przybliżać lub oddalać, a wtedy zmienia się zakres na osiach oraz zaznaczone na osiach wartości. Na układzie współrzędnych zaznaczono wykresy dla następujących izotopów: fosfor‑32, siarka‑35, chrom‑51, kobalt‑58, żelazo‑59, selen‑75, brom‑82, jod‑131. Wpisano czasy połowicznego rozpadu radionuklidu oznaczony symbolem T: dla fosforu‑32 = 14,3 dni, dl siarki‑35 = 87,32 dni, dla chromu‑51 = 27,7 dni, dla kobaltu‑58 = 70,83 dni, dla żelaza 59 = 44,5 dni, dla selenu‑75 = 119,8 dni, dla bromu‑82 = 1,47 dni, dla jodu‑131 = 9,02 dni. Suwakiem można wybrać masę początkową izotopu. Największą wartością jest masa równa 3500 miligramów. Wykresy dla wszystkich izotopów zaczynają się z taką samą masą. Blisko osi pionowej masa spada szybko, ale im dalej od osi pionowej, tym wykres robi się coraz bardziej płaski. Na wykresach zaznaczono punkty odpowiadające różnym okresom półtrwania izotopu. Mimo zmiany masy izotopu, okresy półtrwania nie zmieniają się.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D5CCHSLJU