Promieniowanie. Część 2: Czas półtrwania

Mówiąc o promieniowaniu, trzeba wspomnieć o jednym z parametrów, które charakteryzują izotopy promieniotwórcze, czyli czasie półtrwania (zwanym niekiedy czasem połowicznego rozpadu, oznaczanym jako t1/2 albo τ1/2). I tu bardzo istotna uwaga, ponieważ to pojęcie jest często niewłaściwie interpretowane. Jeśli mamy pojedynczy atom, nie jesteśmy w stanie odpowiedzieć, kiedy się rozpadnie, nawet jeśli znamy jego czas połowicznego rozpadu. Może się rozpaść po sekundzie, a może też po milionie lat, tego się nie da przewidzieć. Czas półtrwania jest pojęciem statystycznym, a więc dotyczy wielkiego zbioru atomów. Czyli możemy powiedzieć, że jeśli mamy dużą próbkę danego pierwiastka promieniotwórczego, to po czasie równym czasowi półtrwania jego aktywność promieniotwórcza zmaleje o połowę.

Rozpad promieniotwórczy. Wykres spadku aktywności próbki w zależności od czasu
Oś y – % pierwotnej aktywności, oś x – czas. Czas półtrwania – 1 rok.
źródło: Wikimedia, licencja CC BY SA 3.0

I tu kolejna ważna uwaga: dotyczy to aktywności, czyli „siły” promieniowania, a nie masy! Nie jest tak, że np. ze 100 g pierwiastka zostanie 50 g. Przyjrzyjmy się temu dokładniej. Jest sobie atom, powiedzmy uranu-238. Ma on czas półtrwania 4,46 mld lat, a rozpada się, emitując promieniowanie α, przy czym sam zmienia się w tor-234. Masa atomu zmienia się o 4 jednostki, które ulatują w przestrzeń. Oznacza to tyle, że zmiana wynosi niecałe 1,7%. Wniosek: po 4,46 mld lat z próbki 100 g pozostanie nie 50 g, ale 98,3 g – niewielka różnica. Będzie ona jeszcze mniejsza w przypadku izotopów emitujących promieniowanie β. Przykładowo: jod-131 (pamiętamy Czarnobyl!) emitując cząstkę beta (elektron) przekształca się w ksenon-131, przy czym t1/2 wynosi ok. 8 dni. Masa atomu praktycznie się nie zmienia, bo z jądra wyleciał 1 elektron. Policzmy dokładniej. Jeden elektron ma mniej więcej 1/2000 masy protonu, a więc atom stracił (1/2000)/131=0,00038%. Tyle co nic!

Tak naprawdę nie wiemy, dlaczego jedne izotopy rozpadają się szybciej, a inne wolniej. To wielka tajemnica natury. A zakres tych czasów jest niezwykle szeroki. Egzotyczne izotopy (wodór-5, lit-4, hel-10) mają czas półrozpadu rzędu joktosekund (10-24s). Na drugim końcu mamy czasy rzędu niewyobrażalnych kwettasekund (1030s), wielokrotnie przekraczający wiek wszechświata.

Kolejną sprawą jest fakt, że czas połowicznego rozpadu jest wartością stałą dla każdego izotopu. Jest zupełnie niezależny od początkowej ilości danego izotopu, jak też od warunków zewnętrznych, takich jak temperatura czy ciśnienie. Nie potrafimy przyśpieszyć ani spowolnić tego procesu. Trzeba to mieć na uwadze w przypadku skażenia promieniotwórczego. Nie istnieje magiczny sposób na likwidację tego promieniowania. Dlatego np. w okolicach Czarnobyla pracowicie zbierano wierzchnią warstwę gleby, po czym była ona składowana w specjalnych miejscach.

Warto zapamiętać regułę, że siedmiokrotna wartość czasu półtrwania to czas, po którym aktywność danego izotopu spada o 99%. Oznacza to, że czarnobylski opad promieniotwórczy na terenie Polski można zaniedbać, jeśli chodzi o jod-131 (7∙t½ wynosi niecałe 2 miesiące). Inaczej ma się rzecz z cezem-137. Jego t½ to 30 lat, a więc 7∙30 = 210 lat!
Ważna uwaga: czasami stosujemy pojęcie czasu półtrwania w farmakologii, biochemii czy chemii, mając na myśli procesy inne niż rozpad nietrwałych jąder atomowych (lub cząstek subatomowych). Ten czas półtrwania zależy od wielu czynników, m.in. dawki czy temperatury.

W kolejnym odcinku opiszę, jak się mierzy promieniowanie i gdzie można sprawdzić aktualny poziom radiacji w kraju i Europie.

4 thoughts on “Promieniowanie. Część 2: Czas półtrwania

  1. Po upływie siedmiokrotności czasu połowicznego rozpadu aktywność spada o 99 %. To moim zdaniem ciekawostka bez wielkiego znaczenia. Istotniejszy był by okres, po którym aktywność izotopu spada w określonej relacji do naturalnego tła promieniowania (takiego, jakie emituje dany izotop).

    • Andrzeju – każdy radiochemik powie Ci, że 7xt(1/2) to klasyczna wartość. Drugiego zdania kompletnie nie rozumiem.

      • Zwróć uwagę, że w artykule popularnonaukowym zwracasz się nie do “radiochemika”, który to wszystko doskonale wie, a do zainteresowanych, ale jednak amatorów. Ja przecież tej przez Ciebie podanej zależności nie negowałem, tylko zwróciłem uwagę, że dla “nieradiochemika” jest ona nienajistotniejsza. Istotniejsze jest czy i w jakim stopniu dany preparat zmienił stwarzające przez siebie zagrożenie i jak trzeba być ostrożnym w posługiwaniu się nim, a to zależy od porównania jego radiacji z tą, z jaką normalnie się na co dzień spotykamy. To, że natężenie promieniowania spadło o 99 % nic mi na ten temat nie mówi, bo jeśli z początku było bardzo duże, to i ten 1 % który pozostał nie jest bez znaczenia, jeśli natomiast dowiem się, że spadło np. do wartości porównywalnej ze średnim promieniowaniem tła (czyli środowiska w którym żyję), to wiem, że suma promieniowania które na mnie oddziałuje – tego od izotopu z którym mam do czynienia i tego z naturalnego tła jest noo, trochę większa , ale nie ma się czym za bardzo przejmować i taki “zleżały” preparat już przestał być niebezpieczny. Dlatego tak rozumiany parametr jest bardziej przydatny (no zgoda, nie do celów naukowych ale praktycznych). Albo inny przykład – po ilu latach ewentualne rozszczelnienie pojemnika z konkretnym preparatem radioaktywnym i jego uwolnienie przestanie być ciężką katastrofą, a jedynie pewną niedogodnością i czy do usuwania awarii trzeba będzie używać szczelnych kombinezonów , czy wystarczy zachować trochę ostrożności, po pracy umyć się i wyprać odzież roboczą. To właśnie zależy od tego jak “stary” jest ładunek i jaki jest czas połowicznego rozpadu preparatu.

        • Nie w tym rzecz. Chodzi o dynamikę spadku aktywności izotopów wytworzonych sztucznie o względnie krótkim półokresie rozpadu. One nie występują naturalnie w środowisku bo, jeśli w ogóle kiedyś powstały, dawno się już rozpadły do ilości śladowych. Na przykład cez-137 o półokresie 30 lat występuje w śladowych ilościach jako produkt spontanicznego rozpadu naturalnego uranu-238. Śladowych czyli nie mogących być punktem odniesienia do mierzenia jakichkolwiek proporcji do izotopu uwolnionego w wyniku awarii reaktora.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *