الاضمحلال الإشعاعي والتأريخ الإشعاعي

النشاط الإشعاعي هو تفكك تلقائي للنويدات غير المستقرة وهو عملية عشوائية، حيث لا تتحلل جميع النوى في العينة في وقت واحد. يُطلق على عدد التفككات لكل وحدة زمنية اسم النشاط (A)، والذي يتناسب طرديًا مع عدد النوى في العينة. ثابت الاضمحلال (λ) هو متوسط احتمال الاضمحلال لكل نواة في الوحدة الزمنية.

وحدة SI للنشاط هي البيكريل، وهي تفكك واحد في الثانية. وحدة أخرى من النشاط هي كوري، والتي تساوي 37 مليار بيكريل. يشير تخطيط النشاط مقابل الوقت للنويدات المشعة المختلفة إلى معدلات انحلال مختلفة. الوقت اللازم لانخفاض النشاط من أي قيمة إلى نصف تلك القيمة هو نصف عمر، يشار إليه على أنه t_1/2.

نظرًا لأن النشاط يتناسب مع عدد الذرات المشعة ، فإنه يتناقص بمرور الوقت مع تناقص كمية العينة. رياضيًا، تتم الإشارة إلى نشاط النويدات المشعة بواسطة معادلة أسية:

وبالتالي، عندما يتم تقليل النشاط إلى النصف، فإن إعادة ترتيب المعادلة توفر طريقة لحساب العمر النصفي، الذي يتناسب عكسياً مع ثابت الانحلال.

إن نصف العمر هو خاصية جوهرية للنويدات المشعة، وأي ذرة مفردة من النيوكليدات غير المستقرة لها نفس عمر النصف بغض النظر عما إذا كانت بمفردها تمامًا في الفراغ أو في عينة بها العديد من الذرات الأخرى لتلك النويدات . تختلف فترات نصف العمر للنويدات المشعة اختلافًا كبيرًا: الرادون-220 له عمر نصف يبلغ دقيقة واحدة: تتحلل مليون نواة إلى نصف مليون في دقيقة ثم تتحلل إلى ربع مليون في دقيقة أخرى. ومع ذلك، فإن عمر النصف للثوريوم-232 يبلغ 14 مليار سنة.

العديد من النظائر المشعة لها فترات نصف عمر وخصائص أخرى تجعلها مفيدة لأغراض “التأريخ” الأصل الزمني للكائنات مثل القطع الأثرية أو الكائنات الحية سابقًا أو التكوينات الجيولوجية.

يوفر الكربون-14، وهو نوكليدة مشعة يبلغ عمرها النصفي 5730 عامًا، طريقة لتأريخ الأشياء التي كانت جزءًا من كائن حي. تعد طريقة التأريخ الإشعاعي هذه دقيقة في تحديد تاريخ المواد المحتوية على الكربون والتي يصل عمرها إلى حوالي 30000 عام ويمكن أن توفر تواريخ دقيقة بشكل معقول يصل عمرها إلى حوالي 50000 عام كحد أقصى.

يتكون الكربون الموجود طبيعيًا من ثلاثة نظائر: الكربون-12، والذي يشكل حوالي 99٪ من الكربون الموجود على الأرض؛ الكربون -13، حوالي 1٪ من الإجمالي؛ وكميات ضئيلة من الكربون-14. يتشكل الكربون-14 في الغلاف الجوي العلوي عن طريق تفاعل ذرات النيتروجين مع نيوترونات الأشعة الكونية في الفضاء.

تتفاعل جميع نظائر الكربون مع الأكسجين لإنتاج جزيئات ثاني أكسيد الكربونCO₂. وهكذا، فإن النباتات والحيوانات الحية لديها نسبة كربون-14 و كربون-12 مطابقة للغلاف الجوي. ولكن عندما يموت النبات أو الحيوان الحي، يتوقف تجديد الكربون، وتبدأ نسبة الكربون-14 إلى 12 في التقلص حيث يتحلل الكربون المشع-14 باستمرار. على سبيل المثال، إذا كانت نسبة الكربون -14 إلى الكربون -12 في جسم خشبي تم العثور عليه في التنقيب الأثري هي نصف ما هو موجود في شجرة حية، فهذا يشير إلى أن الجسم مصنوع من الخشب المقطوع قبل 5730 عامًا. يمكن الحصول على تحديدات دقيقة للغاية لنسب الكربون-14 إلى الكربون-12 من عينات صغيرة جدًا (أقل من ملليغرام) باستخدام مقياس طيف الكتلة.

يمكن أن تستخدم المواعدة المشعة أيضًا نوى مشعة أخرى ذات أنصاف عمر أطول حتى تاريخ الأحداث الأقدم. على سبيل المثال، يمكن استخدام اليورانيوم-238، الذي يتحلل في سلسلة من الخطوات إلى الرصاص-206، لتحديد عمر الصخور (والعمر التقريبي لأقدم الصخور على وجه الأرض). نظرًا لأن عمر النصف لليورانيوم-238 يبلغ 4.5 مليار سنة، فإنه يستغرق هذا المقدار من الوقت لنصف اليورانيوم-238 الأصلي ليتحلل إلى الرصاص-206. في عينة من الصخور التي لا تحتوي على كميات ملحوظة من الرصاص-208، وهو أكثر نظائر الرصاص وفرة، يمكننا أن نفترض أن الرصاص لم يكن موجودًا عند تشكل الصخر. لذلك، من خلال قياس وتحليل نسبة U-238:Pb-206، يمكننا تحديد عمر الصخرة. هذا يفترض أن كل الرصاص-206 الموجود جاء من اضمحلال اليورانيوم-238. في حالة وجود الرصاص-206 الإضافي الموجود، والذي يشير إليه وجود نظائر الرصاص الأخرى في العينة، فمن الضروري إجراء تعديل. يستخدم تأريخ البوتاسيوم بالأرجون طريقة مماثلة. يتحلل البوتاسيوم-40 عن طريق انبعاث البوزيترون والتقاط الإلكترون ليشكل الأرجون-40 بعمر نصف يبلغ 1.25 مليار سنة. إذا تم سحق عينة صخر وقياس كمية غاز الأرجون-40 المتسربة، فإن تحديد نسبة Ar-40:K-40 ينتج عمر الصخر.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 21.3: Radioactive Decay.