דעיכה רדיואקטיבית.

שלב 1 מתוך 8

גרעינים לא יציבים

ביחידה על חזקות ולוגריתמים ראינו שבכל זמן מחצית חיים נשאר חצי מהדגימה. כאן נשאל מה קורה בתוך הגרעין עצמו. יש גרעינים שאינם יציבים: יש בהם יותר מדי נייטרונים, מעט מדי, או פשוט יותר מדי חלקיקים. ברגע כלשהו גרעין כזה פולט קרינה והופך לגרעין אחר, גרעין הבת.

יש שלושה סוגים נפוצים של קרינה, ובסצנה בוחרים ביניהם בסוג הקרינה. הגרעינים הכתומים עוד לא דעכו, והכחולים הם גרעיני הבת. עכשיו נבחר אלפא: שימו לב שגרעיני הבת קטנים מהגרעינים שדעכו.

שלב 2 מתוך 8

דעיכת אלפא

חלקיק אלפא הוא גרעין של הליום, $^{4}_{2}\mathrm{He}$⁠: שני פרוטונים ושני נייטרונים קשורים יחד. גרעין שפולט אותו מאבד ארבעה חלקיקים, ולכן גרעין הבת קטן יותר. בכל דעיכה נשמרים גם מספר הפרוטונים והנייטרונים יחד וגם המטען. לכן במשוואה גרעינית סכום מספרי המסה שווה בשני הצדדים, וכך גם סכום המספרים האטומיים. למשל רדיום־226 דועך לרדון:

$^{226}_{88}\mathrm{Ra} \to {}^{222}_{86}\mathrm{Rn} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$$^{226}_{88}\mathrm{Ra} \to$${}^{222}_{86}\mathrm{Rn} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$⁠

מספר המסה ירד ב־$4$⁠, והמספר האטומי ב־$2$⁠: הרדיום הפך ליסוד אחר.

שלב 3 מתוך 8

דעיכת בטא

בדעיכת בטא בתוך הגרעין נייטרון הופך לפרוטון, ואלקטרון נוצר ונורה החוצה (יחד איתו יוצא גם חלקיק זעיר ונטול מטען, אנטי־נייטרינו). האלקטרון הזה בא מהגרעין, לא מהקליפות. מספר החלקיקים בגרעין לא השתנה, ולכן מספר המסה נשאר אותו מספר, אבל יש פרוטון אחד יותר. כאן סוג הקרינה הוא בטא: גרעיני הבת כבר לא מתכווצים.

את האלקטרון כותבים במשוואה כ־$^{0}_{-1}\mathrm{e}$⁠: מספר המסה שלו אפס, והמטען שלו $-1$⁠.

שלב 4 מתוך 8

קרני גמא

קרני גמא הן פוטונים, אור באנרגיה גבוהה מאוד, הרבה מעבר לעל־סגול ולקרני רנטגן בספקטרום. גרעין שנשאר עם עודף אנרגיה אחרי דעיכת אלפא או בטא פולט אותה כקרן גמא. מספר המסה והמספר האטומי לא משתנים: זה אותו גרעין, רק עם פחות אנרגיה. בחרו גמא והשוו לשני הסוגים האחרים.

שלושת סוגי הקרינה חודרים לעומק שונה. חלקיקי אלפא כבדים וטעונים, ונעצרים בדף נייר או בכמה סנטימטרים של אוויר. חלקיקי בטא עוברים נייר ונעצרים בכמה מילימטרים של אלומיניום. קרני גמא נחלשות רק בשכבה עבה של עופרת או בטון.

שלב 5 מתוך 8

אין לו זיכרון

זמן מחצית החיים של כל איזוטופ קבוע. חימום, לחץ או תגובה כימית לא משנים אותו, כי הם לא נוגעים בגרעין. ולגרעין אין גיל: לכל גרעין יש אותו סיכוי לדעוך בכל שנייה, כל עוד לא דעך. בדגימה של $20$⁠ גרעינים רואים את זה היטב: הקו הכתום של הדגימה קופץ סביב העקומה הלבנה.

שלב 6 מתוך 8

אקטיביות

אי אפשר לספור את הגרעינים שבמקור קרינה, אבל אפשר לספור דעיכות במונה גייגר. מספר הדעיכות בשנייה נקרא האקטיביות של המקור, $A$⁠, ונמדד בבקרל: 1 Bq הוא דעיכה אחת בשנייה. כאן $A$⁠ היא אות אחרת מאשר מספר המסה; ההקשר מבהיר במה מדובר.

אם לכל גרעין יש סיכוי $\lambda$⁠ לדעוך בכל שנייה, אז מ־$N$⁠ גרעינים דועכים בממוצע $\lambda N$⁠ בכל שנייה:

$A = \lambda N$⁠

$\lambda$⁠ נקרא קבוע הדעיכה, ויחידתו 1/s. הוא קשור לזמן מחצית החיים: $\lambda = \dfrac{\ln 2}{T_{1/2}}$$\lambda =$$\dfrac{\ln 2}{T_{1/2}}$⁠. ככל שזמן מחצית החיים קצר יותר, הסיכוי לדעוך בכל שנייה גדול יותר. בסצנה זמן מחצית החיים והגרעינים בדגימה נעולים.

שלב 7 מתוך 8

האקטיביות יורדת

האקטיביות פרופורציונלית למספר הגרעינים שנשארו. לכן גם היא יורדת בחצי בכל זמן מחצית חיים, ואפשר לקרוא את עקומת הדעיכה גם כעקומה של האקטיביות. כך עוקבים בבית חולים אחרי חומר רדיואקטיבי שניתן לחולה: מודדים את האקטיביות, ולא סופרים גרעינים.

שלב 8 מתוך 8

לבחור זמן מחצית חיים

ברפואה בוחרים איזוטופ לפי האקטיביות שלו: מספיק דעיכות כדי לקבל תמונה, ולא יותר מדי קרינה לחולה. כאן מספר הגרעינים קבוע, והבחירה היא בזמן מחצית החיים.