Yarı ömür

Yarı ömür, genel olarak, azalmakta olan bir maddenin baştaki miktarın yarısına düşmesi için gereken zaman. Bu zaman T_1/2 olarak gösterilir. Birimi zaman birimidir. Yarı ömür kavramı özellikle radyoizotop denilen izotopların bozunma hesaplarında kullanılır.

İzotoplar

Doğadaki elementler çeşitli izotoplar halinde bulunurlar. Laboratuvarlarda üretilenlerle birlikte izotop sayısı 3100'ü geçer. Ancak bu izotoplardan sadece 256 tanesi kararlıdır. Kararlı izotop zaman içinde atomik yapısını değiştirmeyen izotop anlamına gelir. 2900'a yakın izotop ise kararsız izotoptur. Bu izotoplarda atom çekirdeğindeki parçacıklar zaman içinde bozunurlar yani değişikliğe uğrarlar. Bu sürece radyo aktivite denilir. Radyoaktiviteye genellikle çekirdekten dışarı elektron ya da nötrino gibi bir parçacığın yayınlanması eşlik ettiğinden, bu tür izotoplara radyoizotop da denilir.

Mesela, en hafif element olan hidrojenin üç izotopu vardır. En yaygın izotop olan ¹H izotopunun çekirdeğinde bir proton vardır. Döteryum da denilen ²H izotopunun çekirdeğinde bir proton ve bir nötron, trityum denilen ³H izotopunun çekirdeğinde ise bir proton ve iki nötron bulunur. Kimyasal özellikler proton sayısı ile belirlendiğinden, çekirdek yapısındaki farka rağmen, her üç izotop da aynı element sayılır. Ne var ki, bu üç izotoptan ³H diğer ikisinden farklı olarak, radyoizotoptur. ³H bir elektron yayınlayarak bir helyum izotopuna (³He) dönüşür.

Radyoaktivite sürati

Her radyoizotopun bozunması, yani başka bir izotop haline gelişi farklı süratlerde olur. Kimi radyoizotoplar saniyenin milyonda biri içerisinde bozunurken, kimi radyo izotopların bozunması için milyonlarca, hatta milyarlarca yıl gerekir.

Gerçekte, bir radyoizotopun herhangi bir atomunun ne zaman değişim geçireceğini bilmek mümkün değildir. Ancak, değişim geçirme ihtimali bellidir. Bir deney tübündeki milyarlarca atom bir arada incelenerek, o izotopun bozunma sürati ölçülür. Deney tübünde radyoizotopa ait atom sayısı radyoaktivite sebebiyle sürekli olarak azalır. O izotopa ait atom sayısının yarıya indiği süreye yarı ömür denilir.

Burada dikkat edilmesi gereken şey, yarı ömür süresinin başlangıçtaki miktardan bağımsız oluşudur. Mesela, yarı ömür 1 saat ise, 4 kg. radyoizotop bir saat sonra 2 kg. a inecektir. Şayet başlangıçtaki miktar 2 kg ise, bu durumda 2 kg. radyo izotop bir saatte 1 kg. ye inecektir.

Matematiksel yaklaşım

Bu örnekte yarı ömür 2 birimdir.

Yarı ömrü bilinen bir izotopun belli zaman aralığında, ne ölçüde bozunacağı hesaplanabilir. Hesabın en genel hali üsteldir. (kuvvetsel, exponential) t süre T yarı ömür ise,

$A=A_{0}\cdot \exp {\alpha \cdot t}$

Burada A kalan miktar, A₀ başlangıçtaki miktar, exp üstel fonksiyon (e^-αt), α ise bir katsayıdır. Bu katsayı şu şekilde hesaplanır;

$\alpha ={\frac {-\ln {2}}{T}}={\frac {-0.693147}{T}}$

α katsayısının eş değeri kullanılarak, kalan miktar şu şekilde de gösterilebilir:

$A=A_{0}\cdot \exp \left({\frac {-0.693147\cdot t}{T}}\right)$

Ancak, şayet süre yarı ömrün tam sayı katı ise, hiç üstel fonksiyon kullanmadan hesap yapmak ta mümkündür.n ile sürenin yarı ömrün kaç katı olduğunu ifade edilirse,

$n={\frac {t}{T}}$

$A=A_{0}\cdot \exp \left({\frac {-0.693147\cdot t}{T}}\right)=A_{0}\cdot \exp {(-0.693147\cdot n)}$

$\exp(-0.693147)={\frac {1}{2}}$

olduğundan,

$A=A_{0}\cdot \left({\frac {1}{2}}\right)^{n}$

Örnek

³H izotopunun yarı ömrü yaklaşık olarak 4500 gündür. 1000 μgr. ³H izotopundan 9000 gün, 13500 gün, 90000 gün, 6000 gün ve 2000 günde kaç μgr. kaldığı şu şekilde hesaplanır:

İlk 3 şıkkı için tam sayı yöntemi kullanılabilir.

9000 gün için, n= 9000/4500 = 2 ve $A=A_{0}\cdot \left({\frac {1}{2}}\right)^{n}=A_{0}\cdot \left({\frac {1}{2}}\right)^{2}=250$

13500 gün için, n= 13500/4500 =3 ve $A=A_{0}\cdot \left({\frac {1}{2}}\right)^{n}=A_{0}\cdot \left({\frac {1}{2}}\right)^{3}=125$

90000 gün için, n= 90000/4500=20 ve $A=A_{0}\cdot \left({\frac {1}{2}}\right)^{n}=A_{0}\cdot \left({\frac {1}{2}}\right)^{20}\approx 0.001$

Yukarıdaki örnekte, yarı ömrün 20 misli süre içinde, başlangıçtaki miktarın sadece milyonda birinin kaldığına dikkat edilmelidir.

6000 ve 2000 gün yarı ömrün tam sayı katı olmadığı için, bu yöntem kullanılamaz.

6000 gün için, $A=A_{0}\cdot \exp \left({\frac {-0.693147\cdot t}{T_{1/2}}}\right)=A_{0}\cdot \exp \left({\frac {-0.693147\cdot 6000}{4500}}\right)\approx 397$

2000 gün için, $A=A_{0}\cdot \exp \left({\frac {-0.693147\cdot t}{T_{1/2}}}\right)=A_{0}\cdot \exp \left({\frac {-0.693147\cdot 2000}{4500}}\right)\approx 735$

Başlangıçtaki miktar ve süre

Şayet 'yarı ömür'e geçen süre ve kalan miktar biliniyorsa başlangıçtaki miktar:

$A_{0}=A\cdot \exp \left({\frac {0.693147\cdot t}{T}}\right)$

Şayet yarı ömür ile başlangıçtaki miktar ve kalan miktar biliniyorsa geçen süre:

$t=1.442695\cdot T\cdot \ln {\frac {A_{0}}{A}}$

Kullanım alanları

Radyoaktif maddelerin yarılanma sürelerinin bilinmesinin iki yararlı pratik nedeni vardır. Bunlardan birincisi; yarılanma süresinin izotopun kararlılığını göstermesidir. Yarılanma süresinin artması izotopun kararlılığının arttığını gösterir. İkincisi ise; yarılanma süresi, teknolojide, örneğin makine yağlarının etkinliği radyoaktif izotop katılarak anlaşılabilir. Makine bir süre çalıştıktan sonra, yağdan örnek alınarak ne kadarının makine parçalarına yayıldığı, radyoaktif parçaların varlığından anlaşılır.

Jeolojide kayaların, kemiklerin ve sanat eserlerinin yaşları ²³⁸U/²⁰⁶Pb oranı veya ¹⁴C/¹²C oranı ölçülerek bulunabilir (radyokarbon metodu). ²³⁸U en son kararlı ²⁰⁶Pb izotopunu oluşturur. Dünyanın başlangıcında bu oran 0/1 ve bir yarılanma süresi sonunda (4,5 · 10⁹ yıl) 1/1 alınarak bu kayaların yaşı yaklaşık olarak bulunabilir. Yeryüzündeki en yaşlı kayaların yaşı bu yöntemle 4,55 · 10⁹ yıl olarak bulunmuştur. Uranyum içermeyen kayaların yaşı potasyum-argon yöntemiyle bulunur.

Bazı atom çekirdeklerin yarılanma süresi

Element	İzotop	Zaman
Uranyum	238U	4,46 milyar yıl
Plütonyum	239Pu	24.000 yıl
Karbon	14C	5730 yıl
Trityum	3H	12,36 yıl
Sezyum	137Cs	30 yıl
Radyum	236Ra	1622 yıl
Radon	222Rn	3,8 gün
Fransiyum	223Fr	22 dakika
Toryum	223Th	0,9 saniye
Polonyum	84Po	0,3 · 10−6 saniye

Karbon 14 yöntemi

Arkeolojide, tarihleme için ¹⁴C yöntemine başvurulur.

Atmosferde bulunan C0₂ gazının oranı insanların yaşadığı çağlar boyunca önemli ölçüde değişmemiştir. Bu gazın bileşenlerinden karbonun üç doğal izotopu vardır. Bu izotoplardan ¹⁴C bir radyoizotoptur. Gerçi bu izotopun derişimi sadece trilyonda bir dolaylarındadır. Ama, diğer birçok radyo izotopun aksine kozmik ışınlar sebebiyle, sürekli olarak üretildiğinden, bu oran zaman içinde değişmemektedir. Buna karşılık katı madde içindeki ¹⁴C izotopu 5730 yıllık bir yarı ömür ile bozunmaktadır. Bu sebepten, arkeolojik dönem fosilleri içindeki ¹⁴C derişimini atmosferdeki derişimle karşılaştırarak, canlının ne zaman öldüğü, hatta ürünün ne zaman üretildiği bulunabilir. Mesela bir cisim içindeki ¹⁴C oranı atmosferdekinin yarısı kadarsa, bu maddenin 5730 yıl önce, şayet atmosferdekinin dörtte biriyse 11460 yıl önce işlem gördüğü anlaşılır.