Cálculo del decaimiento radiactivo total de una muestra, incluidos los productos secundarios

He estado buscando información sobre esto, y simplemente no encuentro lo que esperaba encontrar. Así que he llegado a la conclusión de que estoy haciendo la pregunta incorrecta (es decir, la estoy formulando mal), estoy ladrando al árbol equivocado o estoy preguntando sobre algo que simplemente no es fácil de hacer. Aquí hay un resumen del tipo de problema que tengo en mente.

Digamos que tengo una muestra dada de un isótopo radiactivo. Para nuestro ejemplo, digamos que es 1 g de Radon-222, que tiene una vida media de 3,8235 días. Digamos que estoy interesado en calcular la energía de descomposición total de la muestra durante el período de una semana.

Bien, sé que de la vida media deben quedar 0,28 g de la muestra después de ese tiempo, lo que significa que se habrán desintegrado 0,72 g. El radón-222 se descompone principalmente a 5,590 MeV alfas, por lo que puedo decir que esto es 1,95e+21 átomos decaídos x 5,590 MeV = ~1e22 MeV de alfa emitidos por la fuente durante ese período de tiempo.

Excepto que el Rn-222 se convertirá en Po-218, que tiene una vida media de 3,1 minutos, lo cual es significativo para el período de tiempo que se discute. Así que hemos creado 0,72 g de Po-218 y en algún momento en el transcurso de esa semana, y luego tendríamos que decir cuánto de eso se ha descompuesto también y agregar esos alfas (y una pequeña cantidad de betas) en esa producción total también. Y eso requerirá saber cuándo se creó el Po-218, porque se estaba creando continuamente en el transcurso de la semana de acuerdo con el decaimiento exponencial de la vida media. Y parece que, en principio, podríamos hacer un buen intento de adivinar cuándo se creó esto solo en función de las probabilidades.

Y una vez que hemos hecho el Po-218, tenemos que mirar a su producto secundario, Pb-214, que tiene una vida media de 26,8 min, por lo que también es importante para el período de tiempo en cuestión. Y así sucesivamente hasta que lleguemos a algo lo suficientemente estable como para no importar el período de tiempo sobre el que estamos preguntando (una semana en el caso de este ejemplo, así que para cuando lleguemos a algo con una vida media medida en algún múltiplo de eso , probablemente podríamos ignorarlo).

Soy más un tipo de computadora que de matemáticas, pero esto está empezando a parecerse al cálculo, lo cual está bien, puedo hacer que un script haga esto si sé los cálculos que se supone que debo hacer, y puedo alimentarlo una lista de isótopos, vidas medias y modos de descomposición (y sus probabilidades y energías). Pero he tenido dificultades para encontrar las ecuaciones correctas y no estoy muy interesado en reinventar la rueda, porque sé que este tipo de cosas deben ser muy antiguas.

Entonces, cualquier persona que pueda señalarme en la dirección correcta (o decirme que estoy viendo esto desde el ángulo totalmente equivocado) sería de gran ayuda. Y estoy de acuerdo con algo que está al final del sobre en términos de su "resolución" en el tiempo: solo estoy tratando de poner las cosas en el orden correcto de magnitud, e idealmente me gustaría que este enfoque funcione con mucho de diferentes isótopos (incluso si requiere tener una tabla maestra de diferentes productos de descomposición para el número limitado de cadenas de descomposición que me interesan).

TLDR;: Tengo una muestra de Rn-222. ¿Cómo calculo la energía total de sus diversos modos de descomposición en el transcurso de un período de tiempo determinado, incluidos sus productos secundarios?

¡Gracias!

Respuestas (2)

Creo que la respuesta es que las matemáticas son bastante difíciles.

El proceso que está describiendo es parte de la serie de desintegración 4n+2 para isótopos radiactivos: https://en.wikipedia.org/wiki/Decay_chain Está comenzando en el punto Rn-222.ingrese la descripción de la imagen aquí

Si considera solo la secuencia principal de descomposición y se detiene en Pb-210, con una vida media de 22,2 años, todavía tiene 6 (¡seis!) Ecuaciones diferenciales vinculadas para resolver.

La ecuación para la cantidad de Rn-222 es simple: decaimiento exponencial. Luego, esta simple ecuación se convierte en parte de la ecuación diferencial de la cantidad de Po-218, que se crea y se descompone. Entonces esa solución se convierte en parte de la ecuación para... Pero ves el problema.

Podría observar la reacción general, desde el Rn-222 hasta el Pb-218, con la emisión de 2 electrones y 3 partículas alfa, encontrar la liberación total de energía por átomo de Rn-222 y suponer que sigue el decaimiento exponencial simple de el Rn-222

¡Gracias por la respuesta! He estado pensando en formas abreviadas de hacer esto: enfoques de orden de magnitud como lo que estás describiendo al final. (Y, de nuevo, las dependientes de la computación: no es tan difícil hacer funciones vinculadas, simplemente puede volverse complicado si tiene un millón de enlaces). Seguiré pensando en ello.

Lo primero que puede hacer es simplificar la descomposición del lomo porque las ramas se producen con muy poca frecuencia.
Por ejemplo, el plomo-210 solo se desintegra en Mercurio-206 1.9 × 10 6 % del tiempo.

Ahora, dado que su período de tiempo es de 1 semana, la primera parte de la cadena desde el radón-222 hasta el plomo-210 se puede colapsar en una descomposición de vida media. 2.82 días.
Esto se debe a que los productos intermedios tienen una vida media que es mucho menor que 1 semana y, por lo tanto, en la escala de 1 semana se desintegran "instantáneamente". Por
supuesto, tendrá que sumar todas las energías que se liberan durante estas desintegraciones.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Cuando el estudio decae un parámetro llamado constante de decaimiento o constante de transformación λ se utiliza en lugar de la vida media τ .
Estas constantes están relacionadas en que λ τ = registro mi 2 .

También las ecuaciones para decaimientos son de la forma norte ( t ) = norte o mi λ t en vez de norte ( t ) = norte o 2 t τ .

Las ecuaciones que relacionan las cadenas de desintegración se derivan o se establecen en muchas fuentes, una de las cuales es un artículo de Harry Bateman que se publicó en 1910.
En él, muestra cómo se puede facilitar la búsqueda de soluciones para las ecuaciones diferenciales, pero también enumera soluciones a partir de las cuales puede extrapolar las ecuaciones para los decaimientos más abajo en la cadena.

Una última cosa es que en algún momento necesita convertir su masa de radón en el número de átomos de radón.

¡Gracias! Esto me ha ayudado a pensar en esto, especialmente en el pre-colapso.