Eksponentiaalinen hajoaminen

Wikipediasta
(Ohjattu sivulta Hajoamisvakio)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Eksponentiaalinen hajoaminen. Kuvaajasta nähdään, että hajoaminen on sitä nopeampaa, mitä suurempi on hajoamisvakio. Kuvaajaan on piirretty eksponentiaalinen hajoaminen hajoamisvakion arvoilla 25, 5, 1, 1/5, ja 1/25 x:n arvoilla nollasta viiteen.

Suure pienenee tai vähenee eksponentiaalisesti, jos sen arvo pienenee nopeudella, joka on suoraan verrannollinen suureen senhetkiseen arvoon.[1] Eksponentiaalisesti vähenevä suure N toteuttaa siis hajoamislaiksi kutsutun differentiaaliyhtälön:

missä λ on positiivinen luku. Tätä verrannollisuuskerrointa kutsutaan myös hajoamisvakioksi.

Eksponentiaalinen väheneminen on luonnon ilmiöissä yleinen vähenemistahti. Yhtälöä kutsutaankin hajoamislaiksi muun muassa siksi, että sillä on yhteys radio­aktiiviseen hajoamiseen ja kemiallisiin hajoamisreaktioihin.[2]

Differentiaaliyhtälön ratkaisu[1]

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Differentiaaliyhtälö voidaan ratkaista muokkaamalla se ensin muotoon

ja integroimalla yhtälön molemmat puolet. Integrointirajat vasemmalla puolella ovat N0 eli N:n arvo hetkellä t=0 ja Nt eli arvo hetkellä t. Vastaavasti oikealla puolella integrointi tehdään välillä 0 ... t.

josta saadaan lopulta ratkaistua Nt:

Edellä olevaa yhtälöä kutsutaan hajoamislain integraalimuodoksi.

Hajoamisnopeutta kuvaavat aikasuureet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Puoliintumisaika ja keskimääräinen elinaika.

Puoliintumisaika

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Intuitiivisesti ymmärrettävä suure hajoamisen nopeudelle on puoliintumisaika.[3][4] Puoliintumisaika on se aika, jossa suure N pienenee puoleen alkuperäisestä arvostaan. Puoliintumisaika T voidaan helposti johtaa hajoamislain integraalimuodosta asettamalla , eli ajanhetkellä t=T on N:n alkuperäinen arvo laskenut puoleen alkuperäisestä. Tällöin saadaan puoliintumisajan arvoksi

Hajoamislaki saa tämän kaavan avulla helpon muodon (sijoittamalla hajoamislain integraalimuotoon):

Tästä yhtälöstä nähdään, että ensimmäisen puoliintumisajan lopussa () suure on pienentynyt puoleen alkuperäisestä arvostaan, kahden puoliintumisajan kuluttua () neljäsosaan jne.

Keskimääräinen elinaika

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Toinen, matemaattisesti yksinkertaisempi mutta intuitiivisesti vaikeammin ymmärrettävä hajoamisnopeutta kuvaava suure on keskimääräinen elinaika . Keskimääräinen elinaika on se aika, jossa suure pienenee 1/e:een osaan alkuperäisestä. Vastaavalla tavalla kuin puoliintumisajan yhteydessä, saadaan keskimääräisen elinajan lausekkeeksi:

Esimerkiksi radioaktiivisessa hajoamisessa keskimääräinen elinaika kuvaa keskimääräistä aikaa, jonka ydin ehtii olla alun perin N0 ydintä sisältäneessä joukossa ennen hajoamistaan. Johto keskimääräiselle elinajalle on esitetty englanninkielisessä artikkelissa.

Esimerkiksi polonium-210:n keskimääräinen elinaika on 200 vuorokautta, mutta puoliintumisaika vain 138 vuorokautta.

Useita rinnakkaisia hajoamisia

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Jos hajoaminen tapahtuu useamman rinnakkaisen prosessin kautta ja kullakin on oma keskimääräinen elinaikansa, ollaan yleensä kiinnostuneita vain kokonaisuudessaan hajoamisen keskimääräisestä elinajasta. Kokonaishajoamisnopeudelle voidaan kirjoittaa yhtälö:

Ratkaisu saadaan, kun kirjoitetaan hajoamisvakioiden summa uutena hajoamisvakiona eli asettamalla . Tällöin

Nyt saadaan yhtälö

, josta ratkaisemalla saadaan

Tämä voidaan yleistää koskemaan n kappaletta prosesseja muodossa

  • Kinetiikan alkeisreaktioissa lähtöaineiden konsentraatiot noudattavat eksponentiaalista hajoamista.
  • Korkealla ilmakehässä, ilmanpaine vähenee eksponentiaalisesti korkeuden funktiona.[5]

Aiheesta muualla

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  1. a b Analysis - Ordinary Diff. Eqns, Solutions, Theory | Britannica www.britannica.com. Viitattu 27.5.2024. (englanniksi)
  2. Radioactivity | Definition, Types, Applications, & Facts | Britannica www.britannica.com. 9.5.2024. Viitattu 27.5.2024. (englanniksi)
  3. Definition of HALF-LIFE www.merriam-webster.com. 25.5.2024. Viitattu 27.5.2024. (englanniksi)
  4. Half-life | Definition & Facts | Britannica www.britannica.com. Viitattu 27.5.2024. (englanniksi)
  5. Atmospheric pressure | Definition, Measurement, & Variations | Britannica www.britannica.com. Viitattu 27.5.2024. (englanniksi)