Zerfallsgesetz: Unterschied zwischen den Versionen
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'''Zerfallsgesetz''' ist die in der Physik übliche Bezeichnung der Gleichung, die eine [[Exponentieller Prozess# | '''Zerfallsgesetz''' ist die in der Physik übliche Bezeichnung der Gleichung, die eine [[Exponentieller Prozess#Exponentielle Abnahme|exponentielle zeitliche Abnahme]] von Größen beschreibt. In der [[Kernphysik]] gibt das Zerfallsgesetz die Anzahl <math>N</math> der zu einem Zeitpunkt <math>t</math> noch nicht zerfallenen [[Atomkern]]e einer [[Radioaktivität|radioaktiven]] Substanzprobe an. Diese Anzahl beträgt | ||
:<math>N(t)= N_0 \cdot \mathrm e^{-\lambda t}</math>, | :<math>N(t)= N_0 \cdot \mathrm e^{-\lambda t}</math>, | ||
wobei <math>N_0</math> die Anzahl der am Anfang (<math>t = 0</math>) vorhandenen Atomkerne und <math>\lambda</math> die [[Zerfallskonstante]] des betreffenden [[Nuklid]]s ist. | wobei <math>N_0</math> die Anzahl der am Anfang (<math>t = 0</math>) vorhandenen Atomkerne und <math>\lambda</math> die [[Zerfallskonstante]] des betreffenden [[Nuklid]]s ist. | ||
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Die Zerfallskonstante <math>\lambda</math> ([[Lambda]]) ist der Kehrwert der mittleren [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] <math>\tau = 1/\lambda</math>, also der Zeit, nach der die Zahl der Atome sich um den Faktor <math>\mathrm e = 2{,}71828\dotso</math> verringert hat. <math>\tau</math> ([[Tau (Buchstabe)|Tau]]) unterscheidet sich von der [[Halbwertszeit]] <math>T_{1/2}</math> nur um den konstanten Faktor <math>\ln 2</math>: | Die Zerfallskonstante <math>\lambda</math> ([[Lambda]]) ist der Kehrwert der mittleren [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] <math>\tau = 1/\lambda</math>, also der Zeit, nach der die Zahl der Atome sich um den Faktor <math>\mathrm e = 2{,}71828\dotso</math> verringert hat. <math>\tau</math> ([[Tau (Buchstabe)|Tau]]) unterscheidet sich von der [[Halbwertszeit]] <math>T_{1/2}</math> nur um den konstanten Faktor <math>\ln 2</math>: | ||
:<math>T_{1/2} = \frac {\ln 2}{\lambda} = \tau \cdot \ln 2 \approx 0{,}693 \cdot \tau</math> | :<math>T_{1/2} = \frac {\ln 2}{\lambda} = \tau \cdot \ln 2 \approx 0{,}693 \cdot \tau</math> | ||
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Aktuelle Version vom 27. Mai 2021, 21:07 Uhr
Zerfallsgesetz ist die in der Physik übliche Bezeichnung der Gleichung, die eine exponentielle zeitliche Abnahme von Größen beschreibt. In der Kernphysik gibt das Zerfallsgesetz die Anzahl $ N $ der zu einem Zeitpunkt $ t $ noch nicht zerfallenen Atomkerne einer radioaktiven Substanzprobe an. Diese Anzahl beträgt
- $ N(t)=N_{0}\cdot \mathrm {e} ^{-\lambda t} $,
wobei $ N_{0} $ die Anzahl der am Anfang ($ t=0 $) vorhandenen Atomkerne und $ \lambda $ die Zerfallskonstante des betreffenden Nuklids ist.
Herleitung
Betrachtet man ein radioaktives Präparat mit anfänglich $ N_{0} $ Atomkernen und der Aktivität $ A $, so gilt für die Anzahl $ N $ der in der Zeit $ t $ noch nicht zerfallenen Kerne:
- $ {\begin{aligned}A&=-{\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\qquad {\text{mit }}A=\lambda \cdot N\\-\lambda \cdot N&={\frac {\mathrm {d} N}{\mathrm {d} t}}\\-\lambda \cdot \mathrm {d} t&={\frac {1}{N}}\cdot \mathrm {d} N\\\int _{0}^{t}-\lambda \cdot \mathrm {d} t'&=\int _{N_{0}}^{N}{\frac {1}{N'}}\cdot \mathrm {d} N'\\-\lambda t-(-\lambda \cdot 0)&=\ln(N)-\ln(N_{0})\\-\lambda t&=\ln \left({\frac {N}{N_{0}}}\right)\\\mathrm {e} ^{-\lambda t}&={\frac {N}{N_{0}}}\\N(t)&=N_{0}\cdot \mathrm {e} ^{-\lambda t}\end{aligned}} $
Nach der Zeit $ t $ sind also von $ N_{0} $ Ausgangskernen noch $ N(t) $ übrig.
Mittlere Lebensdauer
Die Zerfallskonstante $ \lambda $ (Lambda) ist der Kehrwert der mittleren Lebensdauer $ \tau =1/\lambda $, also der Zeit, nach der die Zahl der Atome sich um den Faktor $ \mathrm {e} =2{,}71828\dotso $ verringert hat. $ \tau $ (Tau) unterscheidet sich von der Halbwertszeit $ T_{1/2} $ nur um den konstanten Faktor $ \ln 2 $:
- $ T_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}=\tau \cdot \ln 2\approx 0{,}693\cdot \tau $
Damit ergibt sich für das Zerfallsgesetz auch folgende Form:
- $ N(t)=N_{0}\cdot e^{-{\frac {\ln(2)}{T_{1/2}}}t} $