26.Odkrycie promieniotwórczości naturalnej

W 1896 roku francuski fizyk Antonie Henri Becquerel, badając związki uranu zauważył, że klisza fotograficzna znajdująca się w pobliżu tego związku ściemniała, mimo braku promieni słonecznych. Dokładniejszym zbadaniem tego zjawiska zajęli się Maria Curie - Skłodowska i Piotr Curie. Odkryli oni promieniotwórczość uranu i toru oraz pierwiastki polon i rad. W 1903 roku Henri Becquerel, Maria Curie - Skłodowska oraz jej mąż Piotr Curie zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie radioaktywności i badania w tej dziedzinie.

27.Prawo rozpadu promieniotwórczego

Prawa rozpadu promieniotwórczego podlegają rozkładowi statystycznemu. Nie można przewidzieć kiedy dany atom ulegnie rozpadowi. W jadrze zachodzą ciągłe zmiany rozkładu energii i w każdej chwili może zdarzyć się konfiguracja implikująca zaistnienie rozpadu promieniotwórczego. Jeżeli odpowiednio duża liczba rozpadów promieniotwórczych jest obserwowana można zaobserwować prawo rozpadu. Aktywność (A) radionuklidu jest jego szybkością rozpadu promieniotwórczego - dN/dt wyrażana równaniem: A = - dN/d t= λ N,

λ jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym stałą rozpadu, dN oznacza liczbę atomów, które uległy rozpadowi w czasie dt, znak minus oznacza zmniejszenie się liczby atomów wskutek rozpadu promieniotwórczego.

Liczba atomów pierwiastka promieniotwórczego, rozpadających się w jednostce czasu, jest w każdej chwili proporcjonalna do ogólnej liczby atomów tego pierwiastka. Rozdzielając zmienne i całkując ( w granicach No N!!!!!!!!!!!!!!! ) otrzymujemy: ∫ dN/N = - λtdt ,

ln= N/No = -λt lub w postaci wykładniczej N=No e^-λt , gdzie N liczba atomów po czasie t, No początkowa liczba atomów, λ stała rozpadu, t czas.

Okres po którym liczba atomów pierwiastka zmniejszyła się o połowę nosi nazwę czasu połowicznego rozpadu t_1/2 = ln2/λ = 0,693/λ.

Jednostka radioaktywności jest w systemie SI bequerel (Bq) 1Bq = 1 rozpad/s.

28.Rodzaje rozpadów promieniotwórczych

Rozpad alfa (przemiana α) - przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α. Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to promieniowanie alfa. Zapis reakcji rozpadu jądra atomu uranu-238 (²³⁸U):

lub:

Inne przykłady:

Ogólnie:

W wyniku tej reakcji powstające jądro ma liczbę atomową mniejszą o 2, a liczbę masową o 4 o rozpadającego się jądra. Spośród izotopów spotykanych w naturze wiele jąder należących do łańcuchów uranowego oraz torowego są emiterami cząstek α. Natomiast wśród ogółu jąder atomowych (także wytworzonych syntetycznie) rozpadowi α ulegają głównie jądra cięższe - powyżej masy 200, ale także w wśród pierwiastków ziem rzadkich oraz wśród bardzo egzotycznych izotopów cyny, telluru oraz ksenonu(okolice masy 100).

Emitowane cząstki mają zazwyczaj energie kinetyczna około 5MeV, co odpowiada prędkości 15,000 km/s. W rozpadzie α, cząstka α formuje się już w jądrze i jest odpychana siłami elektrostatycznymi i przyciągana oddziaływaniami silnymi pozostałej części jądra. W niewielkiej odległości od jądra siły przyciągania jądrowego przeważają, a w większej przeważają siły odpychania. Cząstka α ma energię mniejszą od energii potrzebnej na pokonanie sił przyciągania, ale dzięki kwantowemu zjawisku tunelowania przenika przez wąską barierę potencjału.

Energia cząstek alfa emitowanych z danego atomu ma określoną wartość, ponieważ rozpad jest dwuciałowy i prowadzi do określonych poziomów jądrowych w powstającym jądrze. Dla niektórych jąder możliwy jest rozpad do kilku różnych poziomów, ale ponieważ każdy z nich ma ściśle określoną energię, więc i określone są energie cząstek alfa.

Rozpad α jest dość powszechnym zjawiskiem w przyrodzie, odpowiada za niemalże połowę promieniotwórczości naturalnej skorupy ziemskiej.

Zjawisko rozpadu α jest między innymi wykorzystywane w konstrukcji czujników dymu, w których rozpadające się jądra pierwiastka Ameryk-241, emitują cząstki α, które są pochłaniane przez dym.

Rozpad beta minus, przemiana β^- - przemiana jądrowa, w której emitowany jest elektron e^- (promieniowanie beta ) oraz antyneutrino elektronowe. Rozpady β^- i β⁺ zachodzą w wyniku oddziaływań słabych. Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi beta minus: Co-60, Na-24, C-14, H-3.

Przykładowe zapisy rozpadów:

Ogólnie:

Jak widać w przykładzie w wyniku tej przemiany liczba masowa pozostaje bez zmian a liczba atomowa wzrasta o 1. W czasie tej przemiany 1 neutron w jadrze rozpada się na 1elektron, 1 proton i 1 antyneutrino elektronowe. Elektron i antyneutrino opuszczają jądro atomowe. Rozpadowi beta minus towarzyszy promieniowanie gamma oraz dla niektórych jąder emisja protonów lub neutronów.

Rozpad beta plus (przemiana β⁺) -przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka β⁺ (zwana pozytonem lub antyelektronem) oraz neutrino elektronowe.

Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi beta plus: ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O, ¹⁸F i ²²Na.

Przykładowy zapis rozpadu:

(podwojny rozpad beta)

(* - atom wzbudzony)

Ogólnie:

Izotopy są używane do pozytonowej tomografii emisyjnej. W wyniku tej przemiany liczba atomowa jądra maleje o 1, a liczba masowa pozostaje bez zmian.

Wychwyt elektronu - przemiana jądrowa, w której jeden z elektronów atomu jest przechwytywany przez proton z jądra atomowego, w wyniku czego powstaje neutron (pozostający w jądrze) i neutrino elektronowe, które jest emitowane.

Przykładowo:

W konsekwencji tej reakcji liczba protonów w jądrze maleje, a liczba neutronów rośnie o 1. Tak więc nowo powstały atom ma również liczbę atomową mniejszą o 1, ale jego masa atomowa pozostaje bez zmian. Wychwytowi elektronu ulegają przeważnie jądra ciężkie; zazwyczaj jądra te ulegają też rozpadowi beta plus. Przechwytywanym elektronem jest zazwyczaj elektron najbliższy jądru atomowemu, czyli pochodzący z powłoki K, dlatego przemianę tą nazywa się też „wychwyt K”. Pochłonięcie elektronu przez jądro powoduje reorganizację elektronów na powłokach elektronowych. Na miejsce brakującego elektronu „przeskakuje” elektron z wyższej orbity. Nadwyżka energii jaką posiada „przeskakujący elektron” jest emitowana w postaci kwantu lub kilku kwantów charakterystycznego dla danego pierwiastka promieniowania rentgenowskiego, dochodzi także do jonizacji atomu. Wychwytowi elektronu towarzyszy też emisja promieniowania gamma przez jądro atomowe. Zjawisko to odkrył Luis Alvarez za co otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1968.

Rozpad γ: jądro wzbudzone do jednego z wyższych stanów energetycznych może samoczynnie zrelaksować( przejść na niższy poziom) emitując foton. Różnica energii między poziomami energetycznymi w jądrach ~ MeV →dlatego energia fotonu emitowanego przez jądra >> od energii fotonów emitowanych przez atomy! Fotony emitowane przez jądra nazywamy promieniami γ.

29. Rozszczepienie jąder atomowych

Rozszczepienie jądra atomowego to przemiana jądrowa polegająca na rozpadzie jądra na dwa (rzadziej na więcej) fragmenty o zbliżonych masach. Zjawisku towarzyszy emisja neutronów, a także kwantów gamma, które unoszą znaczne ilości energii. Ponieważ jądra ulegające rozszczepieniu zwykle są jądrami ciężkimi, które posiadają więcej neutronów niż protonów, obydwa fragmenty powstałe w rozszczepieniu są jądrami neutrono-nadmiarowymi. Nadmiar neutronów jest z nich emitowany wkrótce po procesie rozszczepienia, te zjawisko nosi nazwę emisji neutronów opóźnionych.

Indukowana neutronami reakcja rozszczepienia: n+²³⁵U →^xxxE^yy + ^uuuE^ww + 3n

Oprócz reakcji rozszczepienia ²³⁵U zachodzi także wychwyt radiacyjny( ok.15%)

²³⁵U+n→²³⁶U + γ. Ciężkie jadra maja nadmiar neutronów, który jest emitowany natychmiast i w wyniku rozpadów β fragmentów rozszczepienia. Z rozszczepienia 1 kg ²³⁵U wydziela się 8,0610¹³ J/kg energii. Jest to równoważnik 2 mln kg węgla. Rodzaje energii podczas rozszczepienia: en. Kinetyczna fragmentów rozszczepienia, en. Promieniowania gamma, en. Kinetyczna neutronów, en. Rozpadu gamma produktów rozszczepienia, en. Rozpadu β produktów, en. Antyneutrin. Zastosowanie reakcji rozszczepienia: produkcja izotopów dla medycyny, bron jądrowa, energetyka jądrowa.

30. Synteza jąder atomowych

Reakcje syntezy jądrowej (fuzji) zachodzą w temperaturach milionów stopni i odpowiadają za tworzenie lekkich pierwiastków we Wszechświecie. Największą energie wiązania nukleonów w jądrach spotykamy w obszarze A=56-57. dlatego tez izotop żelaza ⁶⁸Fe, który powstawał w kolejnych reakcjach fuzji w bardzo gorących gwiazdach cechuje wielka stabilność i jest go dużo wewnątrz Ziemi.

Reakcje termojądrowe - fuzji są to reakcje wymagające bardzo wysokich temperatur. Energia kinetyczna cząsteczek zderzających się musi być bardzo duża. Są to w praktyce reakcje D+D, D+T, T+T. Aby zaszła reakcja musi być pokonana bariera energetyczna10^-13J co wymaga energii kinetycznej cząstek o temperaturze 10⁹K. Ze względu na występowanie efektu tunelowego temperatura może być mniejsza o jeden rząd wielkości. Najbardziej wydatne reakcje termojądrowe to np. :

D+T → He-4 + n + 17,6 MeV

D+D→ He-3 + n + 3,27 MeV

Bomba wodorowa

Zwana jest też bombą termojądrową. Zasada działania bomby wodorowej opiera się na wykorzystaniu reakcji termojądrowej, czyli łączenia się lekkich jąder atomowych (np. wodoru lub helu) w cięższe, czemu towarzyszy wydzielanie ogromnej ilości energii. Ponieważ rozpoczęcie i utrzymanie fuzji wymaga bardzo wysokiej temperatury, bomba wodorowa zawiera ładunek rozszczepialny (pierwszy stopień), którego detonacja inicjuje fuzję w ładunku drugiego stopnia.

Ładunki drugiego stopnia mogą być łączone w prawie dowolnej ilości i wielkości (jedna reakcja fuzji inicjuje następną), to jak i brak ograniczenia przez masę krytyczną oraz znacznie większą niż w przypadku ładunków rozszczepialnych wydajność, umożliwiają budowę broni o mocy daleko większej niż w przypadku zwykłej bomby atomowej.

Brudna bomba to określenie na rodzaj broni radiologicznej, której działanie polega na rozrzuceniu materiału radioaktywnego na dużej przestrzeni za pomocą konwencjonalnej eksplozji. Powoduje to skażenie promieniotwórcze terenu. Ze względu na łatwość konstrukcji takiej bomby, znaczną dezorganizację funkcjonowania dużych aglomeracji oraz bardzo duże koszty usuwania materiałów promieniotwórczych istnieje niebezpieczeństwo użycia ich przez terrorystów.

Bomba neutronowa to specjalny rodzaj bomby termojądrowej, pozbawiona ekranu odbijającego neutrony, w której energia powstaje w wyniku reakcji syntezy deuteru z trytem. Siła jej wybuchu jest relatywnie niewielka. Małe jest również skażenie promieniotwórcze terenu. Czynnikiem rażącym jest promieniowanie przenikliwe - neutronowe (szybkie neutrony - stąd nazwa), przenikające przez materię (w tym opancerzenie), ale zabójcze dla żywych organizmów

Bomba kobaltowa zawiera w osłonie kobalt, który pod wpływem wytwarzanych przez ładunek neutronów przekształca się w izotop Co-60, silne i trwałe (okres półrozpadu 5,26 lat) źródło promieniowania gamma. Głównym celem jest skażenie terenu, by uczynić go niezdatnym do zasiedlenia. Zamiast kobaltu dodatkiem może być złoto, które pozostanie radioaktywne przez okres kilku dni, oraz tantal i cynk (kilka miesięcy).

---