1

1

Jądro atomowe

2

Co decyduje o właściwościach atomu ?

• masa (protony + neutrony + elektrony)

– prawie cała masa atomu skupiona jest w jądrze,

wkład elektronów jest niewielki

• ładunek jądra oraz liczba elektronów

– wzajemne oddziaływania o charakterze

elektrostatycznym

•

ułożenie elektronów (konfiguracja)

– istotne dla właściwości chemicznych są

zwłaszcza elektrony położone daleko od jądra

3

Czy prawo zachowania masy jest zawsze spełnione ?

Czy jest spełnione na poziomie atomowym ?

• Masa każdego izotopu jest sumą mas protonów,

neutronów i elektronów. Wkład elektronów jest
mało znaczący.

• Masa danego izotopu powinna być (w j.m.a.)

liczbą zbliżoną do całkowitej

• Izotop

9

Be - masa powinna wynosić 9 u,

tymczasem jest niższa o 0,0624 u ...

• Czy to błąd rachunkowy ? Jeśli nie, to co się stało

z brakującą masą ?

4

„Defekt” masy

• Zgodnie z teorią Einsteina, masa i energia są sobie

równoważne

E = m·c

2

• „Brakująca” masa zamienia się w energię

stabilizacji jądra atomowego, która wynosi w tym
przypadku

E = 931,5 MeV = 1,49210

-10

J

(dla

każdego jądra)

• 1 eV - energia, jaką uzyskuje elektron w polu na

drodze o spadku potencjału o 1 V

• 1 MeV = 10

6

eV

5

Energia wiązania w jądrze

A

100

50

150 200

250

E
(MeV)

liczba masowa

û

waha się od 7 - 8,7 MeV/nukleon

6

Stabilność jąder atomowych

0

20

40

60

80

100

0

20

40

60

80

100

120

140

160

lic

z

b

a

n

e

u

tr

o

n

ó

w

w

j

ą

d

rz

e

liczba atom owa, Z

2

7

Promieniotwórczość naturalna

Samorzutny rozpad nietrwałych
nuklidów, połączony z emisją
promieniowania elektromagnetycznego
lub strumienia cząstek

Henri Becquerel, małżonkowie Curie, 1896

Rodzaje promieniowania:

α

- strumień jąder nuklidu izotopu helu

β

- strumień elektronów

γ

- “twarde” promieniowanie elektromagnetyczne

Nagroda Nobla z fizyki 1903,

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/curie/index.html

8

Znaczenie promieniotwórczości

Czy badanie promieniotwórczości ma związek z
chemią ?

Tak, dlatego że:

- promieniotwórczość dostarcza wielu cennych

informacji o budowie jądra atomowego;

- izotopy promieniotwórcze mogą pełnić rolę

“znaczonych” atomów danego pierwiastka i przez to
ułatwiać badanie mechanizmów reakcji chemicznych;

- można zrealizować odwieczne marzenie alchemików,

to znaczy zamieniać jedne pierwiastki w drugie

9

Promieniotwórczość

naturalna

10

1. Promieniowanie β

-

n

p

e

 →



+

+

+

−

ν

Jest to strumień elektronów, powstających w wyniku
przemiany wewnątrz jądra:

Neutron rozpada się na

proton

,

elektron

i

antyneutrino

6

14

7

14

C

N

 →



+

+

−

e

ν

Z

A

Z 1

A

X

X'

 →



+

+

−

−

β

(

)

e

ogólnie:

11

2. Promieniowanie β

+

Jest to strumień cząstek o masie elektronów, ale o

ładunku dodatnim

, powstających w wyniku przemiany

wewnątrz jądra:

p

n e

+

+

 →



+ +

ν

Proton

rozpada się na neutron,

elektron o ładunku

dodatnim (pozyton)

i

neutrino

Z

A

Z

A

X

X

e

 →



+

−

+

+

1

'

(

)

β

12

3. Promieniowanie α

(emisja cząstki α)

2

4

He

Na skutek przemian wewnątrz jądra na zewnątrz
wyrzucany jest strumień cząstek złożonych z
dwóch protonów i dwóch neutronów - jąder
izotopu

92

235

90

231

2

4

2

4

U

Th

( He)

 →



+

α

Z

A

Z 2

A 4

2

4

2

4

X

X'

( He)

 →



+

−

−

α

3

13

4. Wychwyt K

Jądro pochłania elektron z najbliższej
powłoki (K). Wydziela się energia,
związana z przeniesieniem innego elektronu
bliżej jądra.

Elektron

łączy się z

protonem

i

powstaje

neutron

p

e

n

+

−

+

 →



Z

A

Z

A

X

e

X

energia foton

+  →



+

−

−

1

'

(

)

Wynik - jak dla przemiany β

+

14

5. Promieniowanie γ

Przegrupowanie protonów i neutronów w jądrze
prowadzi do wyemitowania nadmiarowej energii w
postaci promieniowania elektromagnetycznego:

Z

A

Z

A

X

X

energia foton

 →



+

(

)

15

Szybkość przemian promieniotwórczych

v

N

dN

dt

= − =

λ

Szybkość rozpadu jąder promieniotwórczych (przemian
promieniotwórczych) jest proporcjonalna do liczby jader,
które ulegają przemianie

−

=

+

ln N

t

λ

const

N

N

0

t

=

⋅

−

e

λ

dla N =

t = t

N

2

1/2

0

16

Okres półrozpadu albo półtrwania t

1/2

* jest to stała charakterystyczna dla danej przemiany i

jest miarą trwałości danego izotopu;

* oznacza okres czasu, po którym dokładnie połowa

jąder promieniotwórczych ulegnie rozpadowi lub
pozostanie niezmieniona;

* waha się od mikrosekund (dla izotopów nie-

trwałych) do milionów lat (dla jąder trwałych);

17

Okres półrozpadu albo półtrwania t

1/2

0

1622

3244

4866

6488

8110

9732

0

20

40

60

80

100

120

140

t

1/2

= 1622 lata

N

l

u

b

m

a

s

a

t (czas)

88

226

86

222

Ra

Rn+ He

1622 lata,

2

4

α



→



18

Naturalny szereg promieniotwórczy

A

Z

91 92

92

90

89

88

87

86

85

84

83

82

81

235

231

227

223

219

215

211

207

"

$

U

235

92

7

@

10

9

lat

231

90

Th

25,6 h

231

91

Pa

32500 lat

227

89

Ac

21,7 lat

227

90

21,7 lat

223

87

Fr

21,8 min

223

88

Ra

18,7 dni

11,4 dni

219

86

Rn

3,9 s (!)

215

84

Po

1,7

@

10

- 3

s

211

82

Pb

211

83

Bi

211

84

207

81

Tl

211

82

4

19

Promieniotwórczość sztuczna

20

Sztuczne przemiany promieniotwórcze

* Sztuczne przemiany promieniotwórcze -

jądra atomowe pochłaniają cząstki, którymi
są „bombardowane”

• pochłanianie cząstek α

• pochłanianie neutronów

• pochłanianie protonów

• pochłanianie promieniowania γ

* i ulegają dalszym przemianom

* Ich skutkiem jest pojawienie się nowych

izotopów

21

Sztuczne przemiany promieniotwórcze (2)

– Bombardowanie cząstkami α

7

14

2

4

8

17

1

1

N

He

O

H

+



→

  

+

Rutherford,1919

4

9

2

4

6

12

0

1

Be

He

C

+



→

  

+

Chadwick,1932

n

Ernest Rutherford

James Chadwick

Ta ostatnia reakcja bywa stosowana do
otrzymywania neutronów w laboratorium

22

Sztuczne przemiany promieniotwórcze (3)

• Przemiany jednych pierwiastków w drugie

(transmutacje pierwiastków):

– Bombardowanie neutronami

12

24

0

1

11

24

1

1

Mg

Na

H

+

 →



+

n

13

27

0

1

11

24

2

4

Al

Na

He

+

 →



+

n

11

23

0

1

11

24

Na

Na

+

 →



+

n

energia( )

γ

Trzy różne procesy związane z bombardowaniem neutronami
prowadzą do otrzymania tego samego nuklidu

23

Sztuczne przemiany promieniotwórcze (4)

– Bombardowanie protonami

:

3

7

1

1

2

4

Li

p

He

+



→

    

Cockroft Walton 1932

,

,

2

- Pochłanianie promieniowania γ:

4

9

4

8

0

1

Be

Be +

+  →



γ

n

24

Klasyfikacja przemian

A

(A-Z)

X

naturalne

i

sztuczne

-α

+α

+n

+p

β

-

β

+

wychwyt K

5

25

ROZSZCZEPIENIE JĄDER ATOMOWYCH

92

235

0

1

56

141

36

92

0

1

U

Ba

Kr +3

+

 →



+

n

n

Otto Hahn (1879-1968), 1938

Nagroda Nobla 1944

Fritz Strassman, Lisa Meitner

92

235

0

1

Z'

A'

Z"

A"

0

1

U

X

Y + (2 - 3)

+

 →



+

n

n

26

ROZSZCZEPIENIE JĄDER ATOMOWYCH

jądro izotopu

rozszczepialnego

neutron

dwa inne jądra

2-3

neutrony

27

Rozszczepienie jąder atomowych

• izotopy rozszczepialne

92

235

94

239

U,

Pu

W czasie rozszczepienia 1 jądra uranu zostaje

wyzwolona energia równa 200 MeV

Rozszczepienie 1 grama uranu wyzwala energię

równą 82·10

6

kJ (spalenie 2,5 tony węgla!)

28

Produkty rozszczepienia

A

80

120

160

Wydajność

produktów

rozszczepienia

29

Rozszczepienie jest reakcją łańcuchową

30

Niekontrolowana reakcja łańcuchowa

6

31

Kontrolowana reakcja łańcuchowa

• Niekontrolowana reakcja łańcuchowa

przebiega tylko wtedy, gdy zostanie
przekroczona tzw. masa krytyczna izotopu
rozszczepialnego

• Można ją kontrolować pochłaniając część

neutronów powstających w czasie
rozszczepienia

• Najlepszymi moderatorami są grafit, ciężka

woda, niektóre metale ...

32

Synteza termojądrowa

Słońce jest tzw. „zimną gwiazdą” T~10

7

K

CYKL PROTONOWY:

1

1

1

1

1

2

0 07

H

H

H +

pJ

+

+  →



+

β

,

1

1

1

2

2

3

0 88

H

H

He +

pJ

+

 →



+

γ

,

2

3

2

3

2

4

05

He

He

He +2 H + 2

pJ

1

1

+

 →



,

4 H

He +

+ + 6,7MeV

1

1

+

 →



2

4

2

β

γ

33

Synteza termojądrowa na Słońcu

• Na Słońcu w każdej sekundzie:

– ulega przemianie 600 mln ton wodoru

– wydziela się 3,72·10

23

kJ energii

• Ponieważ na Słońcu jest 10

27

ton wodoru,

jeszcze długo go nie zabraknie...