1

Chemia Jądrowa

JMSS - PX2512

1

Marek Sikorski

Chemia Jądrowa

Marek Sikorski

2

Terminy wyk

ładów

wtorek 8.00 – 9.30

prof. UAM dr hab.

Marek Sikorski

Termin konsultacji

czwartek 10.30 – 12.00

3

Pracownia Fotochemii Stosowanej

pok. 212

tel. [phone]

e-mail.

[e-mail]

Izotopy, Izotony, Izobary,

Izomery

Charakterystyka:

N

X

A

Z

Z liczba atomowa = liczba elektronów (lub protonów)

A liczba masowa = liczba neutronów + protonów

X

A

Z

X

A

JMSS - PX2512

4

Liczba neutronów = A-Z

Liczba protonów = Z

Izotopy – ta sama liczba atomowa, ró

żna liczba masowa

Izotony – ta sama liczba neutronów, ró

żna liczba protonów

Izobary – ta sama masa, ró

żna liczba protonów i neutronów

Izomery – j

ądra atomowe w stanie wabudzonym, (z tau>1 ns)

Marek Sikorski

Izotopy, Izotony, Izobary, Izomery

X

A

Z

Z liczba atomowa = liczba elektronów (lub protonów)

A liczba masowa = liczba neutronów + protonów

m

C

60

JMSS - PX2512

5

Liczba neutronów = A-Z

Liczba protonów = Z

C

14

N

14

Marek Sikorski

C

12

N

13

Izotopy, Izotony, Izobary, Izomery

m

C

60

C

14

N

14

C

12

N

13

Izomer

Izotopy C

Izotopy N

JMSS - PX2512

6

Marek Sikorski

C

14

N

14

C

12

N

13

Izobary (A=14)

Izotony (N=6)

X

A

Z

Z liczba atomowa = liczba elektronów (lub protonów)

A liczba masowa = liczba neutronów + protonów

Liczba neutronów = A-Z

Liczba protonów = Z

2

Izotopy Chloru

JMSS - PX2512

7

Izotopy Wodoru

JMSS - PX2512

8

Marek Sikorski

Izotopy a masa atomów

wyst

ępujących naturalnie

JMSS - PX2512

9

JMSS - PX2512

10

Nuklidy i Izotopy

Masa atomowa pierwiastka

jest

średnią mas atomowych i

ilo

ści każdego z naturalnie-występujących izotopów.

N.p. Masa atomowa w

ęgla wynosi 12.01,

co pochodzi z (12 0000x98 89 + 13 00335x1 11)/100

JMSS - PX2512

11

co pochodzi z (12.0000x98.89 + 13.00335x1.11)/100

12

6

C

13

6

C

Masa j

ądra

wzi

ęta z tablic

Masa j

ądra

wyra

żona jest w

skali a.j.m.

(a.m.u).

Marek Sikorski

Masa Ni i O

A =

Z

+

N

Liczba

protonów

Liczba

neutronów

Izotopy mają różną masę ale chemicznie są

JMSS - PX2512

12

identyczne

58

Ni 68.27

16

O

99.762

60

Ni 26.1

17

O

0.038

61

Ni

1.13

18

O

0.2

62

Ni

3.59

64

Ni

0.91

Marek Sikorski

3

Masa atomowa pierwiastka

jest średnią mas

atomowych i ilości każdego z

naturalnie-

występujących izotopów

:

58

Ni 68.27

60

JMSS - PX2512

13

60

Ni 26.1

61

Ni

1.13

62

Ni

3.59

64

Ni

0.91

Marek Sikorski

58

Ni

68.27%

58

x

68.27/100

=

60

Ni

26.1%

60

x

26.1/100

=

61

Ni

1.13%

61

x

1.13/100

=

62

Ni

3.59%

62

x

3.59/100

=

64

Ni

0.91%

64

x

0.91/100

=

JMSS - PX2512

14

Marek Sikorski

58

Ni

68.27%

58

x

68.27/100

= 39.5966

60

Ni

26.1%

60

x

26.1/100

= 15.66

61

Ni

1.13%

61

x

1.13/100

= 0.6893

62

Ni

3.59%

62

x

3.59/100

= 2.2258

64

Ni

0 91%

64

x

0 91/100

= 0 5824

JMSS - PX2512

15

64

Ni

0.91%

64

x

0.91/100

= 0.5824

Marek Sikorski

58

Ni

68.27%

58

x

68.27/100

= 39.5966

60

Ni

26.1%

60

x

26.1/100

= 15.66

61

Ni

1.13%

61

x

1.13/100

= 0.6893

62

Ni

3.59%

62

x

3.59/100

= 2.2258

64

Ni

0 91%

64

x

0 91/100

= 0 5824

JMSS - PX2512

16

64

Ni

0.91%

64

x

0.91/100

= 0.5824

58.7541

Marek Sikorski

17

Izotopy cd...

J

ądra posiadające tę samą liczbę atomową a różniące się

liczb

ą masową nazywane są

izotopami

.

N.p. W

ęgiel może występować w postaci kilku izotopów

11

C

12

C

13

C

14

C

15

C

6

C

6

C

6

C

6

C

Stabilne j

ądro;

wyst

ępujące w

98.89%

naturalnego

w

ęgla.

Stabilne j

ądro;

wyst

ępujące w

1.11%

naturalnego

w

ęgla.

Niestabilne

j

ądro.

Niestabilne

j

ądro;

powstaj

ące w

reakcji

j

ądrowej w

cyklotronie.

6

C

Niestabilne
j

ądro; ilości

śladowe

obecne w

żywej materii.

Marek Sikorski

Radioaktywno

ść Naturalna

Cztery najwa

żniejsze mechanizmy rozpadu radioaktywnego:

1. rozpad

α

n.p.

212

208

4

83

81

2

Bi

Tl

α

⎯⎯

→

+

Cz

ąstkę

α stanowi jądro helu o

masie 4 i

ładunku 2+.

Tak jak we wszystkich reakcjach

JMSS - PX2512

18

2. rozpad

β

n.p.

12

12

0

5

6

1

B

C

e

−

−

⎯⎯

→

+

j

y

j

j

ądrowych, zarówno masa jak i

ładunek są zachowane.

β (lub β

-

) jest elektronem

wyrzuconym z j

ądra

W tej reakcji j

ądrowej jeden neutron

jest zamieniany na proton dla
zachowania

ładunku.

Marek Sikorski

4

Radioaktywno

ść Naturalna

3. Emisja pozytonu (

β

+

)

n.p.

12

12

0

7

6

1

N

C

e

+

⎯⎯

→

+

Gdy pozyton (

β

+

) jest wyrzucany z

j

ądra zwykle bardzo szybko zderza

si

ę z antycząstką (elektronem) w

otaczaj

ącym środowisku:

e

e

γ

+

−

+

→

JMSS - PX2512

19

4. Wychwyt elektronu

n.p.

55

0

55

26

1

25

Fe

e

Mn

−

−

+

⎯⎯

→

Wychwyt elektronu poci

ąga za sobą

emisj

ę promieniowania X jako strumień

elektronów przechodz

ących do niższych

stanów energetycznych w celu
zape

łnienia dziury powstałej po

wychwyconym elektronie.

(promienie X generalnie nie s

ą

zaliczane do radioaktywno

ści, chociaż

mog

ą powodować uszkodzenia o

charakterze promieniotwórczym.)

e

e

γ

+

⎯⎯

→

Marek Sikorski

Radioaktywno

ść Naturalna – przykład do analizy

Zrównowa

ż następujące reakcje rozpadu jądrowego i

zidentyfikuj stosownie emituj

ące cząstki.

1.

234

230

92

90

U

Th

⎯⎯

→

+

4

4

2

2

or

He

α

JMSS - PX2512

20

2.

3.

63

0

28

1

Ni

e

−

−

⎯⎯

→

+

36

36

17

16

Cl

S

+

⎯⎯

→

63

29

Cu

0
1

e

−

Marek Sikorski

Reakcje j

ądrowe – przykład do analizy

Reakcje j

ądrowe zostały zrównoważone w ten sam sposób,

ale mog

ą dotyczyć więcej niż jednego czynnika. Zrównoważ

nast

ępujące reakcje jądrowe i zidentyfikuj brakujące jądra lub

cz

ąstki.

1

14

4

17

7

2

8

N

He

O

+

⎯⎯

→

+

1

1

1

1

or

H

p

JMSS - PX2512

21

1.

2.

3.

239

4

1

94

2

0

Pu

He

n

+

⎯⎯

→

+

28

2

29

14

1

15

Si

H

P

+

⎯⎯

→

+

242

96

Cm

1

0

n

Marek Sikorski

Stabilno

ść jądrowa i mechanizmy rozpadu

Rozwa

żmy pewne znane izotopy węgla z ostatniego wykładu.

11

6

C

12

6

C

13

6

C

14

6

C

15

6

C

JMSS - PX2512

22

Stabilne j

ądro;

N/Z = 1

Stabilne j

ądro;

N/Z = 1.17

Nietrwa

łe

j

ądro;

N/Z = 1.5

zbyt wysokie

Nietrwa

łe

j

ądro

N/Z = 0.83
zbyt niskie

Nietrwa

łe

j

ądro;

N/Z = 1.33

zbyt wysokie

Marek Sikorski

Stabilno

ść jądrowa i mechanizm rozpadu

Ka

żde jądro ulega rozpadowi w kierunku strefy stabilności

poprzez zmian

ę stosunku N/Z przy stałej liczbie masowej.

11

11

0

6

5

1

C

B

e

+

⎯⎯

→

+

14

14

0

6

7

1

C

N

e

−

−

⎯⎯

→

+

N/Z zbyt niskie daje rozpad

β

+

.

N/Z zbyt wysokie daje rozpad

β

-

.

JMSS - PX2512

23

N/Z = 0.83

N/Z = 1.2

N/Z = 1.33

N/Z = 1.0

15

15

0

6

7

1

C

N

e

−

−

⎯⎯

→

+

N/Z = 1.5

N/Z = 1.14

N/Z = 1.11

N/Z = 1.2

lub równowa

żnie przez wychwyt elektronu.

55

0

55

26

1

25

Fe

e

Mn

−

−

+

⎯⎯

→

Marek Sikorski

Wielkość

Wielko

ść atomu Bohra zależy od liczby atomowej

Nukleony = protony + neutrony

= liczba masowa

Obj

ętość jądra atomowego jest proporcionalna do liczby

masowej

JMSS - PX2512

24

3

15

A

m)

10

x

(1.2

r

−

≈

)

(m

A

)

(1.2x10

3

4

r

3

4

V

3

3

15

3

−

=

=

π

π

Marek Sikorski

5

The sizes of atoms and the units

JMSS - PX2512

25

Masa

Spektrofotometr mas

JMSS - PX2512

26

1 atomowa jednostka masy (u.) = 1.6606 x 10

-27

kg =

931.5 MeV

W

ęgiel = 12.00000 u

m

N

= 1.6749 x 10

-27

kg = 1.0087 u

m

P

= 1.6726 x 10

-27

kg = 1.0078 u

Marek Sikorski

Gęstość

)

(m

A

)

(1.2x10

3

4

r

3

4

V

3

3

15

3

−

=

=

π

π

3

3

4

R

A

V

m

π

ρ

=

=

3

3

JMSS - PX2512

27

1 atomowa jednostka masy (u) = 1.6606 x 10

-27

kg

3

mm

ton /

000

200

=

ρ

Marek Sikorski