Atom zbudowany jest z dodatnio naładowanego jądra i zajmujących przestrzeń poza jądrem
elektronów.
Z A
E
Liczba atomowa Z określa liczbę protonów w jądrze atomu. Ponieważ atom to układ elektrycznie
obojętny, liczba ta określa również liczbę elektronów.
Liczba masowa A określa sumę protonów i neutronów (nukleonów) w jądrze atomu.
Liczba neutronów = A - Z
Cechy
Proton
Neutron
Elektron
Znajduje się w
Jądro atomowe
(nukleony)
Przestrzeń
wokółjądrowa
Oznaczenie
p
+
n
0
e
-
Masa
Ok. 1u (1,0073u)
= 1,67265 * 10
-
Ok. 1u (1,0087 u)
= 1,6748 * 10
-
Ok. 1/1836 u
= 9,1094 * 10
-
Ładunek elektr.
+
brak ładunku
-
Odkrywca
Ernest Rutherford
1911
James Chadwick
1934
Joseph Thomson
1897
Pierwiastek to zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej Z.
Izotopy to atomy o jednakowej liczbie atomowej Z (tego samego pierwiastka), a
różnej liczbie masowej A . np.
Pierwiastki mogą mieć po kilka, a nawet kilkanaście izotopów. Przykładowo
wodór
ma trzy naturalne izotopy:
prot:
1
H
– ma jeden proton i nie ma neutronów; trwały,
deuter:
2
H (D)
– ma jeden proton i jeden neutron; trwały,
tryt:
3
H (T)
– ma jeden proton i dwa neutrony; nietrwały.
Nuklidy to atomy należące do jednego izotopu danego pierwiastka to (mają taką
samą liczbę atomową Z i masową A).
Izobary to atomy, których jądra mają różną liczbę atomową Z, a jednakową liczbę
masową A .
np.
Izotony to atomy, których jądra mają różną liczbę atomową Z, a jednakową liczbę
neutronów.
izotopy - jadra o tej samej liczbie Z, różniące się liczbą neutronów np:
Atomowa jednostka masy to międzynarodowa jednostka masy atomowej
równa
1
/
12
masy atomu węgla
12
C:
1 u = 1,66 · 10
–27
kg = 0,166 · 10
–23
g
Masa atomowa to masa pojedynczego atomu wyrażona w atomowych
jednostkach masy u.
Masa cząsteczkowa to masa pojedynczej cząsteczki wyrażona w
atomowych jednostkach masy u. Stanowi sumę mas atomowych
wszystkich atomów wchodzących w skład cząsteczki.
Masa atomowa pierwiastka jest średnią ważoną mas atomowych
izotopów, wynikającą z procentowej zawartości poszczególnych izotopów
w naturalnej mieszaninie:
A
1
, A
2
, ... – liczby masowe poszczególnych izotopów
p
1
, p
2
, ... – procentowe zawartości poszczególnych izotopów
Jądra atomowe niektórych izotopów ulegają przemianom w jądra innych
izotopów w celu osiągnięcia trwałości. Aby to osiągnąć wypromieniowują
one rozmaite cząstki i fale elektromagnetyczne.
Promieniotwórczość
naturalna
polega
na
samorzutnej
emisji
promieniowania przez występujące w przyrodzie izotopy promieniotwórcze.
Promieniotwórczość sztuczna polega na bombardowaniu stabilnych
jąder atomowych protonami, jądrami deuteru, cząstkami alfa lub
neutronami, w wyniku którego jądro to zamienia się w inny rozpadający się
izotop.
Niestabilność jąder niektórych pierwiastków wynika ze zbyt dużej
lub zbyt małej liczby neutronów w jądrze.
Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – pierwiastki lub odmiany
pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie
ulegają przemianie promieniotwórczej.
Pierwiastki promieniotwórcze to pierwiastki chemiczne, których wszystkie
izotopy są radioaktywne (promieniotwórcze).
Znanych jest około 2300 nuklidów promieniotwórczych, tylko kilkadziesiąt
spośród nich występuje w przyrodzie.
Naturalne pierwiastki promieniotwórcze to przede wszystkim nuklidy o liczbie
atomowej Z > 83.
0
1
1
1
1
0
p
n
4
2
4
2
Y
X
A
Z
A
Z
0
1
1
X
X
A
Z
A
Z
Prawo przesunięć (reguła Soddy’ego - Fajansa )
Opisuje
ono,
w
jaki
sposób
określony
typ
przemiany
izotopu
promieniotwórczego wpływa na rodzaj wytworzonego nuklidu:
W przypadku przemiany α powstaje izotop o liczbie masowej mniejszej o 4 i
liczbie atomowej mniejszej o 2 (przesunięcie w układzie okresowym o 2
miejsca w lewo)
Y
X
A
Z
A
Z
4
2
Th
U
234
90
238
92
Y
X
A
Z
A
Z
1
Bi
Pb
212
83
212
82
W przypadku rozpadu β
-
powstaje nuklid o takiej samej liczbie masowej i o
liczbie atomowej większej o 1 (przesunięcie w układzie okresowym o 1
miejsce w prawo)
W przypadku przemiany β
+
powstaje nuklid czyli jądro pierwiastka o
liczbie atomowej mniejszej o 1oraz tej samej liczbie masowej (przesunięcie
w układzie okresowym o 1 miejsce w lewo)
Y
X
A
Z
A
Z
1
C
N
13
6
13
7
Cechy promieniowania wysyłanego przez izotopy
radioaktywne
Przemiana β
+
-
polega na emisji pozytonu pochodzącego z rozpadu protonu w jądrze
pierwiastka.
Przemianie tej ulegają jądra, w których znajduje się więcej protonów niż neutronów.
Podczas przemiany typu β
+
proton ulega rozpadowi na neutron, pozyton i
neutrino:
Wychwyt K
– to przeskok elektronu z powłoki K do jądra, w którym następuje połączenie
elektronu i protonu w neutron.
Reakcje jądrowe-
polegające na zderzeniu cząstki lub niewielkiego jądra z innym jądrem,
które przekształca się w nowe jądro, wyrzucając zwykle 1 lub kilka cząstek. Tak otrzymano
nie występujące w przyrodzie transuranowce.
4
2He +
23592
U
23894
Pu +
10
n
Rozszczepienie jądrowe
– polega na tym, że cząstka uderzająca w ciężkie jadro powoduje
jego rozpad na 2 podobne jądra średniej wielkości z równoczesnym uwolnieniem kilku
cząstek. Stosuje się je w elektrowniach jądrowych (w sposób kontrolowany) i w bombach
atomowych (sposób niekontrolowany).
10
n +
23592
U
14056
Ba +
9236
Kr + 4
10
n
Fuzja jądrowa-
polega na zderzeniu 2 jąder lekkich i utworzeniu nowego jądra z wyrzuceniem
małej cząstki. Fuzje zachodzą we wnętrzu gwiazd i podczas wybuchu bomb wodorowych.
2
1
H +
21
H
32
He +
10
n
UWAGA:
W reakcjach jądrowych musi zostać zachowana zasada zachowania masy izasada
zachowania ładunku oraz energii.
pełny zapis reakcji:
zapis skrócony:
0
1
1
0
1
1
n
p
0
1
1
Y
X
A
Z
A
Z
Proces samorzutnego rozpadu jąder pierwiastków radioaktywnych przebiega z
szybkością, którego nie umiemy żadnym działaniem fizycznym ani chemicznym
zmienić.
Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego charakterystyczny jest tzw.
okres półtrwania (T
1/2
), czyli przedział czasu, w którym pierwotna liczba
jąder N
o
maleje do połowy, tj. gdy: N = N
o
/2.
Reakcje jądrowe to reakcje I rzędu, więc okres półtrwania obliczamy:
T
1/2
= ln2/k =0,693/k , gdzie k - stała szybkości reakcji
Przykład Dla m = 10 g radonu o T
1/2
= 4 dni
W układzie SI jednostką aktywności jest bekerel (Bq) zdefiniowany jako jedna
przemiana na sekundę.
g
g
g
g
g
dni
dni
dni
dni
625
,
0
25
,
1
5
,
2
5
10
4
4
4
4
Bardzo często w przyrodzie procesy promieniotwórcze zachodzą w pewnym
określonym porządku.
Serię sekwencyjnych przemian promieniotwórczych α i β prowadzących do
powstania stabilnego izotopu nazywamy szeregiem promieniotwórczym.
Jest to szereg dziedzicznie powiązanych izotopów, w którym każdy powstaje w
wyniku rozpadu poprzedniego.
Wyróżniamy 4 ważne szeregi promieniotwórcze:
Uranowy – radowy
(zaczyna się izotopem uranu
238
U, a kończy trwałym
izotopem ołowiu)
Torowy
(zaczyna się izotopem technetu
232
Th, a kończy trwałym izotopem
ołowiu)
Uranowo – aktynowy
(zaczyna się izotopem uranu
235
U, a kończy trwałym
izotopem ołowiu)
Neptunowy
(zaczyna się izotopem neptunu, a kończy trwałym izotopem
bizmutu)
Trzy z nich - szereg uranowy, torowy i aktynowy - występują w środowisku
naturalnym.
Czwarty szereg promieniotwórczy, neptunowy, występował we wczesnym
okresie istnienia Ziemi, pojawił się jednak ostatnio ponownie na skutek
skażeń promieniotwórczych.
Szereg uranowo-radowy
Szereg uranowo-radowy
Izotop uranu,
238
U, ośmiokrotnie rozpada się na drodze rozpadu α i
sześciokrotnie na drodze rozpadu β zanim stanie się stabilnym izotopem
ołowiu-
206
Pb.