PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

NATURALNA

Spis treści

Budowa jądra atomowego
Siły jądrowe
Defekt masy
Trwałość jąder
Samorzutne przemiany jądrowe
Prawo przesunięć (reguła Soddy’ego i Fajansa)
Przykłady
Wychwyt K
Cechy promieniowania wysyłanego przez izotopy
radioaktywne
Szybkość rozpadu promieniotwórczego.
Przykłady
Szeregi promieniotwórcze
Pomiar promieniowania

Budowa jądra atomowego

Liczba ładunku jądra

atomu

(liczba porządkowa) równa jest liczbie

protonów w jądrze.
Liczba nukleonów w jądrze równa jest liczbie neutronów

i protonów

i nazywa się liczbą masową
A =

Jądro atomowe (nuklid) opisuje się przez podanie symbolu pierwiastka,
liczbę porządkową Z oraz liczbę masową A.

Liczba

masowa

Liczba

protonów

Liczba

neutronó

200

120

Izotopy pierwiastka

Nuklidy o takiej samej liczbie porządkowej

( tej samej ilości

protonów) lecz różnej ilości neutronów

Siły jądrowe

Z prawa Coulomba wynikałoby, że cząstki (protony, neutrony)
nigdy nie powinny tworzyć układów trwałych, lecz samorzutnie
oddalać się od siebie.
Z tego wynika wniosek, że w jądrach atomowych muszą działać
siły przyciągania się cząstek składowych, które przeciwdziałają
odpychaniu się protonów.
Ten rodzaj sił określa się jako

siły jądrowe

Są one znacznie potężniejsze od sił elektrycznych, magnetycznych
czy grawitacyjnych, mają zasięg działania rzędu promienia jądra i
nie są zależne od ładunku.

Defekt masy

Masa jądra jest nieco mniejsza od sumy mas tworzących go
nukleonów, ponieważ w trakcie tworzenia jądra z pojedynczych
nukleonów wydziela się znaczna ilość energii powodując
równoważny ubytek masy ( E = mc

Różnica między obliczoną poprzez sumowanie mas cząstek Σm, a
masą atomową nuklidu wyznaczoną doświadczalnie nosi nazwę

defektu masy.

Δm =Σ m ─ A

Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest
równy energii wiązania jądra

E = m  c

Trwałość jąder

Im większy jest defekt masy, im większa jest energia wiązania tym
bardziej stabilne jest powstałe jądro atomowe.

Siły jądrowe, które są dominujące, nie dają się ująć prostymi formułami
i dlatego nie da się podać prostego przepisu na liczby protonów i
neutronów tworzące trwały układ.

Aby jądro było trwałe muszą być w nim zachowane odpowiednie
proporcje między liczbą neutronów i protonów

 Trwałe izotopy lekkich pierwiastków mają takie same lub niewiele
różniące się liczby neutronów i protonów

≈1.Jest jednak wiele

wyjątków, np. technet, promet i protaktyn nie mają żadnego trwałego
izotopu.
Za nuklid trwały uznaje się taki, którego czas połowicznego rozpadu
wynosi więcej niż 1 × 10

lat.

Łączna liczba trwałych nuklidów jest równa 272

Najcięższym trwałym nuklidem jest bizmut (

209

Bi).

Jądra z Z > 83 nie są już trwałe (wszystkie pierwiastki za bizmutem
mają tylko izotopy promieniotwórcze).

Ciekawostka

Spośród 272 trwałych nuklidów 161 jest zbudowanych z parzystej liczby
protonów i parzystej liczby neutronów, 105 zawiera parzystą liczbę
jednego z nukleonów, natomiast jedynie w 6 przypadkach jądro jest
zbudowane z nieparzystej liczby protonów i nieparzystej liczby
neutronów.
Szczególną trwałością charakteryzują się jądra o liczbach protonów lub
neutronów równych; 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (są to tzw. liczby
magiczne) nazywane magicznymi jądrami; pośród nich najtrwalsze są
jądra podwójne magicznie, np.

He,

Ca,

208

Jądra atomowe niektórych izotopów ulegają samoistnym przemianom w
jądra innych izotopów lub pierwiastków w celu osiągnięcia trwałości.

Aby to osiągnąć wypromieniowują one rozmaite cząstki i fale
elektromagnetyczne.

Niestabilność jąder niektórych pierwiastków wynika ze zbyt dużej lub
zbyt małej liczby neutronów w jądrze. Siły wzajemnego przyciągania się
nukleonów (siły jądrowe) są wtedy mniejsze niż siły odpychania się
protonów i jądro ulega samorzutnemu rozpadowi.

Nadmiar neutronów lekkich izotopów objawia się promieniowaniem β−,
zaś ich niedomiar promieniowaniem β+.

Cięższe izotopy zawsze α-promieniują.

Przemiany jądrowe to procesy zachodzące w jądrach atomowych.
W ich wyniku powstają jądra atomowe innych pierwiastków, innych
izotopów tego samego pierwiastka lub jądra tego samego izotopu w
innym stanie energetycznym.

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.
Ze względu na pochodzenie izotopy radioaktywne możemy
podzielić na 4 kategorie:

Izotopy pierwotne, których czas półrozpadu ma wartość

przekraczającą 0,5 mld lat,. Powstały wraz z materią tworzącą

Ziemię.
Najbardziej rozpowszechnione to -

238

232

Izotopy wtórne, powstałe w wyniku rozpadów

promieniotwórczych izotopów należących do pierwszej kategorii.

Najważniejsze to -

226

Ra,

228

Ra,

222

Rn,

220

Rn,

210

Pb.

Izotopy kosmogeniczne, tworzące się pod wpływem

promieniowania kosmicznego, jak również w reakcjach

jądrowych. Radionuklidy kosmogeniczne

Be,

Al,

Cl,

Kr,

Si,

Ar,

Na,

Ar,

Mg,

Na,

Si,

Cl,

34m

Radioizotopy sztuczne

Samorzutne przemiany jądrowe

Cząstki emitowane z jąder w trakcie rozpadu promieniotwórczego
tworzą promieniowanie jądrowe uwalniane na zewnątrz.

Wyróżniamy trzy podstawowe naturalne przemiany jądrowe: α,
β i γ.

Przemiana β

Polega na emisji pozytonu pochodzącego z rozpadu protonu w jądrze
pierwiastka, który ulega przemianie.
Przemianie tej ulegają jądra, w których znajduje się więcej protonów niż
neutronów. Podczas przemiany typu β

proton ulega rozpadowi

na neutron, pozyton i neutrino:



















 Y

Przemiana β

Polega na emisji elektronu pochodzącego z rozpadu neutronu w jądrze
pierwiastka, który ulega przemianie.
Przemianie tej ulegają jądra, w których znajduje się więcej neutronów
niż protonów. Podczas przemiany β

neutron ulega przemianie w

proton, elektron i antyneutrino.



















 X

Przemiana α

Polega na wysłaniu cząstek α, czyli jąder helu

(

) ,

pochodzących z jąder pierwiastków ulegających przemianie.
Przemianie tej ulegają głównie ciężkie pierwiastki o liczbie
atomowej od 83









A
Z

Promieniowanie γ

Ponieważ rozpad α oraz oba rozpady β prowadzą do
wzbudzonego stanu konfiguracji elektronowej, to aby przejść
ze stanu wzbudzonego na mniej wzbudzony, lub podstawowy
atom musi pozbyć się nadmiaru energii. W tym celu emituje
on

kwant energii, w postaci fali elektromagnetycznej (hν),

nazywamy promieniowaniem γ właśnie. Jest to kolejny typ
promieniowania jądrowego, który towarzyszy prawie
wszystkim pozostałym procesom promieniotwórczym.

Prawo przesunięć (reguła Soddy’ego i 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 cztery i liczbie atomowej mniejszej o dwa (przesunięcie w
układzie okresowym o dwa miejsca w lewo)

A
Z





234

238









W przypadku rozpadu β

powstaje nuklid izobaryczny o takiej samej

liczbie masowej i o liczbie atomowej większej o jeden (przesunięcie w
układzie okresowym o jedno miejsce w prawo)

212





W przypadku przemiany β

powstaje nuklid izobaryczny czyli

jądro pierwiastka o liczbie atomowej mniejszej o jeden oraz tej
samej liczbie masowej (przesunięcie w układzie okresowym o jedno
miejsce w lewo)





Przykłady

235

239

































A = 239 -4; Z = 94 - 2

A = 14 – 0; Z = 6 + 1 =
7

p → n

A = 13 – 0; Z= 7 – 1 = 6

n →p

Wychwyt K

Przemiany jądrowe mogą zachodzić także przy współudziale
elektronów ze strefy pozajądrowej.

Wychwyt K polega na tym, że elektron z powłoki najbliższej jądru
zobojętnia jeden proton w jądrze (p + e--› n), więc liczba masowa
atomu nie zmienia się, a liczba atomowa zmniejsza się o jeden.



















Cechy promieniowania wysyłanego przez izotopy
radioaktywne

Papier

Aluminium

Ołów



Cząstki α oddziaływają z polem elektrycznym (są przyciągane do

elektrody ujemnej) i magnetycznym (odchylają się w kierunku
prostopadłym do linii pola magnetycznego i kierunku ruchu).



Cząstki α są, w porównaniu z innymi cząstkami emitowanymi w

procesach promieniotwórczych, obdarzone dużą masą.



Są naładowane elektrycznie ładunkiem dodatnim o wartości

podwójnego ładunku elektronu.



Bardzo chętnie oddziałują z materią (jonizują atomy i cząsteczki).



Ich zasięg jest bardzo ograniczony (w powietrzu sięga kilku

centymetrów, w ciałach stałych i cieczach jest rzędu ułamków
milimetra).



Pochłanianie cząstek α przez materię polega na wychwytywaniu

przez nie elektronów i tworzeniu obojętnych atomów helu, po
wcześniejszym ich spowolnieniu w wyniku zderzeń.

Cząstki α (alfa)

Po odkryciu w 1932 roku przez Carla Andersona pozytonu, cząstki
podobnej do elektronu, lecz o przeciwnym znaku, i przemian
jądrowych z jej udziałem, zaczęto różnicować cząstki β na znane
wcześniej elektrony (cząstki β

) i nowe pozytony (określane jako

cząstki β

Cząstki β

Następuje rozpadu protonu na neutron, pozyton (β

) i neutrino

elektronowe.
Jego skutkiem jest utrata protonu, pozyskanie neutronu oraz
wydzielanie strumienia pozytonów (e

→ n

+ e

+ νe

Cząstki β

Są to elektrony, identyczne co do właściwości i natury z tymi
znajdującymi się na orbitalach wokół jąder atomów. W naturalnych
przemianach jądrowych powstają jako efekt rozpadu neutronu na
proton, antyneutrino elektronowe i właśnie elektron.

→ p

+ e

−

νe



Cząstki β ulegają odchyleniu w polu elektrycznym (przyciągane do

elektrody o przeciwnym znaku) i magnetycznym (wskutek działania
siły elektrodynamicznej, w kierunku prostopadłym do pola
magnetycznego i toru ruchu).
Chętnie oddziałują z materią (wyłapywane jako swobodne elektrony
przez atomy i cząsteczki; przenikanie do jąder atomów, inicjując
przemianę jądrową odwrotną do rozpadu β).
Przenikliwość promieniowania β nie jest wysoka, zasięg w powietrzu
jest rzędu kilku - kilkudziesięciu centymetrów.

Cząstki β (beta)



Jest to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego.



Promieniowanie γ ma energię biliony razy wyższą niż fale radiowe!



Przy tak wysokich energiach, promieniowanie zachowuje się bardziej

jak cząstka niż fala. Tak więc promieniowanie γ, składa się z
wysokoenergetycznych fotonów - kwantów γ.



Kwanty γ nie mają ładunku elektrycznego, również nie mają masy

spoczynkowej.



Jako neutralne elektrycznie, bez masy spoczynkowej, ale o wielkiej

energii, kwanty γ są niezwykle przenikliwe (bez trudu przenikają przez
ciała stałe, nawet o grubości liczonej w metrach).



Promieniowanie γ (podobnie jak α i β) ma charakter jonizujący

Promieniowanie γ ( gamma)

Szybkość rozpadu promieniotwórczego

Proces samorzutnego rozpadu jąder pierwiastków radioaktywnych
przebiega z szybkością, którego nie umiemy żadnym działaniem
fizycznym ani chemicznym zmienić.

Czas połowicznego zaniku (okres półtrwania, półrozpadu)

Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego charakterystyczny jest
tzw. okres półtrwania (T

1/2

), czyli przedział czasu, w którym

pierwotna liczba jąder N

maleje do połowy, tj. gdy: N = N

/2.

W układzie SI jednostką aktywności jest bekerel (Bq) zdefiniowany jako

jedna przemiana na sekundę.

Dla

210

Po czas połowicznego

rozpadu wynosi 138 dni to
znaczy, że po upływie tego
czasu pozostanie tylko
połowa pierwotnej liczby
jąder polonu.

Po upływie dalszych 138 dni
pozostanie połowa z tej
połowy itd..

Dla m = 10 g radonu o T

1/2

= 4 dni

dni

625









Przykłady

W czasie 34 h przechowywano izotop Sr-81 o okresie półtrwania τ½ =
8,5 h. Początkowa ilość izotopu wynosiła 10 mg. Ile izotopu pozostało po
upływie czasu przechowywania?

Dane: t = 34h; m

o =

10 mg; T

1/2

= 8,5h; m = ?

Rozwiązanie 1:

34 godziny przechowywania oznacza czterokrotny czas półtrwania.
Następuje więc czterokrotny (34 : 8,5 = 4) połówkowanie próbki strontu
czyli kolejno – 1) 10:2=5; 2) 5:2=1,25; 3) 2,5:2=1,25; 4) 1,25:2=0,625
mg Sr.

Po okresie przechowywania pozostało 0,625 mg Sr

Rozwiązanie 2







m = 10mg × 2

-34 / 8,5

m = 10mg × 2

-4

m = 10mg × 1/16 = 0,625
mg

Okres półtrwania izotopu 24Na ulegającego rozpadowi β, wynosi 14,8

godziny. Jaka ilość 24Mg powstanie z 12 g

Na: a/ po upływie 10 h;

b/ po całkowitym rozpadzie promieniotwórczym tej ilości izotopu
sodu.

Dane:
T

1/2

= 14,8 godzin m

= 12 g t1= 10 h

Jako, że rozpad beta nie wiąże się ze zmianą masy, z rozpadu 12g sodu

powstanie 12 g magnezu. Uwzględniając wartość czasu
połowicznego rozpadu, przy założeniu liniowej zależności ilości
powstałego sodu z czasem, można obliczyć ilość powstałego
magnezu:

po upływie 14,8 h powstaje 0,5 · 12g = 6 g Mg
po upływie 10 h powstaje

x g Mg

x = 4,05 g magnezu

Po upływie 10 godzin powstanie 4,05 g magnezu

Szeregi promieniotwórcze

Bardzo często w przyrodzie procesy promieniotwórcze zachodzą w

pewnym określonym porządku.

Serię

sekwencyjnych

przemian

promieniotwórczych

prowadzących do powstania stabilnego izotopu nazywamy szeregiem
promieniotwórczym.

Jest to szereg dziedzicznie powiązanych izotopów w którym każdy

powstaje w wyniku rozpadu poprzedniego

Wyróżniamy cztery ważne szeregi promieniotwórcze:

Uranowy – radowy

(zaczyna się izotopem uranu 238U, a kończy trwałym

izotopem ołowiu)

Torowy

(zaczyna się izotopem technetu 232Th, a kończy trwałym izotopem

ołowiu)

Uranowo – aktynowy

(zaczyna się izotopem uranu 235U, 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 (czas połowicznego zaniku

237

równy jest 2,2 mln lat) - pojawił się jednak ostatnio ponownie na
skutek skażeń promieniotwórczych izotopem

241

Pu (rozpada się on na

241

Am, a następnie

237

Np, co zapoczątkowuje wspomniany szereg).

Szereg uranowy

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.

Szereg torowy

Szereg rozpoczyna się rozpadem izotopu toru 232Th o okresie
półtrwania 14 miliardów lat a kończy na stabilnym ołowiu
208Pb. Szereg jest opisanym wzorem 4n + 0 i należy do niego
12 nuklidów.

Szereg aktynowy

Szereg rozpoczyna się rozpadem izotopu uranu 235U o okresie
półtrwania wynoszącym 700 milionów lat a kończy na
stabilnym ołowiu 207Pb.

Pomiar promieniowania

Licznik Geigera
Detektor lub układ do zliczania cząstek lub fotonów promieniowania
jonizującego. Zazwyczaj jest to wypełniony gazem cylinder,
wewnątrz którego umieszczono cienki drut spolaryzowany wysokim
napięciem (anoda). Jonizując gaz wewnątrz cylindra cząstka
powoduje wyładowanie elektryczne, które można zarejestrować.
Spadek napięcia anodowego przerywa wyładowanie i powoduje
powrót po upływie określonego czasu martwego do stanu
wyjściowego.