Procesy jądrowe

Procesy rozpadu jądrowego Rozpad alfa Rozpad beta Rozpad beta minus Rozpad beta plus Wychwyt elektronu Emisja gamma Emisja neutronu Emisja protonu Rozszczepienie jądra atomowego Procesy syntezy jądrowej Wychwyt neutronu Proces R Proces S Wychwyt protonu Proces P

Przemiany jądrowe to procesy zachodzące w jądrach atomowych w wyniku których powstają inne jądra atomowe.

Naturalne przemiany jądrowe opisuje tabelka. Przemiany jądrowe zachodzą też w wyniku pobudzenia jądra atomowego np. spalacja

Rozpad alfa (przemiana α) - przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu ⁴He). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadajace się jądra to promieniowanie alfa.

Zapis reakcji rozpadu jądra atomu uranu 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 energię kinetyczną około 5 MeV, 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 przyciagania 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 to przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżniamy dwa rodzaje tego rozpadu: rozpad β ⁻ (beta minus) oraz rozpad β ⁺ (beta plus).

Rozpad β ⁻ polega na przemianie neutronu w proton poprzez emisję bozonu pośredniczącego W ⁻ przez jeden z kwarków d neutronu. W ⁻ rozpada się następnie na elektron i antyneutrino elektronowe według schematu:

Rozpad β ⁺ polega na przemianie protonu w neutron, jednak aby reakcja ta mogła zaistnieć konieczne jest dostarczenie energii z zewnątrz. Proton przemienia się w neutron poprzez emisję bozonu W ⁺ , który rozpada się na pozyton oraz neutrino elektronowe według równania:

Rozpad β ⁻ występuje częściej, ponieważ jest to przemiana cięższego neutronu w lżejszy proton. Może on więc zajść w próżni, w przeciwieństwie do rozpadu β ⁺ , który zachodzi tylko wewnątrz materii jądrowej.

W 1935 roku Maria Goeppert - Mayer przewidziała istnienie procesu podwójnego rozpadu beta, a 1939 roku Wolfgang Furry zaproponował istnienie podwójnego rozpadu beta bez emisji neutrin (tzw. podwójny bezneutrinowy rozpad beta)

Poniższy diagram Feynmana obrazuje rozpad β ⁻ :

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 (tryt)

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 jądrze rozpada się na 1 elektron, 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 jonizacja atomu.

Wychwytowi elektronu towarzyszy też emisja promieniowania gamma przez jądro atomowe.

Emisja gamma jest to przemiana jądrowa podczas której emitowane jest tylko promieniowanie gamma, a nie są emitowane inne cząstki. Przykładem takiej przemiany jest opisany niżej dwuetapowy rozpad kobaltu.

Najpierw kobalt 60 przekształca się w nikiel 60 w wyniku przemiany beta:

Powstałe jądro niklu jest wzbudzone (ma energię większą od energii takiego jądra w stanie podstawowym), po pewnym czasie jądro to emituje foton promieniowania gamma przechodząc do stanu podstawowego:

Do emisji gamma dochodzi jeżeli energia wzbudzenia jądra atomowego jest mniejsza od energii wiązania ostatniego nukleonu. Jeżeli energia wzbudzenia jądra jest znacznie większa od energii wiązania ostatniego nukleonu, to większość rozpadów jądra następuje przez emisję nukleonu.

Promieniowanie gamma towarzyszy też prawie każdej przemianie jądrowej, ale przemiany te nie są określane jako przemiany gamma. Badając energie i kierunki (pędy) składników rozpadu można określić czy rozpad odbywa się jednoetapowo, czy jest to kilka rozpadów.

Emisja neutronu to przemiana jądrowa podczas której dochodzi do emisji neutronu z jądra atomowego. Proces taki zachodzi na przykład w izotopach beryl-13 i węgiel-14.

Rozpad protonowy - przemiana jądrowa jądra atomowego podczas której emitowany jest proton. Ze względu na krótki czas życia jąder ulegających temu procesowi - poniżej sekundy - nie występują one w sposób naturalny w przyrodzie, są jednak wytwarzane w laboratoriach. Pierwsze jądro emitujące protony ze stanu podstawowego (Lu-151) zostało odkryte w roku 1981 w ośrodku GSI w Niemczech. Wcześniej znane były przypadki emisji protonowej ze stanów izomerycznych (np. jądro Co-53). Znane do tej pory jądra będące emiterami protonów umiejscowione są w obszarze tzw. ziem rzadkich.

Rozpad protonowy należy wyraźnie odróżnić od emisji protonów opóźnionych, która najczęściej zachodzi po po rozpadzie beta. W tym przypadku jądro powstałe w wyniku rozpadu znajduje się w stanie wzbudzonym i deekscytuje poprzez emisję protonu.

Przykłady izotopów, które ulegają rozpadowi protonowemu Eu-131, Ho-141, Tm-145, Cs-112.

Przykładowy schemat rozpadu

Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/Emisja_protonu"

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.

Jądra atomowe ulegają rozszczepieniu zarówno w sposób samoistny, jak i w wymuszony. W tym drugim przypadku rozszczepiają się w wyniku bombardowania neutronami, protonami, kwantami gamma lub innymi cząsteczkami.

Największe praktyczne znaczenie ma rozszczepienie wymuszone wywołane bombardowaniem neutronami (w energetyce i wojskowości; patrz też niżej). Do istotniejszych zastosowań rozszczepień samorzutnych należą metody datowania izotopowego. Metodą łączącą oba aspekty jest analiza aktywacyjna.

Zazwyczaj rozszczepienie jądra atomowego nie jest jedyną możliwością rozpadu. Konkurują z nim inne dozwolone energetycznie procesy jądrowe takie jak emisja kwantów gamma, emisja neutronu i inne.

Przekrój czynny na rozszczepienie (prawdopodobieństwo zajścia zjawiska) w wyniku bombardowania neutronami zależy od energii neutronów oraz rodzaju jądra atomowego. Ogólnie, wraz ze wzrostem energii neutronów, zwykle następuje spadek wartości przekroju czynnego na rozszczepienie. Niektóre jądra (233U, 235U, 239Pu) rozszczepiają się przy dowolnej energii neutronów, w tym powolnych neutronów termicznych (są to jądra ciężkich pierwiastków, dla których reakcja ta jest egzoenergetyczna). Wiele innych jąder (np. 232Th, 238U) rozszczepia się gdy energia neutronów jest większa od energii progowej (są to jądra ciężkich pierwiastków, dla których reakcja ta jest endoenergetyczna). Po jej przekroczeniu (dla 238U ok. 1MeV) następuje skokowy wzrost wartości przekroju czynnego na rozszczepienie.

Pojedynczy akt rozszczepienia jądra atomowego może w sprzyjających warunkach indukować (poprzez emitowane neutrony) dalsze rozszczepienia, prowadząc do reakcji łańcuchowej, co znalazło zastosowanie w reaktorze jądrowym i bombie atomowej (pośrednio również bombie wodorowej i neutronowej ze względu na sposób inicjalizacji syntezy jądrowej w tych bombach)

Wymuszone rozszczepienie uranu

Z praktycznego punktu widzenia największe znaczenie mają własności rozszczepienia jąder, które ulegają rozszczepieniu już przy bombardowaniu neutronami o małej energii.

Zjawisko rozszczepienia jądra atomowego odkryli w 1938 r. Otto Hahn i Fritz Straßmann.

Reakcja termojądrowa, synteza jądrowa lub fuzja jądrowa - zjawisko polegające na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe, często z uwolnieniem się dużej ilości energii. Większość energii wydzielonej w wyniku reakcji jako energia kinetyczna produktów i promieniowanie gamma, zostaje rozproszona na otaczających atomach i przekształca się na energię cieplną.

Energię wydzielajacą się podczas reakcji można obliczyć bez przeprowadzania reakcji na podstawie deficytu masy czyli różnicy mas składników i produktów reakcji.

Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny i dlatego się odpychają - aby doszło do ich połączenia muszą zbliżyć się na tyle, by siły oddziaływań jądrowych pokonały odpychanie elektrostatyczne. Niezbędnym warunkiem do tego jest prędkość (energia) jąder. Wysoką energię jąder uzyskuje się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akceleratorach cząstek.

Przedrostek termo pochodzi od głównego sposobu, w jaki wywoływana jest ta reakcja, w gwiazdach i bombie wodorowej, czyli przez podniesienie temperatury do kilkunastu milionów kelwinów, reakcja może też przebiegać w wyniku zderzania rozpędzonych jader atomowych, wówczas nazywana jest zimną fuzją.

Reakcja termojądrowa jest głównym źródłem energii gwiazd i przemian we Wszechświecie.

[edytuj] Reakcje termojądrowe w gwiazdach

[edytuj] Cykl protonowy

W niezbyt masywnych gwiazdach ciągu głównego podstawową reakcją jest synteza jądra helu. Aby synteza nastąpiła, jądra wodoru (protony) muszą się zbliżyć na odległość zasięgu oddziaływania jądrowego (około 1 fm = 10^-13 cm). Protony odpychają się jednak elektrostatycznie, a zatem muszą pokonać barierę potencjału o wartości około E = 1 MeV. Taką energię termiczną mają cząstki o temperaturze 10¹⁰ K. Tak wysokiej temperatury nie ma we wnętrzu gwiazd, ale przebieg zjawiska w niższej temperaturze tłumaczy zjawisko tunelowe.

Proces syntezy helu z wodoru przebiega w wyniku kilku procesów:

Proces ten jest konsekwencją oddziaływań słabych (wymiany bozonu W). Podczas syntezy następuje odwrotny rozpad β:

.

Reakcja ta, jako konsekwencja oddziaływań słabych, jest bardzo powolna. Powoduje to, że gwiazdy świecą długo, a nie spalają się w jednej chwili, lecz w ciągu milionów czy miliardów lat. W wyniku tej reakcji i w wyniku oddziaływania jądrowego tworzy się deuter:

Reakcja ta jest niezmiernie wolna. Następna reakcja:

prowadzi do powstania izotopu helu, po którym następuje fuzja dwóch jąder helu:

Opisany powyżej ciąg reakcji jądrowych zwany jest cyklem wodorowym. W pojedynczym cyklu tworzenia 1 jądra helu z 4 protonów emitowane jest 26,7 MeV energii i jest to główne źródło energii gwiazd. Część energii jest tracona przez uchodzące neutrina (1,6 MeV).

Zderzające się jądra mają zazwyczaj energię mniejszą od energii potrzebnej do pokonania bariery potencjału elektrycznego, ale przenikają przez nią na skutek zjawiska kwantowego zwanego efektem tunelowym. W wyniku syntezy produkowane są nowe jądra, neutrina i fotony. Wysokoenergetyczne fotony przekazują najpierw energię materii gwiazd, podgrzewając ją, aby po pewnym czasie jako promieniowanie cieplne wydostać się z gwiazdy. Niemal wszystkie neutrina opuszczają wnętrza gwiazd bez zderzeń z materią gwiazdy. Dla fotonów środowisko wnętrza gwiazdy nie jest przezroczyste. Średnia droga swobodna wysokoenergetycznego fotonu we wnętrzu Słońca wynosi około 10 ^{− 3} m. Wydostawanie się energii z wnętrza gwiazdy na zewnątrz następuje w wyniku promieniowania wysokoenergetycznego, promieniowania cieplnego oraz konwekcji gazu w gwieździe. Na procesy te wpływa też zmiana ruchu cząstek w polu magnetycznym.

Reakcje syntezy cyklu wodorowego nastąpiły w młodym Wszechświecie (kosmologia) podczas procesu nukleosyntezy. Podczas ekspansji Wszechświata rosła objętość (V(t) = a³(t)V₀, a(t) jest czynnikiem skali), malała temperatura
, tak że gęstość entropii była stała. Oznacza to, że w pewnym okresie istniały warunki odpowiednie do syntezy lekkich pierwiastków. Zjawiskiem tym tłumaczy się stały stosunek ilościowy wodoru do helu w obłokach kosmicznych. W przeciwieństwie do gwiazdy, gdy temperatura jest w wyniku równowagi stała, w młodym Wszechświecie temperatura ciągle spadała (i spada nadal).

[edytuj] Cykl węglowo-azotowo-tlenowy

Dla bardziej masywnych gwiazd ciągu głównego, takich jak Syriusz A, zachodzi cykl węglowo-azotowy. Wymaga on obecności jąder ¹²C jako katalizatora. Cykl składa się z reakcji:

W procesie tych reakcji wyłaniana jest energia 23,8 MeV. Około 98,4% energii w Słońcu jest produkowane w wyniku cyklu wodorowego, a tylko 1,6% w wyniku cyklu węglowo-azotowego. Znaczenie tego ostatniego cyklu wzrasta, gdy temperatura gwiazdy jest wyższa.

Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/Reakcja_termoj%C4%85drowa"

PROMIENIOTWÓRCZE PRZEMIANY , rozpad promieniotwórczy

przebiegające spontanicznie, niezależnie od zewn. czynników fiz. i chem., procesy polegające na zmianie składu nukleonowego jądra atomowego lub zmianie stanu energetycznego tego jądra, przejawiające się emisją promieniowania jądrowego; gł. p.p. to: PRZEMIANA α - rozpad jΉdra atomowego połączony z emisją cząstki α, w wyniku której jądro traci dwa protony i dwa neutrony, jego liczba atomowa Z zmniejsza się o 2, liczba zaś masowa A o 4 (prawo przesunięć lub inaczej reguła Soddy'ego i Fajansa), przemianie α ulegają niemal wyłącznie jądra ciężkie będące nie tylko (choć gł.) w stanie podstawowym, lecz także wzbudzonym; PRZEMIANA β mogΉca występować w trzech wariantach: PRZEMIANA β^-, podczas której neutron w jądrze przemienia się w proton, a towarzyszy temu emisja elektronu ujemnego (negatonu) e^- i antyneutrina ν; PRZEMIANA β^+ polegająca na przemianie protonu w jądrze w neutron i emisji elektronu dodatniego (pozytonu) e^+ i neutrina υ; WYCHWYT ELEKTRONOWY - pochwycenie przez jądro elektronu z jednej z powłok orbitalnych atomu (najczęściej z powłoki K, tzw. wychwyt K), z towarzyszącą temu emisją neutrina υ; w przemianach β liczba atomowa Z zmienia siκ o 1 (w przemianie β - wzrasta, w przemianie β^+ i wychwycie - maleje), natomiast liczba masowa A we wszystkich wariantach pozostaje niezmienna; PRZEMIANA γ, podczas ktσrej następuje przejście jądra ze stanu o wyższej energii wzbudzenia do stanu wzbudzonego o energii niższej, bądź do stanu podstawowego, a towarzyszy temu emisja kwantu promieniowania γ; KONWERSJA WEWNĘTRZNA - przejście jądra ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii, podczas którego energia przejścia nie jest emitowana w formie fotonu γ, lecz przejmuje ją jeden z elektronów z powłoki atomowej w konsekwencji podlegający emisji, przy czym przy odpowiednim poziomie energii przejścia jądrowego może wystąpić konwersja wewnętrzna z emisją pary elektron-pozyton; zarówno przemiana γ jak i konwersja wewnętrzna przebiegają bez zmiany liczby atomowej Z i liczby masowej A i dlatego nazywane są rozpadami izomerycznymi; ROZSZCZEPIENIE SAMORZUTNE - rozpad jąder atomowych na dwa (rzadziej trzy) jądra lżejsze o porównywalnych masach, połączony z emisją neutronów; zachodzi tylko w jądrach ciężkich. Promieniowanie związane z p.p. emitują zarówno pierwiastki promieniotwórcze występujące w przyrodzie w warunkach naturalnych (np. tor, uran), jak i wytworzone sztucznie w wyniku reakcji jądrowych (np. neptun). Podstawowe naturalne p.p. zostały odkryte przez A.H. Becquerela, a następnie zbadane przez M. Skłodowską-Curie i P. Curie.

---