PROMIENIOWANIE (WSTĘP)

Jądro atomowe

Jądro atomowe charakteryzuje się dodatnim ładunkiem elektrycznym. Wartość liczbowa tego ładunku Z stanowi wielokrotność bezwzględnej wartości ładunku elektronu Q = Ze; wiel­kość Z, zwana liczbą atomową (liczbą ładunku), równa się numerowi porządkowemu pierwiastka w układzie okresowym Mendelejewa.

Inną cechę charakterystyczną jądra atomowego stanowi jego masa mj. Jest ona związana z masą atomową pierwiastka. W rzeczywistości większość pierwiastków ma po kilka izotopów, tj. po kilka rodzajów atomów o różnych masach przy tej samej liczbie atomowej Z.

Większość pierwiastków chemicznych występuje w postaci dwu lub większej liczbie typów atomów, różniących się między sobą liczbą atomów w jądrze.

Wyróżniamy np. trzy typy atomów wodoru (H), pięć typów atomów węgla (C) oraz 16 typów ołowiu (Pb) .

Te różne typy atomów jednego i tego samego pierwiastka nazywane są IZOTOPAMI (isos = równy, topos = miejsce), ponieważ zajmują one to samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków.

Wszystkie izotopy danego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów, lecz różnią się liczbą neutronów w jądrze.

Aczkolwiek izotopy danego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne, można je rozróżnić stosując właściwości fizyczne.

Niektóre są radioaktywne, wobec tego można je wykrywać i określić ilościowo na podstawie intensywności promieniowania.

Inne izotopy można rozróżniać na podstawie nieznacznych różnic w masie atomowej spowodowanych obecności dodatkowego neutronu w jądrze.

Przez masę atomową M jakiegoś czystego izotopu danego pierwiastka będziemy rozumieć stosunek masy mM jego atomu do 1/16 m0, gdzie m0 oznacza masę najbardziej rozpowszechnionego (a zarazem najlżejszego) izotopu tlenu.

Masę atomową tego izotopu tlenu przyjmuje się w ten sposób za równą 16,00000. Określone w ten sposób masy atomowe czystych izotopów wyznacza się przy pomocy pomiarów na spektrografie masowym.

bezwzględna (w gramach) masy izotopu tlenu o masie ato­mowej M = 16 można wyznaczyć, znając jego masę cząsteczkową ၭ (równą 16) i liczbę Avogadra,

m0 = ၭ/N = 16.00/6.023 x 1023 = 26.576 x 10-27 [kg]

Jednostce masy atomowej odpowiada masa:

26.576 x 10-24 / 16 = 1.662 x 10-27 [kg]

jest to tzw. jednostka masy atomowej.

Stad wartość bezwlędna masy mM atomu danego izotopu wyznacza się ze wzoru:

mM = 1.662 x 10-27 M [kg]

Ponieważ masa elektronu jest prawie dwa tysiące razy mniejsza od masy jądra, więc masa jądra mj dowolnego izotopu niewiele różni się od masy całego atomu mM.

me = 9.31 x 10-31 kg

Ponieważ E = mc2 i biorąc pod uwagę zależności powyższe możemy określić zależność, że jednostka masy równoważna jest 931 MeV energii; znajomość tej wielkości pozwala nam przeliczać bilanse masy na bilanse energii i odwrotnie

PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE

POWSTAWANIE PROMIENIOWANIA RENTGENOWSKIEGO

E = eU

WIDMO PROMIENIOWANIA X

WŁASNOŚCI PROMIENIOWANIA X

Ix = A Z Ia U2a

Ix - strumień fotonów prom. X;

A - stała zależna od konstrukcji lampy;

Z - liczba atomowa materiału tarczy;

Ia - natężenie prądu anodowego;

Ua- napięcie na lampie rentgenowskiej.

 

LR- lampa rentgenowska,

K1- kolimator wiązki pierwotnej,

K2- kolimator wiązki wtórnej,

M- monochromator grafitowy,

LS- licznik scyntylacyjny,

P- badana próbka,

S1 , S2 , S3 , S4 - szczeliny.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA

W roku 1896 francuski fizyk, A. Becquerel, badając sole uranu stwierdził, że emitują one niewidzialne promienie, wywołujące zaczernienie kliszy fotograficznej. Badanie promieni uranu w polu magnetyczym wykazało, że występują w nich trzy składowe.

Jedna odchyla się w polu magnetycznym tak, jak powinien odchylić się strumień cząstek naładowanych dodatnio. Składową tę nazwano promieniami a.

Druga składowa odchyla się jak strumień cząstek naładowanych ujemnie, a trzecia — w ogóle nie doznaje odchylenia w polu magnetycznym. Te składowe nazwano odpowiednio promieniami ၢ i ၧ.

Dwa lata później Pierre Curie i Maria Curie-Skłodowska odkryli; dwa nowe pierwiastki rad i polon wysyłające promieniowanie analogiczne do promieniowania uranu, ale o większym natężeniu. Odkryli oni ponadto, że własności promieniotwórcze wykazuje znany dawniej pierwiastek tor.

Dalsze badania wykazały, że odkryte promieniowanie:

1. może wywoływać działanie biologiczne i chemiczne, w szczególności zaczernienie kliszy fotograficznej,

2. jonizuje gazy,

3. wzbudza luminescencję licznych ciał stałych i ciekłych,

4. jest bardzo przenikliwe.

Najbardziej przenikliwe są promienie ၧ, przenikają one przez grube warstwy ciał stałych, zatrzymywane są dopiero przez ciężkie metale takie jak ołów.

Promieniowanie ၢ, jest praktycznie monoenergetyczną wiązką elektronów, jest średnio przenikliwym promieniowaniem, które praktycznie może być całkowicie zaabsorbowane przez kilku milimetrową warstwę lekkiego metalu np. aluminium.

Najmniej przenikliwe są promienie ၡ, ale i one mogą przenikać przez cienkie warstwy ciał stałych, całkowicie są pochłaniane przez 2-3 milimetrową warstwę papieru.

PRAWO ROZPADU PROMIENIOTWÓRCZEGO

Jeśli m0 oznacza masę pierwotną pierwiastka promieniotwórczego, to empirycznie prawo zaniku tej ilości z czasem ma postać:

m = m0 eၬိt

gdzie ၬ jest stałą rozpadu promieniotwórczego.

Biorąc pod uwagę liczbę atomów pierwiastka promieniotwórczego:

N = N0e-ၬt

Prawo to łatwo można objaśnić, jeśli przyjąć, że liczba atomów —dN, rozpadających się w czasie dt jest proporcjonalna do liczby wszystkich atomów:

ိ dN = ၬ N dt

To ostatnie równanie możemy zapisać w postaci:

dN/N = ၬိ dt

Całkowanie prowadzi do wzoru:

lnN = ၬိ t + C

gdzie C jest stałą całkowania.

Dla (t = 0) mamy lnN0 = C,

gdzie N0 jest pierwotną liczbą atomów.

Korzystając z otrzymanej wartości C (lnN0 = C), możemy napisać, że:

lnN/N0 = ၬိ t lub N = N0 eၬိ t

Prawo rozpadu jest słuszne dla wszystkich pierwiastków promieniotwórczych.

Stałą rozpadu ၬ łatwo możemy powiązać z czasem połowicznego zaniku T1/2.

Zgodnie z definicją dla t = T1/2 mamy N = ½ N0, a stąd po uwzględnieniu:

N = N0 eၬိ t otrzymamy: ½ = eၬိ t

RAZPADY PROMIENIOTWÓRCZE.
REGUŁA PRZESUNIĘĆ

Rozpad promieniotwórczy, odbywa się zgodnie z prawem zachowania ładunków elektrycznych i prawem zachowania energii całkowitej.

W myśl pierwszego z tych praw - suma ładunków powstających cząstek równa się ładunkowi jądra wyjściowego.

Drugie prawo można zapisać w następujący sposób:

jeśli mj oznacza masę jądra wyjściowego, a mi masę powstających cząstek:

gdzie E jest ilością energii, która wydzieliła się podczas rozpadu,

c zaś — prędkością światła w próżni.

Ponieważ w zjawisku promieniotwórczości naturalnej E odpowiada masie (E = mc2), wyrażającej się niewielkim ułamkiem jednostki masy atomowej, więc z równania wynika, że

suma liczb masowych powstających cząstek równa się liczbie masowej jądra wyjściowego.

Wykazano, że przemiany promieniotwórcze radu polegają na wyrzucaniu cząstek ၡ; taki proces nazywa się rozpadem ၡ.

Następny typ rozpadu wiąże się z emisją promieni ၢ.

Doświadczenia nad odchylaniem promieni ciał promieniotwórczych w polu magnetycznym wykazały, że promienie ၢ stanowią strumień bardzo szybkich elektronów.

Okazuje się więc, że rozpad ၢ polega na wyrzucaniu elektronu z jądra pierwotnego.

Trzeci rodzaj promieniowania — promienie ၧ są promieniowaniem elektromagnetycznym; natura ich jest identyczna z naturą krótkofalowego promieniowania rentgenowskiego.

Promieniowanie ၧ towarzyszy rozpadowi ၡ lub ၢ.

Prawo zachowania ładunków i prawo stałości sum liczb masowych prowadzą do tak zwanych reguł przesunięć, które pozwalają określić| jaki nowy pierwiastek powstaje w wyniku danego rozpadu ၡ lub rozpadu ၢ+ i ၢိ oraz ၧ.

Podczas rozpadu ၡ z jądra wyjściowego zostaje wyrzucone jądro atomu helu 2He4, tj. cząstka o liczbie atomowej 2 i liczbie masowej 4.

Dlatego też powstający pierwiastek powinien mieć liczbę atomową (numer porządkowy w tablicy Mendelejewa) o dwie jednostki mniejszą i liczbę masową o cztery jednostki mniejszą niż jądro wyjściowe.

Oznaczając jądro wyjściowe symbolem X,

a jądro powstające — symbolem Y,

zapiszemy rozpad ၡ w postaci następującego schematu

Ponieważ liczba atomowa wyznacza miejsce pierwiastka w tablicy okresowej Mendelejewa, więc ze schematu wynika, że:

wskutek rozpadu powstaje nowy pierwiastek, stojący w układzie okresowym Mendelejewa o dwa miejsca przed pierwiastkiem wyjściowym.

Podczas rozpadu ၢိ z jądra pierwiastka wyjściowego zostaje wyrzucony elektron.

Masa elektronu jest prawie dwa tysiące razy mniejsza od masy atomu wodoru; można więc w przybliżeniu przyjąć liczbę masową elektronu za zero.

Ładunek elektronu równy jest co do wartości bezwzględnej ładunkowi protonu, jednak ma znak ujemny, więc należy przyjąć Z = ိl.

W związku z tym będziemy oznaczać elektron symbolem

i schemat rozpadu ၢ- przybierze postać:

Liczba masowa nowego jądra równa się liczbie masowej jądra wyjściowego, a jego liczba atomowa jest o jedność większa.

Wskutek rozpadu ၢ-- powstaje nowy pierwiastek, stojący w układzie okresowym Mendelejewa o jedno miejsce za pierwiastkiem wyjściowym.

Podczas rozpadu ၢ+ z jądra pierwiastka wyjściowego zostaje wyrzucony pozyton.

Masa pozytonu jest taka sama jak masa elektronu. Ładunek pozytonu jest także równy co do wartości bezwzględnej ładunkowi elektronu.

me+ = me- Ⴝqe-Ⴝ= Ⴝqe+Ⴝ

W związku z tym będziemy oznaczać pozyton symbolem:

schemat rozpadu ၢ+ przybierze postać:

Liczba masowa nowego jądra równa się liczbie masowej jądra wyjściowego, a jego liczba atomowa jest o jedność mniejsza.

Wskutek rozpadu ၢ-+ powstaje nowy pierwiastek, stojący w układzie okresowym Mendelejewa o jedno miejsce przed pierwiastkiem wyjściowym.

Przytoczone dwie reguły przesunięć pozwalają całkowicie zorientować się we wszystkich kolejnych przemianach, występujących w procesie promieniotwórczości naturalnej pierwiastków ciężkich, spotykanych w skorupie ziemskiej.

Okazuje się, że istnieją trzy szeregi albo trzy rodziny pierwiastków promieniotwórczych, które biorą swój początek odpowiednio od uranu 92U288, toru 90Th232 i izotopu uranu 92U235 zwanego także aktyno-uranem (AcU).

Ostatni szereg nazywa się szeregiem aktynowym.

Wszystkie trzy szeregi zaczynają się od pierwiastków o bardzo dużym okresie połowicznego zaniku:

92U288 ma okres połowicznego zaniku ၴ = 4.4 •109 lat

dla toru 90Th232 ၴ = 1.8 •1010 lat

Dla aktyno-uranu (AcU) 92U235 ၴ= 4,4 •108 lat.

Te długie okresy tłumaczą fakt występowania w skorupie ziemskiej pierwiastków promieniotwórczych. W odległych epokach powstawały zapewne te pierwiastki z pierwiastków lżejszych. Znalazłszy się w skorupie ziemskiej pierwiastki te zapoczątkowały szeregi wszystkich naturalnych pierwiastków promieniotwórczych.

W czasie, który upłynął od ich powstania, nie zdążyły się one rozpaść całkowicie.

Naturalnym złożom pierwiastków promieniotwórczych towarzyszy zawsze ołów, który jest końcowym produktem ich rozpadu.

szereg uranowy kończy się izotopem Pb206,

torowy — izotopem Pb208

aktynowy — izotopem Pb207.

w rudach uranowych (zawierających U238 i U235) występuje ołów, stanowiący mieszaninę dwóch izotopów Pb208 i Pb207

zaś w rudach torowych — ołów, będący czystym izotopem Pb208.

Jest to jedyny przypadek, gdy trwałe izotopy występują w skorupie ziemskiej rozdzielone.

Prócz wymienionych pierwiastków promieniotwórczych słabą promieniotwórczość wykazuje jeszcze:

potas (ၴ = 1.3 • 109 lat),

rubid ( ၴ== 6.5 • 1010 lat)

samar (ၴ = 6,7 • 1011 lat).

Wiemy obecnie, że istnieje również dużo izotopów promieniotwórczych innych pierwiastków, które nie występują jednak w postaci naturalnej w skorupie ziemskiej i mogą być otrzymane jedynie w drodze sztucznych przemian.

Tłumaczy się to w ten sposób, że dla wszystkich tych izotopów okres połowicznego zaniku jest stosunkowo krótki, i dlatego jeśli one nawet występowały kiedykolwiek w skorupie ziemskiej, to zdążyły już rozpaść się całkowicie.

Rozpad promieniowania ၧ: 

1

Krzywa rozpadu radonu Krzywa zależności ln N od czasu

---