PRZEMIANY JĄDROWE

1. Pierwiastek to zbiór atomów o jednakowej liczbie atomowej.

_Z^AE

Z – liczba atomowa (porządkowa): liczba protonów = liczba elektronów

A – liczba masowa (masa atomowa): liczba protonów + liczba neutronów

Pierwiastek zbudowany jest z atomów, a atomy z cząstek elementarnych (w rzeczywistości cząstką elementarną jest tylko elektron, ponieważ protony i neutrony składają się z mniejszych elementów – tzw. kwarków):

1. protony p⁺ (trwałe)

2. neutrony n⁰ (nietrwałe: neutron → proton + elektron ¹₀n → ¹₁p + ⁰_-1e)

3. elektrony e^- (trwałe, elektrony walencyjne decydują o właściwościach fizykochemicznych, jądro atomowe i pozostałe elektrony to tzw. rdzeń atomowy)

Odpowiedniki cząstek elementarnych zwane są antycząstkami (mają przeciwny ładunek do cząstki): antyproton p^- i antyelektron (pozyton) e⁺.

Zadanie 1

Oblicz masę atomów tlenu w gramach.

A = 15,999u

m_O = 15,999 ∙ 1,66 ∙ 10^-24 = 2,66 ∙ 10^-23g

Zadanie 2

Oblicz masę atomów w cząsteczce glukozy w gramach.

A = 6 ∙ 12,01u + 12 ∙ 1,008u + 6 ∙ 15,999u = 180,15u

m_glukozy = 180 ∙ 1,66 ∙ 10^-24 = 2,99 ∙ 10^-22g

1. Izotopy to odmiany pierwiastka o tej samej liczbie atomowej co pierwiastek, ale różnej masowej (mają więc różną od pierwiastka ilość neutronów). Liczba masowa pierwiastka to średnia ważona mas jego izotopów.

Atomy poszczególnych izotopów zwane są nuklidami.

1. Izotopy promieniotwórcze to izotopy o niestabilnych jądrach atomowych, które samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. Charakteryzuje je czas połowicznego rozpadu, tj. średni czas, po którym połowa jąder danego pierwiastka (izotopu) ulegnie przemianie.

x = y ∙ (½)^T/t

Zadanie 3

W pojemniku znajduje się 200 mg pierwiastka promieniotwórczego o okresie półtrwania 8 dni. Ile miligramów tego pierwiastka pozostanie po upływie 32 dni?

32 : 8 = 4

x = 200mg ∙ (½)⁴ = 12,5mg

1. Defekt masy a energia wiązania

Teoretycznie masa atomowa helu powinna być równa sumie mas dwóch protonów i dwóch neutronów tj. 4,0319 u. Jednak w rzeczywistości masa atomowa helu wynosi 4,0015 u. Różnica między tymi wartościami (tutaj: 0,03039 u) to defekt (niedobór) masy.

Energia wiązania jądra pozwala określić ilość energii, jaka zostanie wyzwolona przy powstawaniu jądra lub ilość energii, jaką należy dostarczyć w celu rozbicia jądra i można ją wyliczyć stosując równanie Einsteina:

E =mc²

1. Promieniowanie jonizujące polega na oderwaniu się cząstki ze struktury krystalicznej pierwiastka:

1. naturalne polega na samorzutnej emisji cząstek promieniowania przez występujące w przyrodzie radioaktywne izotopy pierwiastków

• promieniowanie α – najmniej przenikliwe (zatrzymuje się na kartce papieru)

• promieniowanie β – średnio przenikliwe (zatrzymuje się na glinie)

• promieniowanie γ – najbardziej przenikliwe (zatrzymuje się na ołowiu)

Promieniowanie takie rozdziela się w wyniku przepuszczenia go przez pole elektromagnetyczne – promienie α odchylają się w kierunku bieguna ujemnego, promienie β^- odchylają się kierunku bieguna dodatniego, promienie γ nie odchylają się.

1. sztuczne polega na bombardowaniu protonami, neutronami, cząstkami α lub deuteronami trwałego izotopu i jego zmianie w inny, samorzutnie rozpadający się izotop promieniotwórczy

²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n

³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + ⁰₁β⁺

1. Większość pierwiastków promieniotwórczych w przyrodzie można zaliczyć do trzech szeregów promieniotwórczych – każdy kończy się jednym ze stabilnych izotopów ołowiu:

1. szereg uranowo-radowy: ²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th → ...

2. szereg torowy: ²³²₉₀Th → ²²⁸₈₈Ra → ...

3. szereg uranowo-aktynowy: ²³⁵₉₂U → ²³¹₈₈Ra

1. Przemiany jądrowe:

1. rozpady samorzutne – wyrzucenie z jądra cząstki elementarnej (tzw. promieniotwórczość)

• rozpad α – wyrzucenie cząstki złożonej z 2 protonów i 2 neutronów (⁴₂He lub inaczej ⁴₂α)

²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂α

• rozpad β^- – wyrzucenie cząstki złożonej z antyneutrino elektronowego i 1 elektronu (⁰_-1e lub

⁰_-1β), który powstaje w przemianie (nie ma go przecież w jądrze!):

neutron → proton + elektron

²²⁷₈₉Ac → ²²⁷₉₀Th + ⁰_-1β^- + v_e

• rozpad β⁺ – wyrzucenie cząstki złożonej z neutrino elektronowego i 1 pozytonu (⁰_-1e

lub ⁰_-1β), który powstaje w przemianie (nie ma go przecież w jądrze!):

proton → neutron + pozyton + neutrino elektronowe

²⁸₁₄Si → ²⁸₁₃Al + ⁰₁β⁺ + v_e

1. reakcje jądrowe – zderzenie jądra z cząstką elementarną lub innym jądrem, czego skutkiem

jest powstanie nowego jądra i nowej cząstki

⁴₂He + ²³⁸₉₂U → ²⁴¹₉₄Pu + ¹₀n

1. rozszczepienie jądrowe – zderzenie jądra z neutronem, czego skutkiem jest

powstanie kilku nowych jąder o podobnej wielkości i kilku

neutronów

¹₀n + ²³⁵₉₂U → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3¹₀n

1. fuzje – zderzenie dwóch mniejszych jąder, czego skutkiem jest powstanie nowego i

większego jądra oraz cząstki elementarnej

²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n

1. W przemianach jądrowych stosuje się głównie dwie zasady:

1. zasada zachowania ładunku

Liczba atomowa substratów i produktów jest równa.

¹₀n + ²³⁵₉₂U → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3¹₀n ₀ + ₉₂ = ₅₆ + ₃₆ + _{3 ∙ 0}

1. zasada zachowania liczby nukleonów

Liczba masowa substratów i produktów jest równa.

¹₀n + ²³⁵₉₂U → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3¹₀n ¹ + ²³⁵ = ¹⁴¹ + ⁹² + ^{3 ∙ 1}