Wykład II

Elementy chemii jądrowej

Jądro atomowe ...

to pojedynczy proton (w izotopie wodoru 1H) lub układ złożony z protonów i neutronów utrzymujący się dzięki tzw. SIŁOM JĄDROWYM (oddziaływaniom silnym)

cecha	proton	neutron
ładunek	-e	0
masa	1836me	1840me
klasyczny promień	~10-15 m	~10-15 m
moment magnetyczny	tak	tak
struktura wewnętrzna	uud	udd

Me=9,108 *10 ^-31 d- kwark dolny(-1/3)e

e = -1.602 * 10^-19 u- kwark górny(+2/3)e

Podstawowe cechy sił jądrowych:

• krótki zasięg (rzędu 10-15 m)

• niezależność ładunkowa (oddziaływania p-p, n-n i p-n są dokładnie takie same)

• charakter przyciągający

• charakter niecentralny

Powstawanie jądra atomowego: Przy powstawaniu jądra atomowego złożonego z Z protonów i N neutronów wydziela się energia DeltaE

Defekt masy

o masa delta m, która uległa zamianie na energię E przy tworzeniu jądra atomowego

Wzór Einsteina:

Energia wiązania------ ΔE=Δm⋅c^2

Trwałość jąder atomowych:

o trwałości jądra atomowego decyduje przede wszystkim stosunek N/Z

N/Z dla trwałych jąder występujących w Przyrodzie, wzrasta ze wzrostem Z zmieniając się w granicach:

1≤N/Z≤1.54

Siła wiązania nukleonu w jądrze atomowym jest w niewielkim stopniu zależna od liczby atomowej i masowej, co wynika z krótkiego zasięgu sił jądrowych. Każdy nukleon w pewnym sensie “czuje” tylko te nukleony, które są najbliżej niego.

• wszystkie jądra o Z > 83 są nietrwałe

aby przejść na ścieżkę trwałości jądro musi zmienić stosunek N/Z co następuje w wyniku:

samorzutnych przemian jądrowych

Samorzutne przemiany jądrowe

(przemiany promieniotwórcze)

prowadzą do:

• zmiany stosunku N/Z:

•przemiana a

•przemiany b- i b+

•wychwyt K

• obniżenia energii jądra:

•przejście izomeryczne (przemiana g)

Przemiana α

………………………………… ……………………………..

rezultatem przemiany a jest powstanie jądra atomowego o liczbie atomowej mniejszej o 2 i liczbie masowej mniejszej o 4

Przemiana β-

Polega na emisji z jądra atomu elektronu, który powstaje w wyniku rozpadu neutronu

……………………………………………………. ………………………………………………………….

……………………………………………………. ………………………………………………………..

powstaje jądro o liczbie atomowej Z’ = Z + 1

Przemiana β+

polega na emisji z jądra atomu antyelektronu (pozytonu), który powstaje w wyniku rozpadu protonu

…………………………………………… ……………………………………………………

………………………………………….. …………………………………………………….

powstaje jądro o liczbie atomowej Z’ = Z – 1

Szereg promieniotwórczy:

to szereg nuklidów przekształcających się kolejno jedne w drugie na drodze rozpadów promieniotwórczych, który rozpoczyna się izotopem promieniotwórczym o długim okresie półtrwania, a kończy izotopem trwałym

Prawo rozpadu promieniotwórczego:

Szybkość rozpadu promieniotwórczego V mierzy się liczbą rozpadających się jąder w jednostce czasu:

$$\mathbf{V =}\frac{\mathbf{\text{dN}}}{\mathbf{\text{dt}}}$$

Szybkość rozpadu jest w każdej chwili wprost proporcjonalna do liczby jąder, które jeszcze nie uległy rozpadowi:

$$\frac{\mathbf{dN(t)}}{\mathbf{\text{dt}}}\mathbf{= - \lambda N(t)}$$

po przekształceniu (rozwiązaniu równania różniczkowego):

N(t)= N₀e^−λt

Prawo połowicznego rozpadu:

czas połowicznego rozpadu t1/2, to czas, po którym ulega rozpadowi połowa początkowej liczby jąder (N0)

$$\mathbf{N}\left( \mathbf{t} \right)\mathbf{=}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}\mathbf{N}_{\mathbf{0}}$$

$$\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{2}}\mathbf{N}_{\mathbf{0}}\mathbf{=}\mathbf{N}_{\mathbf{0}}\mathbf{e}^{\mathbf{- \lambda}\mathbf{t}_{\mathbf{1/2}}}$$

$$\mathbf{t}_{\mathbf{1/2}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{ln(2)}}{\mathbf{\lambda}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{0,693}}{\mathbf{\lambda}}$$

Promieniowanie Jonizujące:

Promieniowanie jonizujące - promieniowanie mające zdolność wytwarzania jonów bezpośrednio lub pośrednio w czasie przenikania przez materię (X, g, a, b, n) Promieniowanie jonizujące można scharakteryzować poprzez:

aktywność substancji

dawkę pochłoniętą

równoważnik dawki

Reakcje jądrowe:

...to procesy, które mogą zachodzić w wyniku wysokoenergetycznych zderzeń cząstek elementarnych lub jąder z jądrami tzw. tarczy (targetu), jeśli zderzeniom tym towarzyszy wzrost energii wewnętrznej jąder tarczy lub zmiana ich liczby masowej

Oddziaływanie neutronów z jądrami

neutrony nie mają ładunku elektrycznego, dlatego mogą stosunkowo łatwo zbliżać się do jąder tarczy na odległości rzędu 10-15 m, co jest konieczne na to, aby mogła zajść reakcja jądrowa.

Przy zderzeniu neutronu z jądrem tarczy może zajść jeden z dwóch procesów

- odbicie neutronu bez reakcji jądrowej

- pochłonięcie neutronu

Model atomu Bohra

I postulat Bohra

Elektron może krążyć wokół jądra, nie emitując fal EM, po takich orbitach kołowych, że moment pędu elektronu jest równy całkowitej wielokrotności stałej

II postulat Bohra

Przechodząc z jednej dozwolonej orbity na drugą, elektron pochłania lub emituje foton o energii E równej

Koncepcja budowy atomu wodoru stworzona przez Bohra zrywa z fizyką klasyczną przynajmniej na poziomie świata atomów, czyli świata obiektów o rozmiarach nie większych niż ok. 10-10 m

Elektrony nie muszą wypromieniowywać fal EM mimo, że poruszają się z niezerowym przyspieszeniem - jednak pod warunkiem, że poruszają się po ściśle określonych orbitach

To usuwa jeden z problemów tkwiących w modelu planetarnym Rutherforda -

Jednak drugi problem modelu planetarnego - odpychanie elektronów i potęga oddziaływań elektrostatycznych, co uniemożliwia stworzenie trwałego układu więcej niż 2 ładunków - pozostaje nadal nierozstrzygnięty.....