Budowa atomu, siły jądrowe

Atom jest podstawowym składnikiem materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym. Chmurę elektronową tworzą elektrony związane z jądrem przez oddziaływanie elektromagnetyczne.

Jądro atomu, w którym skoncentrowana jest prawie cała masa atomowa, składa się z dwóch rodzajów cząstek elementarnych: protonów i elektronów (nukleony).

Proton posiada ładunek dodatni równy ładunkowi ujemnemu elektronu.

Neutron jest składową elektrycznie obojętną.

W przypadku przewagi ładunku ujemnego z atomu elektrycznie obojętnego powstanie jon ujemny – anion, w razie przewagi ładunku dodatniego, jon dodatni – kation. Kationy są to więc cząstki, zawierające więcej protonów niż elektronów, podczas gdy aniony zawierają większą liczbę elektronów niż protonów.

Siły jądrowe to siły, które wiążą ze sobą protony i neutrony w jądrze atomowym, są znacznie silniejsze od sił kulombowskiego odpychania działającego między protonami - stanowią one szczególny przypadek tzw. oddziaływań silnych.

Właściwości sił jądrowych:

• krótki zasięg (rzędu femtometrów)

• są siłami przyciągającymi, a dla bardzo małych odległości między nukleonami stają się siłami odpychającymi

• w przybliżeniu siły p-p, n-p i n-n są równe

• występują tylko w jądrach atomowych, bo są krótkozasięgowe

• siła tych oddziaływań jest ok. stokrotnie większa od sił elektrostatycznych

• wykazują niezależność od ładunku elektrycznego

• występują tylko pomiędzy nukleonami

• mają charakter dwuciałowy, tzn. obecność innych nukleonów ma niewielki wpływ na oddziaływanie pary nukleonów

• wykazują tzw. wysycenie: za pomocą sił jądrowych oddziałują na siebie tylko najbliżej leżące nukleony

Przy zderzeniach szybkich neutronów z protonami w ok. połowie przypadków dochodzi do wymiany ładunku , tzn. do zmiany neutronu w proton i odwrotnie, protonu w neutron. Wynika z tego, że siły jądrowe posiadają charakter wymienny .

Promieniotwórczość = Radioaktywność

Stabilne są takie jądra atomowe, które posiadają określoną liczbę protonów i neutronów, względnie określony stosunek tych cząstek. W innych przypadkach i w przypadkach, kiedy jądra są zbyt ciężkie, dochodzi do ich samorzutnego rozpadu, któremu towarzyszy wydzielanie promieniowania. Przykładowo, jeśli w jądrze siły odpychania elektrostatycznego pomiędzy protonami, są większe niż przyciągające siły jądrowe pomiędzy nukleonami to jądro to ulegnie rozpadowi.

Promieniotwórczość to zdolność atomu (dokładniej jego jądra) do samorzutnej przemiany w inny atom, która związana jest z emisją cząstek alfa, cząstek beta oraz promieniowania gamma. Pierwiastki posiadające tę zdolność nazywamy promieniotwórczymi.

Szczególnym rodzajem promieniotwórczości jest rozszczepienie jądra atomowego, podczas którego radioaktywne jądro rozpada się na dwa fragmenty oraz emituje liczne cząstki, między innymi neutrony, które mogą indukować kolejne rozszczepienia. Zjawisko takiej reakcji łańcuchowej jest wykorzystane w elektrowniach jądrowych oraz w bombach jądrowych.

Zapis pierwiastka

Liczba atomowa (Z)

określa, ile protonów znajduje się w jądrze danego atomu. Jest także równa liczbie elektronów niezjonizowanego atomu. Pojawia się ona w symbolicznym zapisie jądra izotopu:

A – liczba masowa

Z – liczba atomowa

X – symbol pierwiastka

Liczba masowa (A)

wartość opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze atomu (nuklidzie) danego izotopu danego pierwiastka

Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu. Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze).

Izotopy dzielą się na:

trwałe (nie ulegają samorzutnej przemianie na izotopy tego samego lub innych pierwiastków),

nietrwałe, zwane izotopami promieniotwórczymi (ulegają samorzutnej przemianie na inne izotopy, zazwyczaj innego pierwiastka)

prot: 1H – ma jeden proton i nie ma neutronów; trwały,

deuter: 2H (D) – ma jeden proton i jeden neutron; trwały,

tryt: 3H (T) – ma jeden proton i dwa neutrony; nietrwały

Izobary - jądra atomowe o równej liczbie masowej A, różniące się liczbą atomową Z. W praktyce oznacza to, że izobarami są atomy różnych pierwiastków, mające jednak tę samą liczbę nukleonów.

• ¹⁴C i ¹⁴N

• ¹⁷N, ¹⁷O i ¹⁷F

Izotomy - zbiór atomów o takiej samej liczbie neutronów w jądrze

Izomery - występowanie dwóch lub kilku związków chemicznych, których cząsteczki mają taki sam skład ilościowy, ale atomy połączone są w różny sposób. Inaczej mówiąc są to związki o takim samym wzorze sumarycznym, ale różnią się wzorem strukturalnym.

Rodzaje rozpadu jąder

Przemiana minus beta

Jeżeli jądra atomowe posiadają nadwyżkę neutronów dochodzi do przemiany neutronu w proton i elektron, a następnie dochodzi do wypromieniowania elektronu, który nazywamy cząstką minus beta

Przemiana plus beta

Do przemiany tej dochodzi w przypadku, kiedy w jądrze atomowym istnieje nadwyżka protonów nad neutronami. Dochodzi do emisji cząstki zwanej pozytonem. Pozyton (antyelektron) powstaje w wyniku przemiany protonu w neutron i pozyton

Wychwyt elektronów

to reakcja 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.

Przechwytywanym elektronem jest zazwyczaj elektron najbliższy jądru atomowemu. Pochłonięcie elektronu przez jądro powoduje reorganizację elektronów na pozostałych powłokach. Na miejsce brakującego "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. Wychwytowi elektronu towarzyszy też emisja promieniowania gamma przez jądro atomowe.

Przemiana alfa

W przypadku gdy jądro atomowe jest zbyt ciężkie, oddziela się od niego cząstka α będąca jądrem helu. Do przemiany α dochodzi u większości jąder, których liczba masowa jest większa lub równa 210.

Rodzaje promieniowania i przenikliwość

Promieniowanie jonizujące - wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej.

Substancje emitujące promieniowanie jonizujące nazywamy promieniotwórczymi.

Promieniowanie jonizujące jest stale obecne w środowisku człowieka, zawsze i wszędzie. Jest to spowodowane głównie wszechobecnością radioizotopów różnych pierwiastków w przyrodzie oraz promieniowaniem kosmicznym.

Promieniowanie alfa

Promieniowanie alfa to rodzaj promieniowania jonizującego cechującego się małą przenikalnością. Promieniowanie alfa jest to strumień jąder helu. Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane. Nawet kilka centymetrów powietrza stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru, albo naskórek pochłania całkowicie promienie alfa. Jednak w przypadku pokarmów lub wdychanego powietrza promieniowanie alfa może być zabójcze. Kiedy już radioaktywny materiał znajdzie się w ciele człowieka wytwarzane przez niego cząstki alfa bardzo silnie jonizują tkanki. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej.

Promieniowanie beta
powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, jest ono silnie pochłaniane przez materię. Promieniowanie to jest bardziej przenikliwe niż promieniowanie alfa, ale zatrzymywane jest przez miedzianą blachę.

Promieniowanie gamma

jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym, jądra atomowe izotopów promieniotwórczych po rozpadzie znajdują się w stanie wzbudzonym. Powrót do stanu podstawowego, o niższej energii, powoduje emisję fotonu gamma.

Promieniowanie X

Promieniowanie X powstaje także w wyniku wychwytu elektronu, tj. gdy jądro przechwytuje elektron znajdujący się na najbliższej powłoce, w wyniku czego powstaje wolne miejsce, na które spadają elektrony z wyższych powłok i następuje emisja kwantu X. Jest to promieniowanie przenikające przez organizm ludzki.

Promieniowanie wykazuje różny stopień przenikliwości przez materię. I tak do pochłonięcia promieniowania alfa wystarczy cienka warstwa materiału np. kartka papieru, ponieważ cząstki alfa są dużo cięższe niż pozostałe nośniki promieniowania i dużo bardziej energetyczne. Te własności pozwalają cząstkom alfa silnie oddziaływać z napotkaną materią, nawet z powietrzem, wywołując jonizację na bardzo małych dystansach. Cząstki alfa przebywają w powietrzu drogę nie dłuższą niż kilka centymetrów. Promieniowanie beta pochłaniają grubsze materiały np. folia aluminiowa, a do pochłonięcia promieniowania gamma należy użyć grubszych osłon z ołowiu. Inaczej jest z neutronami, które ulegają rozproszeniu w ciałach stałych. Do ich pochłonięcia stosuje się więc osłony wodne tak jak w przypadku reaktorów jądrowych. Najbardziej przenikliwe są neutrina, ponieważ przenikają przez każdą materię i niezmiernie rzadko oddziałują z materią. 

Wykorzystanie promieniowania

Promienie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w praktyce (np. w lampie rentgenowskiej). Lampa rentgenowska zbudowana jest m.in. Z katody i anody. Katoda jest źródłem elektronów, rozpędzone elektrony wybijają elektrony z atomów anody. Luki po wybitych elektronach na dolnych powłokach elektronowych pozostają puste do czasu, aż zapełnią je elektrony z wyższej powłoki. Elektron przechodząc z wyższego stanu emituje kwant promieniowania rentgenowskiego – następuje emisja charakterystycznego promieniowania X.

Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do uzyskiwania zdjęć rentgenowskich, które pozwalają m.in. na diagnostykę złamań kości i chorób płuc oraz do rentgenowskiej tomografii komputerowej.

Promieniowanie gamma

Scyntygrafia jest metodą uzyskiwania obrazu narządów, a przede wszystkim oceny ich czynności, przy pomocy niewielkich dawek izotopów promieniotwórczych (radioznaczników). Izotopy podawane są zwykle bezpośrednio do naczyń, wyjątkowo doustnie. Izotopy te zwykle są związane z odpowiednio dobranymi związkami chemicznymi powodującymi gromadzenie się ich w tym, a nie w innym narządzie. I tak: koloidalna siarka wychwytywana jest przez komórki Browicza-Kupfera wątroby; kuleczki albumin zatrzymują się w naczyniach włosowatych płuc; technet połączony z fosforanami gromadzi się w kościach. Radioizotopy używane w badaniach scyntygraficznych emitują względnie mało szkodliwe dla organizmu promieniowanie gamma. Rozmieszczenie izotopów, oraz drogi ich przepływu, wydzielania i wydalania, obrazuje się na monitorze komputera przy pomocy urządzeń zwanych scyntygrafami albo gammakamerami.

Podstawową zaletą metod izotopowych jest badanie czynności narządu: przepływu krwi, filtracji moczu pierwotnego, przepływu żółci w przewodach wątrobowych itp.

Przemysł

W przemyśle spożywczym i farmaceutycznym stosuje się urządzenia radiacyjne do konserwowania żywności i sterylizacji narzędzi lekarskich, strzykawek i materiałów opatrunkowych poprzez napromienienie ich bardzo dużymi dawkami. Jako źródło promieniowania stosuje się przede wszystkim kobalt .

Radioterapia

metoda leczenia za pomocą promieniowania jonizującego. Stosowana w onkologii do leczenia chorób nowotworowych oraz łagodzenia bólu związanego z rozsianym procesem nowotworowym, np. w przerzutach nowotworowych do kości.

Zasadą tej metody jest wykorzystywanie do celów leczniczych silnych dawek promieniowania, które niszczą chore tkanki lub zmieniają ich aktywność bez ich niszczenia. Radioterapia polega zwykle na skierowaniu cienkiej wiązki promieni na tę część ciała, którą mamy leczyć. Polega ona na zastosowaniu promieniowania jonizującego (promieni gamma, Roentgena, radu czy nawet kobaltu) do wyniszczania komórek rakowych.

Źródło energii
Elektrownia jądrowa zajmuje się wytwarzaniem energii elektrycznej poprzez wykorzystanie energii pochodzącej z rozszczepienia jąder atomów, najczęściej uranu, w której ciepło konieczne do uzyskania pary, jest otrzymywane z reaktora jądrowego.

Broń jądrowa
rodzaj broni masowego rażenia wykorzystującej wewnątrzjądrową energię wydzielaną podczas łańcuchowej reakcji rozszczepienia jąder ciężkich pierwiastków (uranu i plutonu - broń atomowa) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową.

Źródła promieniowania

Naturalne źródła promieniowania

Promieniowanie kosmiczne

Część promieniowania kosmicznego o niższych energiach pochodzi z rozbłysków słonecznych, których liczba znacznie się zwiększa w szczycie liczby plam słonecznych. Większość promieniowania kosmicznego pochodzi z wybuchów gwiazd nowych i supernowych. Gwiazdy te emitują naładowane cząstki, które w przestrzeniach międzygwiazdowych mogą być rozpędzane przez istniejące pola magnetyczne i elektryczne. Źródłem promieniowania kosmicznego mogą być również gwałtowne procesy mające miejsce w centrum naszej Galaktyki.

Promieniowanie to złożone jest zarówno z promieniowania korpuskularnego jak i elektromagnetycznego, docierającego do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Korpuskularna część promieniowania składa się głównie z protonów (90% cząstek), cząstek alfa (9%), elektronów (ok 1%) i nielicznych cięższych jąder. Promieniowanie docierające bezpośrednio z przestrzeni kosmicznej nazywamy promieniowaniem kosmicznym pierwotnym. Cząstki docierające do Ziemi w wyniku reakcji promieniowania kosmicznego pierwotnego z jądrami atomów gazów atmosferycznych, to promieniowanie wtórne.  W wyniku promieniowania kosmicznego powstają głównie tryt, beryl i izotop węgla 14C.

Pierwiastki promieniotwórcze zawarte w glebie
Pierwiastkiem powodującym największą naturalną promieniotwórczość jest radon. Uwalnia się on wskutek rozpadu promieniotwórczego radu znajdującego się w minerałach skalnych i glebie.

Promieniowanie słoneczne
Jest źródłem fal elektromagnetycznych, ale także promieniowania jonizującego

Wiatr słoneczny – strumień cząstek wypływających ze Słońca, składający się przede wszystkim z protonów i elektronów o dużej energii.

Sztuczne źródła promieniowania jądrowego
Należą do nich aparaty rentgenowskie (promieniowanie X), tzw. bomby kobaltowe (promieniowanie gamma), reaktory jądrowe (promieniowanie X, gamma, neutrony), akceleratory i sztuczne izotopy promieniotwórcze (promieniowanie alfa, beta, gamma) wykorzystywane w medycynie i gospodarce lub uwalniane do środowiska w wyniku prób jądrowych albo awarii jądrowych.

Pierwiastki promieniotwórcze

To pierwiastki, których izotopy nietrwałe. Najczęściej tego terminu używa się w stosunku do pierwiastków posiadających izotopy o krótkim okresie połowicznego rozpadu.

Pierwiastki te dzielą się na:
NATURALNE - pierwiastki występujące w przyrodzie, tak jak: aktyn, astat, frans, neptun, polon, pluton, radon, rad, protaktyn, tor, uran.
SZTUCZNE - nie występują w przyrodzie: ajnsztajn, ameryk, kiur, lorens, berkel, ferm, kaliforn, mendelew, nobel, promat, technet, pierwiastek 104, 105, 106, 107.

Zasada działania reaktora jądrowego

Reaktor jądrowy - urządzenie, w którym przeprowadza się z kontrolowaną szybkością reakcje rozszczepienia jąder atomowych.

W zdecydowanej większości elektrowni jądrowych energia rozszczepienia wzbogaconego uranu jest odbierana przez wodę, która w zależności od reaktora: odparowuje (reaktory wrzące ) lub nie (jeśli jest pod wysokim ciśnieniem - reaktory ciśnieniowe). Najczęściej czynnik podgrzany w reaktorze, przekazuje ciepło wodzie w wytwornicy pary, która dzieli cały układ na obieg pierwotny i wtórny. Wytworzona we wytwornicy para napędza turbinę parową, sprzężoną z generatorem – wytwarzanie prądu elektrycznego. W większości reaktorów (a we wszystkich wodnych) paliwo jądrowe stanowi wzbogacony uran.

W procesie rozszczepiania jąder uwalniane są znaczne ilości energii, kiedy w wyniku zderzenia ze spowolnionym neutronem rozbity zostaje atom uranu. Po rozszczepieniu każdego z jąder uranu wyemitowane zostają kolejne trzy neutrony które rozszczep następne atomy uranu. W ten sposób wywołana zostaje samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa.

Elektrownia jądrowa a węglowa

Elektrownia atomowa nie wytwarza praktycznie żadnych zanieczyszczeń, nie licząc małej ilości odpadów radioaktywnych, których składowanie jest dosyć kosztowne, lecz wytwarzanie energii w ten sposób jest stosunkowo tanie

Wymagany wkład pieniężny w inwestycje jest nieporównywalnie większy niż w przypadku budowy elektrowni węglowej.

Elektrownia węglowa to jedna z najbrudniejszych i uciążliwszych dla środowiska form wytwarzania energii elektrycznej, gdyż spalanie setek ton węgla z zanieczyszczeniami powoduje wydzielanie do atmosfery ogromnych ilości tlenków siarki, azotu, węgla oraz pyłów. Powoduje to powstawanie tzw. kwaśnych deszczy oraz efektu cieplarnianego. Wytwarzanie energii w ten sposób jest nieporównywalnie droższe niż w elektrowni jądrowej. Podczas produkcji powstają ogromne ilości odpadów jak np. żużel, który trzeba składować, co pochłania duże obszary. Samo sprowadzanie paliwa jest bardzo kłopotliwe.

Na niekorzyść elektrowni węglowej przemawia także krótszy niż w przypadku jądrowej okres jej eksploatacji. Węglowa pracuje ok. 30 lat, a najstarsza działająca atomowa pracuje już od ok. 40 lat. Szacuje się, że obecnie budowane będą mogły pracować przez 50-60 lat.