Naturalne i sztuczne przemiany atomowe

Promieniotwórczość naturalna i sztuczna

Promieniotwórczość naturalna

Henri Becquerel (1852 - 1908), fizyk francuski i laureat nagrody Nobla podczas badania fosforyzujących minerałów, odkrył, że minerał uranylosiarczan potasu jest zródłem promieniowania, które naświetla klisze fotograficzne opakowane czarny papier. Występowanie tego promieniowania nazwano promieniotwórczością
Studentka Becquerela, Maraia Skłodowska-Curie (1867 - 1934), fizyczka i chemiczka polska, laureatka nagrody Nobla, odkryła, że naturalne rudy uranowe są silniej promieniotwórcze niż to wynikałoby z zawartości w nich uranu i wysuneła przypuszczenie, że w rudzie znajduje się nieznany jeszcze silnie promieniotwórczy pierwiastek. Razem ze swym mężem Pierrem Curie (1859 - 1906), po długiej i mozolnej pracy odkryła, dwa dalsze promieniotwórcze pierwiastki; polon, nazwany tak od imienia ojczyzny, oraz rad.
Emitowane przez pierwiastki promieniowanie zawiera różnego rodzaju składniki. Samorzutnemu rozpadowi jąder pierwiastków towarzyszy emisja róznego rodzaju promieniowanie, a mianowicie;

• cząstek ⁴₂ lub po prostu  (są to jądra helu ⁴₂He⁺²)

• cząstek  (są to elektrony o dużej prędkości ⁰_-1e^-, znak -1 oznacza ładunek elektronu a 0 wartość liczby masowej)

• promieni γ (fale elektromagnetyczne o długości mniejszej niż 0,1 mm/.

Kolejna lata badań nad promieniotwóczością wykazały, że emisji promieniowania towarzyszy powstawanie nowych pierwiastków.

Przykłady

1. Podczas emisji cząstki : Uran ^23892U rozpadając się emituje cząstkę  i przechodzi w tor. ^23892U -> ^23490Th + ^42He (^42 lub ) 2. Podczas rozpadu : tor ^23490Th rozpadając się emituje elektron i przechodzi w protaktyn ^23490Th -> ^23491Pa + ^0-1e W przemianie tej neutron przechodzi w proton oraz emitowany jest elektron i neutrino (symbol , cząstka o masie znacznie mniejszej od masy elektronu i pozbawiona ładunku elektrycznego). ^10n -> ^11p + ^0-1e +  Niektóre jądra mogą dokonać wychwytu elektronu z najbliższej mu wewnętrznej powłoki elektronowej K. Zachodzi wtedy przemiana protonu w neutron i neutrino. ^11p + ^0-1e -> ^10n +  Zazwyczaj opuszczane miejsce w powłoce K jest zajmowane przez elektron wyższego poziomu energetycznego i przemianie towarzyszy jednocześnie emisja promieni (gamma).

Zarówno rozpad  i rozpad  pierwiastków promieniotwórczych podlega prawu Fajansa i Sodd'ego: każdej przemianie  towarzyszy zmniejszenie liczby masowej o cztery jednostki i zmniejszenie liczby atomowej o 2, każda przemiana  powoduje podwyższenie liczby atomowej o jeden, przy nie zmienionej liczbie masowej izotopu.

Okazało się, że zródłem promieniotwóczości są jądra atomów. Badania pierwiastków wykazały, że w przyrodzie istnieje 81 pierwiastków mających trwałe izotopy. Najcięższym trwałym nuklidem jest bizmut (²⁰⁹₈₃Bi).

Rys. 12 Zależność liczby neutronów nn od liczby protonów np w jądrach

Z pierwiastków o mniejszych liczbach atomowych jedynie technet (Z = 43) oraz promet (Z=61) nie mają izotopów trwałych. Łączna liczba trwałych nuklidów jest równa 272. Trwałość jąder atomowych jest w znacznym stopniu określona przez liczbę i stosunek ilości neutronów i protonów. Wartość stosunku liczby neutronów do liczby protonów może się zmieniać w bardzo wąskich granicach. Przekroczenie wąskich granic stosunku neutronów do protonów narusza trwałość jądra i takie jądro ulega przemianie z utworzeniem jąder trwałych.Dlatego jądra z Z > 83 nie są już trwałe, ponieważ wszystkie pierwiastki za bizmutem mają tylko izotopy promieniotwórcze. Istnieją interesujące prawidłowości mające uzasadnienie teoretyczne: spośród 272 trwałych nuklidów 161 jest zbudowanych z parzystej liczby protonów i parzystej liczby neutronów, 105 zawiera parzystą liczbę jednego z nukleonów, natomiast jedynie w 6 przypadkach jądro jest zbudowane z nieparzystej liczby protonów i nieparzystej liczby neutronów

• szczególną trwałością charakteryzują się jądra o liczbach protonów lub neutronów równych; 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (są to tzw. liczby magiczne) nazywane magicznymi jądrami; pośród nich najtrwalsze są jądra podwójne magicznie, np. ⁴₂He, ¹⁶₈O, ⁴⁰₂₀Ca lub ²⁰⁸₈₂Pb.

W przyrodzie spotyka się oprócz jąder trwałych także nuklidy o tak długim czasie życia, że od czasu wytworzenia materii ziemskiej /ok. 6 mld lat/ jeszcze do tej pory nie rozpadły się zupełnie jak to jest np. w przypadku jąder uranu i toru.

Promieniotwórczość sztuczna

Jądra izotopów niepromieniotwórczych mogą ulegać przemianom pod działaniem bombardujących je cząstek o dostatecznie dużej energii. Do takich celów stosowane bywają protony ¹₁H, deuterony ²₁H, cząsteczki , neutrony, a także promienie γ, których strumieniowi nadaje się odpowiednią energię w cyklotronie.
Jeżeli cząstka bombardująca trafia w atakowane jądro, to wywołuje reakcję jądrową. Produktem takiej reakcji może być jądro zdolne następnie do samorzutnego rozpadu, tj. jądro izotopu promieniotwórczego. Na przykład bombardowanie jąder niepromieniotwórczego izotopu fosforu ³¹₁₅P deuteronami ²₁H wywołuje reakcję

³¹₁₅P + ²₁H -> ³²₁₅P + ¹₁H

Produktem tej przemiany jadrowej jest promieniotwórczy izotop fosforu ³²₁₅P o okresie półtrwania 14,3 dni oraz proton ¹₁H.

Inny przykład

⁹₄Be + ⁴₂He -> ¹²₆C + ¹₀n

Powyższe przykłady mają ogromne znaczenie praktyczne, służą między innymi do produkcji izotopów promieniotwórczych. Znajdują one zastosowanie w wielu gałęziach nauki i techniki.

Rys. 12 Reakcje łańcuchowe. a) Niekontrolowana reakcja w bombie jądrowej. b) Kontrolowana reakcja jądrowa w reaktorze 1.Jądra nowych pierwiastków 2.Jądro atomowe 3.Aktywne neutrony 4.Utracone neutrony

Szczególny rodzaj przemian jądrowych może wywołać pochłonięcie neutronu, który nie mając ładunku elektrycznego nie podlega oddziaływaniom elektrostatycznym, a więc może stosunkowo łatwo przeniknąć do wnętrza jądra. ^147N + ^10n -> ^146C + ^11H ^5927Co + ^10n -> ^6027Co + γ Przemianą tego typu, która stała się początkiem ery nuklearnej, było odkryte przez F.Strassmana i O.Hahna (1939) rozszczepienie jądra ^23592U, zachodzące wskutek pochłonięcia neutronu o znikomej energii. Hahn i Strassman zaobserwowali, że produktami bombardowania neutronami uranu są nuklidy o liczbach masowych od 70 do 160 (krypton, bar) oraz 2 lub 3 neutrony. Przebieg reakcji jest następujący. ^23592U + ^10n ---> ^23692U ---> ^14656Ba + ^9036Kr ^14656Ba ---> ^14556Ba + ^10n ^14556Ba ---> ^14456Ba + ^10n ^9036Kr ---> ^8936Kr + ^10n

Uwolnione w czasie rozpadu neutrony mogą być wykorzystane do wywołania dalszych rozpadów (rys.12). Reakcja ta przebiega bez kontroli podczas wybuchu bomby atomowej. Jeśli podda się ją kontroli i zezwoli sie tylko jednemu uwalniających się neutronów zderzyć z następnym jądrem uranu, wówczas nie rozprzestrzeni się ona w sposób niekontrolowany i może być wykorzystana w stosie atomowym do wytwarzania energii cieplnej.
Jest to proces silnie egzotermiczny, wywołany tzw. defektem masy.

Defekt masy, różnica pomiędzy masą Z protonów i N neutronów a masą danego jądra atomowego o liczbie masowej A=N+Z. Brakujšca masa odpowiada energii wiązania uwalnianej w trakcie łączenia się nukleonów w jądro.

Co to oznacza ?

To oznacza, że w czasie przemiany obserwuje się ubytek masy m, który zamienia się w energię zgodnie ze wzorem;

E = mc²

gdzie: E - energia; m. - masa; c - prędkość światła.

Według tej równoważności każda zmiana energii musi być związana ze zmianą masy. Na przykład przy połączeniu atomów w molekuły masa maleje ze względu na oddaną energię wiązania. Z drugiej strony, chemiczna energia wiązania jest o wiele za mała, aby wywołać zauważalne zmiany masy.
Natomiast w zakresie jąder atomowych wyzwolona przez połączenie nukleonów energia wiązania jest równoważna zmianie masy rzędu 1 %. I dlatego może być określana przez porównanie masy jądra z masą nukleonów.
Należałoby oczekiwać, że masa jądra jest równa sumie mas zawartych w jądrze nukleonów. W rzeczywistości jest ona mniejsza i ten defekt masy /ubytek/ jest równoważny energii wiązania.
Oznaczając przez M - masę jądra, przez M_p - masę protonu, M_n - masę neutronu, Z - liczbą ładunkową, N - liczbę neutronów, można defekt masy wyrazić zależnością:

M = Z*M_p + N*M_n - M

Przykład obliczenia defektu masy dla ⁴₂He

Nazwa	Masa
Masa protonu Mp	1,007825
Masa neutronu Mn	1,008665
2 * Mp dla helu	2,015650
2 * Mn dla helu	2,017330
Suma mas protonów i neutronów	4.032980
Masa atomowa helu	4.002600
Defekt masy	0,030380

Wyzwala się przy tym 28,27 MeV energii tj. gdy 4 nukleony połączą się w jądra helu.

W skali atomowej czesto stosowaną jednostką energii jest elektronowolt (ev). 1 ev odpowiada energii kinetycznej elektronu rozpędzonego w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 V. 1 eV = 1,60217733 * 10^-19

Z tego da się oszacować energię, która wyzwoliłaby się przy wiązaniu 1 kg helu z jego elementów składowych. Wyzwolona energia wynosi tyle ile otrzymamy ze spalenia 25 000 ton węgla kamiennego.
Defekt masy przypadający na jeden nukleon M/M i przeliczony na jednostkę energii E = mc² nosi nazwę energii wiązania i jest cechą danego jądra. Im wyższa wartość energii wiązania, tym jądro jest trwalsze. Najwyższe energie wiązań mają jądra o liczbach atomowych od 40 do 60. Zasada współzależności masy i energii odgrywa ważną rolę we współczesnej nauce. Znajomość energii wiązania różnych jąder atomowych pozwala na stwierdzenie, które z nich nadają się do praktycznego otrzymywania energii atomowej.

Szybkość rozpadu promieniotwórczego

Proces samorzutnego rozpadu jąder pierwiastków radioaktywnych przebiega z szybkością, którego nie umiemy żadnym działaniem fizycznym ani chemicznym zmienić. Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego szybkość rozpadu radioaktywnego jest w każdej chwili jedynie proporcjonalna do liczby N obecnych jąder. Jest ona określona równaniem.

- N/t = kN

gdzie k - stała rozpadu, charakterystyczna dla danego nuklidu

Jeżeli powyższe równanie przekształcimy do postaci

- N/N = kt

i przekształcimy (scałkujemy) w granicach od N_o w czasie t=0 do N po czasie t, to otrzymamy

Na podstawie tego równania możemy wyznaczyć liczbę obecnych jąder w dowolnym momencie czasu t.

Okres półtrwania

Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego charakterystyczny jest tzw. okres półtrwania (t_1/2), czyli przedział czasu, w którym pierwotna liczba jąder N_o maleje do połowy, tj. gdy: N = N_o/2
Zatem okres półtrwania wynosi

Dla naturalnych pierwiastków okres półtrwania zawarty jest między 10^-11 sekundy a 1,3 x 10¹⁰ lat.

Jednostki stosowane w technice jądrowej

Promieniowanie wysyłane przez jądra atomów ma różną zdolność przenikania przez substancje i oddziaływania na organizmy żywe. Ogólnie, najbardziej przenikliwe są promienie γ, promienie  są mniej, a promienie  najmniej przenikliwe. W pracy z radionuklidami istnieje niebezpieczeństwo ciężkich poparzeń a nawet zajść śmiertelnych. Silniejsze napromieniowania, prowadzą do ciężkich uszkodzeń organizmu, ogólnie określanych jako choroby popromienne.
Dlatego dla celów ochrony przed promieniowaniem zostały opracowane przepisy prawne regulujące sposób obchodzenia się ze zródłami promieniowania jak i również jednostki stosowane w technice jądrowej. Tymi jednostkami są; aktywność preparatu promieniotwórczego i dawka promieniowania.

Aktywność

Aktywnością preparatu promieniotwórczego nazywa się liczbę rozpadów jąder w jednostce czasu.
Wcześniej wprowadzoną jednostką aktywności promieniowania jest kiur, symbol Ci. Aktywność 1 Ci ma taki preparat promieniotwórczy, który w ciągu jednej sekundy wykazuje 3,7 x 10¹⁰ rozpadów. Odpowiada to w przybliżeniu aktywności 1 g radu.
W układzie SI jednostką aktywności ciała promieniotwórczego jest bekerel (symbol Bg): wykazuje ją preparat promieniotwórczy, w którym jedna samorzutna przemiana jądrowa zachodzi w czasie 1 sekundy, czyli 1 Bg = 1 s^-1, natomiast 1Ci = 3,7 x 10¹⁰ Bg.

Dawka pochłonięta

Tradycyjną jednostką dawki pochłoniętego promieniowania γ(gamma) lub promieniowania rentgenowskiego jest rentgen (symbol R).
Jest to dawka promieniowania, które wytwarza w 1 dm³ suchego powietrza w warunkach normalnych taką liczbę par jonów (dodatnich i ujemnych), która odpowiada jednostce elektrostatycznej ładunku 9j.ES).
Bezwzględna wartość ładunku pojedyńczego jonu wynosi 1,60 x 10^-19 C, co odpowiada 4,80 x 10 ^-10 j.ES. A zatem, ładunek równy 1 j.ES jest związany z pojawieniem się 1:4,8 x 10^-10, czyli 2,08 x 10⁹ par jonów. Ponieważ suche powietrze w warunkach normalnych ma gęstość 0,001293 g/cm^-3, więc 1R = 1,6 x 10¹² par jonów na 1g powietrza.
Empirycznie wykazano, że wytworzenie jednej pary jonów w powietrzu w warunkach normalnych wymaga dostarczenia energii wynoszącej 5,2 x 10^-18 J. Stąd wynika, że 1R = 8,3 x 10^-6 J na 1g powietrza.
Inną tradycyjną jednostką dawki pochłoniętego promieniowania przez dowolne środowisko jest rad, który odpowiada 10^-2Jkg^-1.
Układ SI wprowadził w to miejsce jednostkę o nazwie grei (symbol Gy), która jest dawką promieniowania, przy jakiej energia 1J zostaje przekazana ciału o masie 1kg. A zatem 1 Gy = 1Jkg^-1, natomiast 1 rad = 10^-2 Gy.
W celu porównania efektów oddziaływania promieniowania jonizacyjnego na organizm ludzki używa się jednostki o nazwie rem. Definiuje się ją jako dawkę promieniowania wywołującego taki sam efekt biologiczny w organizmie człowieka jaki powoduje dawka 1R promieni (gamma) lub promieni Roentgena.

Wybrane jednostki stosowane w technice jądrowej

Wielkość	Obecnie używane (układ SI)	Dawne (układ CGS i pozaukładowe)	Przelicznik
Energia	dżul J	erg erg	1 erg = 10^-7 J
Aktywność	bekerel Bq	kiur Ci	1 Ci = 3,7×10^10 Bq = 37 GBq
Dawka ekspozycyjna	kulomb na kilogram C/kg	rentgen R	1 R = 2,58ˇ10^-4 C/kg=87,8 erg/g
Dawka pochłonięta	grej Gy	rad rad lub rd	1 rad = 0,01 Gy = 100 erg/g
Równoważnik dawki	siwert Sv	rem rem	1 rem = 0,01 Sv
Moc dawki ekspozycyjnej	amper na kilogram A/kg	rentgen na godzinę R/h
Moc dawki pochłoniętej	grej na sekundę Gy/s	rad na godzinę rd/h

Zastosowanie promieniotwórczości

Promieniotwórczość może być na różne sposoby stosowana w przemyśle, medycynie i laboratoriach badawczych. Poniżej przytoczono kilka przykładów;

• najbardziej znane zastosowanie to wykorzystanie radioaktywnego ¹⁴₆C do datowania zabytków archeologicznych. Podstawa tej metody jest następująca. Dwutlenek węgla w atmosferze składa się głównie z ¹²₆C i małej ilości ¹³₆C, które nie są promieniotwórcze. Poza tym występują ślady promieniotwórczego ¹⁴₆C, który stopniowo rozpada się, ale jego rozpowszechnienie jest raczej stałe. W wyniku wymiany dwutlenku węgla między organizmami żywymi a atmosferą ustala się stan równowagi, któremu odpowiada określona proporcja nuklidów ¹⁴₆C do trwałych ¹²₆C. Po śmierci organizmu (rośliny i zwierzęta) wymiana ta ustaje i w wyniku rozpadu nuklidów ¹⁴₆C proporcja nuklidów ¹⁴₆C do ¹²₆C w szczątkach organicznych maleje w miarę upływu czasu. Opracowano bardzo precyzyjne metody określenia tej proporcji, co umożliwia datowanie szczątków organicznych nie starszych niż 10000 lat, z błędem równym kilka procent.

• najbardziej rozpowszechnione zastosowanie to badanie mechanizmów złożonych reakcji organicznych. Na przykład stosując do asymilacji przez rośliny promieniotwórczy CO₂ (znaczony ¹⁴₆C), można było zbadać przemianę podczas fotosyntezy, od CO₂ do węglowodanów.

• Pluton-238, emiter  o okresie połowicznego rozpadu 86 lat, jest stosowany w długotrwałych bateriach do zasilania regulatora rytmu serca.

• wskaźniki izotopowe wprowadzone do krwioobiegu pozwalają śledzić przemieszczanie się substancji biochemicznych w organizmie ludzkim.

---