XII. REAKCJE JĄDROWE

1. Samorzutne przemiany jądrowe

Jądra nuklidów promieniotwórczych ulegają samorzutnemu rozpadowi, połączonemu z emisją różnego rodzaju promieniowania.

Jądra nie mogą zawierać tak za dużo jak i za mało neutronów w stosunku do protonów.

Zależność liczby neutronów od liczby protonów w trwałych jądrach atomowych

Liczba neutronów / liczba protonów < 1,6. Dla jąder o Z < 20 Z ≈ N

Nadmiar neutronów jak i ich niedomiar powoduje , że jądro jest nietrwałe (promieniotwórcze)

1. Zmniejszenie nadmiaru neutronów:

lub ściślej:

gdzie: n - neutron (¹₀n),

p - proton (¹₁p),

β^- - cząstka beta minus, negaton (
),

ν - antyneutrino (znikoma masa, bez ładunku)

Na przykład:

¹⁴₆C = ¹⁴₇N +

Jest to przemiana typu beta minus

2. Zmniejszenie nadmiaru protonów:

p → n + β⁺ + ν

gdzie: ν - neutrino,

β⁺ - cząsteczka beta plus, pozyton (
) .

Na przykład:

Jest to przemiana typu beta plus

3. przemiana typu alfa:

Jądra o dużych liczbach masowych są nietrwałe bez względu na stosunek liczby neutronów do liczby protonów. Nie jest znane żadne trwałe jądro o A > 209. Ciężkie jądra dążące do przemiany w trwałe jądra o mniejszej masie emitują cząstki α, tj. jądra ^42He.

Na przykład:

W tego typu przemianach:

A₂ = A₁ - 4 Z₂ = Z₁ - 2

d) Promieniowanie typu gamma:

Powstające w wyniku przemian promieniotwórczych jądra mogą być obdarzone nadmiarem energii, którego pozbywają się emitując promieniowanie elektromagnetyczne zwane promieniowaniem gamma:

ΔE = E₂ - E₁ = hν

gdzie: ν - częstotliwość

2. Szybkość rozpadu promieniotwórczego

Rozpad nietrwałych jąder zachodzi wg reakcji pierwszorzędowej:

gdzie:

N - liczba jąder izotopu promieniotwórczego

λ - stała rozpadu

t - czas

Po scałkowaniu:

N = No ⋅ e^-^λ^t

N_o - początkowa liczba jąder

T_1/2 - okres półtrwania izotopu promieniotwórczego

Przykłady okresów półtrwania:

U-238 4,5⋅10⁹ lat

K-40 1,5⋅10⁹ lat

C-14 5730 lat

Rn-222 3,9 dnia

najcięższe izotopy sztucznych

pierwiastków promieniotwórczych << 1s

Jednostki:

1 Bq = 1 s^-1

1 Ci = 3,7⋅10¹⁰ Bq

Jednostki pochodne:

1 mCi = 1⋅10^-3 Ci 1 kBq = 1⋅10³ Bq

1 μCi = 1⋅10^-6 Ci 1 MBq = 1⋅10⁶ Bq

1 nCi = 1⋅10^-9 Ci 1 GBq = 1⋅10⁹ Bq

3. Naturalne szeregi promieniotwórcze

Naturalne pierwiastki promieniotwórcze od Z = 84 (Polon)

do Z = 92 (Uran) z wyjątkiem astatu występują wyłącznie

w postaci izotopów promieniotwórczych.

Są to izotopy o A od 208 do 238.

Tworzą one 3 szeregi naturalnych izotopów promieniotwórczych:

1) 4n Torowy ²³²Th → ²⁰⁸Pb

2) 4n + 2 Uranowo-radowy ²³⁸U → ²⁰⁶Pb

3) 4n + 3 Uranowo-aktynowy ²³⁵U → ²⁰⁷Pb

4. Sztuczne reakcje jądrowe

Pierwsza sztuczna przemiana jądrowa wywołana przez człowieka

- Rutheford (1919 r):

¹⁴₇N + ⁴₂He = ¹⁷₈O + ¹₁H

Liczba otrzymanych sztucznych izotopów promieniotwórczych wynosi ok. 1400, przy ok. 334 izotopach naturalnych. Ogólnie sztuczne przemiany promieniotwórcze dochodzą do skutku w wyniku bombardowania jąder atomowych takimi cząstkami jak cząstki α, protony, neutrony, itp.

Podział reakcji jądrowych:

- proste reakcje jądrowe,

- rozszczepienie jąder,

- reakcje termojądrowe.

Proste reakcje jądrowe

Przykłady prostych reakcji jądrowych:

⁷₃Li + ¹₁H = 2⁴₂He

²⁴₁₂Mg + ¹₀n = ²⁴₁₁Na + ¹₁H

W roku 1934 Fryderyk i Irena Joliot-Curie dokonali syntezy pierwszego sztucznego nuklidu promieniotwórczego, tj. ³⁰₁₅P:

²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n

³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + ⁰₁β⁺ T_1/2 = 195 s.

W wyniku reakcji jądrowych otrzymano najcięższe pierwiastki:

„TARCZA” + „POCISK” = NOWY PIERWIASTEK

(Berkeley, 1999)

Reakcje roszczepienia jąder atomowych

Reakcje rozszczepienia jąder atomowych polegają na tym, że nietrwałe ciężkie jądra pod wpływem strumienia neutronów ulegają rozpadowi na dwa fragmenty o porównywalnych liczbach atomowych oraz następuje emisja 2 - 3 neutronów.

Pierwszą reakcją rozszczepienia przeprowadzili w roku 1939 Hahn i Strassman:

²³⁵₉₂U + n → X + Y + (2 - 3)n

Przykłady X i Y:

⁹²₃₆Kr i ¹⁴¹₅₆Ba, ¹⁴⁰₅₄Xe i ⁹²₃₈Sr

Schemat reakcji rozszczepienia:

Proces rozszczepienia zachodzi w reaktorach jądrowych (w sposób kontrolowany) i w bombie atomowej (w sposób niekontrolowany).

Reakcje termojądrowe

Przykładem reakcji termojądrowej jest synteza helu zachodząca we wnętrzu gwiazd (temperatury rzędu 10⁷ - 10⁸ K):

4¹₁H → ⁴₂He + 2⁰₁β⁺ +26,7 MeV

W bombie wodorowej znalazła zastosowanie inna reakcja termojądrowa:

+17,6 MeV

Koniec Rozdziału XII.

Władysław Walkowiak Chemia Ogólna WPC1002w

1

Rozdział XII. Reakcje jądrowe

aktywność substancji

promieniotwórczej

N

t

---