Radioaktywność Naturalna - ł i promienie X Radioaktywność Naturalna
Zarówno promienie X jak i promieniowanie ł są wysoko-energetyczne (=
Niestabilne ciężkie jądra ulegają spontanicznie rozpadowi,
duża częstotliwość lub krótka długość fali).
wieloetapowo poprzez niestabilne indywidua pośrednie.
Niestabilne jądra dają początek rodzinom produktów rozpadu
Promienie X mają krótszą
długość fali niż światło widzialne
tworzÄ…c serie rozpadu.
czy ultrafioletowe - pomiędzy
0.01nm a 10nm.
N.p. 238U przechodzi w&
p p
238 234 4
U Å»#Å»# Th + Ä…

92 90 2
234 234 0
promienie Å‚ majÄ… bardzo
Th Å»#Å»# Pa + ²

90 91 -1
krótkie długości fal -
234 234 0
mniej niż 0.01nm lub
Pa Å»#Å»# U + ²

91 92 -1
0.1Å
234 230 4
U Å»#Å»# Th + Ä…

92 90 2
230 226 4
Th Å»#Å»# Ra + Ä…

90 88 2
& etc, etc,...
Radioaktywność Naturalna
Radioaktywność Naturalna
238
Szereg rozpadu radioaktywnego Izotop radioaktywny taki jak U
(n.p. 238U) można przedstawić tworzy w ten sposób rodzinę
bardziej zwięz
le w postaci izotopów w seriach rozpadu.
wykresu zależności liczby Naturalnie występujący uran
238
neutronów od liczby atomowej. zawiera U, oraz będzie także
zawierał komponenty serii
rozpadu.
Rozpad Ä… jest pokazany jako
ubytek dwóch protonów (Z) i dwóch
neutronów (N).
Rozpad ² jest pokazany jako
ubytek jednego neutronu i przyrost
jednego protonu.
Izotopy (taka sama Z, różna N)
na rysunku leżą wzdłuż linii
pionowych.
Serie Rozpadu Radioaktywnego & i układ okresowy
Maria Curie
" Maria Skłodowska urodzona w Warszawie, 7 Listopada, 1867.
" W roku 1891 w wieku lat 24, Skłodowska wyjeżdża do Paryża
studiować matematykę, Fizykę i chemię na Sorbonie.
" 25 lipca 1895 poślubiła Pierre a Curie
" 1903r. Nagroda Nobla w dziedzinie Fizyki
" 1911r Nagrodz Nobla w dziedzinie Chemii
" 1911r.Nagrodz Nobla w dziedzinie Chemii
" Odkryła Rad i Polon, autorka terminu  Radio-aktywność .
" W 1906, Pierre Curie, został potrącony przez wóz konny, w
wyniku czego zginÄ…Å‚.
206
206
Pb
Pb
" Maria Curie zmarła w wieku 67 lat w roku 1934 na leukemię. Jej
szczątki spoczywają w Panteonie w Paryżu
" W roku 1935, córka Państwa Curie, Irena Joliot-Curie otrzymała
NagrodÄ™ Nobla w dziedzinie Chemii, co czyni je pierwszymi w
historii matkę i córkę posiadające ten zaszczyt.
238
238
U
U
1
Stabilność Jądrowa Stabilność jądrowa 1. Rozmiar jądra
209
Nie ma stabilnych jąder cięższych niż
Nie ma stabilnych jąder cięższych niż Bi
83
Jakie czynniki decydujÄ… o tym, czy jÄ…dro jest stabilne lub
niestabilne?
Jeśli spojrzeć na szereg stabilnych jąder występujących w naturze, to
należy poczynić dwie zasadnicze obserwacje:
1. Rozmiar jÄ…dra.
2. Skład jądra (proton:neutron)
Stabilność jądrowa 2. neutron:proton (N:Z)
Uogólnienie  stabilność jądrowa
Wszystkie znane stabilne
nuklidy leżą w strefie
stabilności.
Strefa ta posiada stosunek Liczba atomowa > 83: niestabilne
N:Z bliski 1, lecz  odchylenia
1. Liczba nukleonów = 2, 8, 20, 28, 50, 82 or 126:
w kierunku większej liczby
zwiększona stabilność
neutronów przypadających
2 Par protonó i par ne tronó : added stabilit
2. Pary protonów i pary neutronów: added stability
na proton pojawiajÄ… siÄ™ w
t j i j i
miarÄ™ przechodzenia do
" nieparzysta liczba zarówno protonów jak i neutronów
większych jąder.
mniejsza stabilność
Te dwie obserwacje sÄ… wystarczajÄ…ce
3. Stosunek neutron: proton dla added stability
dla ustalenia  zasady stabilności
" 1:1 w izotopach do 20 protonów
jąder, która mówi, że:
" 1+więcej:1 z rosnącymi ciężkimi izotopami
 Niestabilne izotopy muszą rozpadać
siÄ™ zmierzajÄ…c w kierunku strefy
stabilności, ostatecznie lokując się
209
poniżej Bi.
Serie rozpadu promieniotwórczego
Typy rozpadów promieniotwórczych
1. Emisja ALFA " Jedno jądro promieniotwórcze
222 218 4
" Wyrzut jÄ…dra Helu
(1) ulega rozpadowi dajÄ…c inne
Rn Po + He
86 84 2
" najmniejsze przenikanie:
(2), które rozpada się dając
zatrzymywane przez warstwÄ™
papieru j (3),
p p kolejne ( ), które&
2. Emisja Beta 14 14 0
" Trzy naturalnie występujące
C N + e
" Wyrzut elektronu 6 7 -1
serie
" Większe przenikanie: 1 cm
 Tor-232 do ołowiu-208
warstwa aluminium
222 222 0
3. Rozpad Gamma  Uran-235 do ołowiu-207
Rn* Rn + Å‚
86 86 0
" Emisja fotonu o wysokiej energii
 Uran-238 do ołowiu-206
" Największe przenikanie: 5 cm
warstwa ołowiu
2
Stabilność jądrowa i mechanizmy rozpadu
Okres półtrwania
Rozważmy pewne znane izotopy węgla z ostatniego wykładu.
" Czas potrzebny do rozpadu 1/2
próbki radioaktywnej
11 12 13 14 15
C C C C C
6 6 6 6 6
" Przykład: 1 kg nietrwałego
izotopu posiadajÄ…cego okres
półtrwania równy 1dzień
ółt i ó 1d i ń
 Po 1 dniu: pozostaje 500 g
Nietrwałe Stabilne jądro; Stabilne jądro; Nietrwałe Nietrwałe
 Po 2 dniach: pozostaje 250 g
jÄ…dro jÄ…dro; jÄ…dro;
N/Z = 1 N/Z = 1.17
 Po 3 dniach: pozostaje 125 g
N/Z = 0.83 N/Z = 1.33 N/Z = 1.5
zbyt niskie zbyt wysokie zbyt wysokie
" Seria rozpadu U-238: duże
zmiany okresu półtrwania
Mass too high
Stabilność jądrowa i mechanizm rozpadu Stabilność Jądrowa
Ä… decay.
Każde jądro ulega rozpadowi w kierunku strefy stabilności
poprzez zmianę stosunku N/Z at constant mass number.  Zasada stabilności jądrowej:
 Izotopy nietrwałe muszą ulegać N/Z too high
N/Z zbyt niskie daje rozpad ²+. N/Z zbyt wysokie daje rozpad ²-.
rozpadowi w kierunku strefy ²- decay.
11 11 0 14 14 0
stabilności, ostatecznie lokując się
C Å»#Å»# B + e+ C Å»#Å»# N + e-

6 5 1 6 7 -1
209
poniżej Bi.
209
Jądra cięższe niż Bi ulegają
rozpadowi na drodze mechanizmu
N/Z = 0.83 N/Z = 1.2 N/Z = 1.33 N/Z = 1.0
złożonego, za pośrednictwem
lub równoważnie przez wychwyt elektronu.
rozpadu Ä… redukujÄ…c masÄ™ (N/Z =
N/Z too low
15 15 0
55 0 55 1) oraz innych mechanizmów dla
C Å»#Å»# N + e-

Fe + e- Å»#Å»# Mn

6 7 -1 ²+ decay
26 -1 25
zmiany N/Z.
or electron
capture.
N/Z = 1.11 N/Z = 1.2 N/Z = 1.5 N/Z = 1.14
Stabilność Jądrowa  pochodzenie mechanizmów rozpadu Stabilność Jądrowa- pochodzenie mechanizmów rozpadu
Pochodzenie  zasady stabilności jądrowej jest empiryczne, Stabilność jądra jest związana ze współzawodnictwem
oparta na prostej obserwacji eksperymentalnej, które jądra są pomiędzy dwoma siłami:
stabilne, a które nie.
1. Odpychanie coulomb owskie lub elektrostatyczne między
Możemy ją stosować jako algorytm do rozwiązywania protonami skutkuje wypchnięciem tych nukleonów na dużą
niektórych zagadnień dotyczących rozpadu jądrowego odległość
niektórych zagadnień dotyczących rozpadu jądrowego, odległość.
pomijając rozumienie podstaw racjonalnych stabilności
jądrowej. 2. Silne oddziaływania jądrowe są krótko-zasięgowym
przyciąganiem pomiędzy wszystkimi nukleonami.
W celu zrozumienia racji, zasady, oraz obserwacji, należy
Główną rolą jaką spełniają neutrony w jądrze jest to, że biorą udział
rozważyć siły oddziaływań pomiędzy nukleonami wewnątrz
w wiązaniu jądra, jednocześnie nie mając udziału w
jÄ…dra.
destabilizujących oddziaływaniach eletrostatycznych.
3
Stabilność Jądrowa- pochodzenie mechanizmów rozpadu Szybkość Rozpadu Promieniotwórczego
Nietrwałe jądra obecne są w naturze z dwóch powodów.
Jak wyjaśnić poczynione obserwacje?
" Niektóre nietrwałe jądra posiadają długi okres półtrwania, więc po
1. W jądrach o zbyt małej liczbie neutronów, odpychania
prostu jeszcze nie uległy rozpadowi.
" Niektóre nietrwałe jądra stale powstają w reakcjach jądrowych.
elektrostatyczne przewyższają silne przyciągania jądrowe.
2 Wmiarę przechodzenia do większych jąder daleko
2. W miarę przechodzenia do większych jąder, daleko-
Dla każdego jądra macierzystego ulegającego rozpadowi, powstaje jedno
zasięgowe odpychania elektrostatyczne między protonami
nowe jÄ…dro i emitowana jest czÄ…stka lub Å‚ . n.p.
akumulują się i w końcu przewyższają silne przyciągania
212 208 4
Bi Å»#Å»# Tl + Ä…

83 81 2 CzÄ…stka
jÄ…drowe, nawet w przypadku gdy N/Z jest optymalna.
12 12 0
B Å»#Å»# C + e- emitowana

5 6 -1
JÄ…dro
Przedstawiony model mikroskopowy nie daje wyjaśnienia w jaki sposób
Nowe jÄ…dro
macierzyste
jądra posiadające zbyt dużą liczbę neutronów mogą być niestabilne. W
tym celu korzysta siÄ™ z mechaniki kwantowej.
Rozpad nietrwałego jądra charakteryzuje się przez czas półtrwania. Jest
to czas potrzebny do tego, aby połowa początkowej liczby jąder uległa
rozpadowi.
Szybkość Rozpadu Promieniotwórczego  okres półtrwania Szybkość Rozpadu Promieniotwórczego
32 Zanik nuklidu promieniotwórczego poprzez rozpad promieniotwórczy
przykład: P rozpada się do
32 opisuje siÄ™ jako:
S z czasem półtrwania 14.7
dni.
N(t) = N0 exp(-t)
32 32 0
P Å»#Å»# S + e-

15 16 -1
Liczba jÄ…der
Liczba jÄ…der
Stała rozpadu
pozostałych po
32
Liczba jąder P zmniejszy się o połowę po upływie 14.7 dnia, a pozostała
jÄ… j y Ä™ p Ä™ p p y , p
obecnych na
obecnych na
czasie t.
i t
część zmniejszy się o połowę po upływie dalszych 14.7 dnia...
poczÄ…tku
1
Zatem, po upływie 14.7 dnia, połowa z początkowych 10g 32P ulegnie
rozpadowi, pozostanie 5g. W tym samym czasie powstanie 5g 32S.
przykład: Krzywa zaniku dla 3H, 0.75
Po upływie kolejnych 14.7 dnia, pozostanie zaledwie 2.5g 32P, natomiast w
próbce będzie znajdowało się 7.5g 32S&
T1/2 = 12.26 lat. 0.5
Pokazany przykład wskazuje, żeszybkość rozpadu, liczba jąder, które ulegną
rozpadowi w każdej sekundzie, również spada o połowę po upływie każdych Liczba jąder zmniejszy się o 0.25
14.7 dnia. połowę po upływie każdych
12.26 lat.
0
Szybkość rozpadu zmniejsza się o połowę każdorazowo po upływie czasu
0 25 50 75 100
półtrwania.
time (years)
Szybkość Rozpadu Promieniotwórczego Aktywność jest Szybkością Rozpadu Jądrowego
Czas półtrwania jest to czas potrzebny aby połowa nuklidów uległa
Aktywność, A, nuklidu promieniotwórczego jest szybkością
rozpadowi (a połowa pozostała). Zatem jeśli N = N0/2
emisji, lub ujemną szybkością zaniku nuklidu. n.p.
N0
dN d
= N0 exp(-t1 2)
A =- =- N0 exp(-t)
2
dt dt
W rozwiÄ…zaniu otrzymujemy
= N exp( t)
= N0 exp(-t)
= N
ln(2) 0.693
t1 2 = =
 
Ostatecznie możemy zapisać rozpad w kategorii czasu półtrwania jako
Aktywność (stopień rozkładu) próbki jest proporcjonalny do początkowej
liczby jÄ…der.
N (t) = N0 exp(-0.693t / t1 2)
n.p. gdy początkowa liczba jąder zmniejszy się o połowę, aktywność
również zmniejszy się o połowę.
4
0
N/N
Jednostki Aktywności Aktywność i Okres Półtrwania
" Istnieje zależność pomiędzy aktywnością i okresem półtrwania.
" Podstawowe jednostki Aktywności  liczba rozpadów na
" Niska aktywność (mało rozpadów na sekundę) = długi okres półtrwania.
sekundę, znana również jako becquerel (Bq)
" Wysoka aktywność = krótki okres półtrwania
0.693
A = N = N
t1 2
" Curie (Ci)  1 Ci równa się liczbie jąder ulegających
rozpadowi w czasie jednej sekundy w 1g 226Ra
o pado c as e jed ej se u dy g a
0 693
0.693
" Aktywność molowa = aktywność/mol
AM = NA = NA
t1 2
= 3.70 x 1010 rozpadów na sekundę (lub Bq).
" Aktywność właściwa = aktywność/gram
NA 0.693 NA
AS = =
M t1 2 M
M = atomic mass
Aktywność molowa, aktywność właściwa i okres półtrwania są
niezależne zarówno od ilości materiału radioaktywnego obecnego
w próbce.
Aktywność i Okres Półtrwania - przykład do analizy Szybkość Rozpadu Promieniotwórczego Serie Rozpadu
13
Jaka jest aktywność molowa N, posiadającego okres
W seriach rozpadu, każdy etap w
półtrwania równy 9.96 minut?
mechanizmie charakteryzuje się własnym
okresem półtrwania.
0.693
Odpowiedz
. AM = NA = NA
238
t1 2
Warto zauważyć, że okres półtrwania U wynosi
4.5x10 y, więc wiele atomów obecnych w
4.5x109 y, więc wiele atomów obecnych w
9.96 minut = 598s
momencie powstawania Ziemi wciąż jeszcze nie
uległo rozpadowi. Jednakże  nowo-powstałe jądra
ulegajÄ… rozpadowi znacznie szybciej.
AS = 0.693 x 6.022 x 1023/598
Warto również zauważyć, że okres półtrwania może
= 6.98 x 1020 rozpadów mol-1 s-1 (lub Bq mol-1)
wynosić nawet biliony lat lub dla odmiany być rzędu
ms lub krótszy.
lub 6.98 x 1020/3.70 x 1010 = 1.88 x 1010 Ci mol-1
5