Nukleony. Nukleony cząstki jądra atomowego suma protonów i neutronów.

Transkrypt

1 JĄDRO ATOMOWE

2 Nukleony Nukleony cząstki jądra atomowego suma protonów i neutronów. A Z X np. dla izotopów wodoru: -jądro najpospolitszego izotopu H (Z=, A=) składa się z jednego protonu: H -jądro deuteru zawiera dodatkowo jeden neutron (Z=, A=2): lub 2 H -jądro trytu zawiera jeden proton i dwa neutrony (Z=, A=3): 3 lub 2 D H 3 T

3 Izotopy Izotopy to atomy zawierające jednakową liczbę protonów a różna liczbę neutronów. H 2 D 3 T

4 Badania izotopów Do rozdzielania izotopów wykorzystano ich niewielkie różnice we właściwościach fizycznych i chemicznych. Przykładem jest elektrolityczny rozkład wody, któremu nieco szybciej ulegają cząsteczki wody zawierające lżejsze izotopy H Rozdzielenie izotopów na większą skalę przeprowadza się metodami elektromagnetycznymi.główną metoda służącą do wykrywania obecności izotopów oraz do oznaczania ich zawartości jest spektrometria masowa. Stosuje się także badania spektralne za pomocą spektrografu o wysokiej zdolności rozdzielczej. Izotopy O, H i N wykazują drobne różnice w położeniu linii w widmie atomowym. Izotopy promieniotwórcze, zawierające nietrwałe jądra, można wykryć i oznaczyć dzięki wydzielanemu przez nie promieniowaniu ( α, β, β + ) wykazującego zdolność do jonizacji gazów. Największa liczbę izotopów trwałych (0) ma 50 Sn. Nieliczne są pierwiastki mające po jednym trwałym izotopie. Należą do nich: 9 F, Na, 3 Al, 5 P, 2 Sc, 25 Mn, 27Co, 33 As, 39 Y, 4 Nb, 45 Rh, 53 I, 55 Cs, 59 Pr, 67 Ho, 69 Tm, 75 Re, 79 Au, 83 Bi; Wszystkie te pierwiastki mają nieparzyste liczby atomowe.

5 Powstawanie atomu można sobie wyobrazić jako reakcję syntezy jądrowej ze składników, np.: + + p n 0-0 e Be + energia Równanie to nie spełnia prawa zachowania masy m substratów > m produktów 4

6 Energia wiązania nukleonów w jądrze Rozmiary jądra są bardzo małe, rzędu m, a nukleony w nim zawarte mają małą objętość. Pomimo, że między protonami występują siły odpychania elektrostatycznego, większość jąder to układy bardzo trwałe. Jednak siły przyciągania, zwane siłami jądrowymi, przeważają bez względu na ładunek elektryczny nukleonów. Siły te zanikają bardzo szybko w miarę wzrostu odległości. 9 Jądro berylu ( ) zawiera 4 protony i 5 neutronów, a wokół niego krążą 4 Be 4 elektrony. Gdyby były w stanie wolnym ich łączna masa (m [u]) wynosiłaby: masa 4 elektronów masa 4 protonów masa 5 neutronów 4 0, , , masa teoretyczna = 0, = 4, = 5, , Jednak najdokładniejsze pomiary masy Be dają wartość: 9,028 u, która jest mniejsza od teoretycznej o 0,0624 u. Z teorii względności Einsteina wynika, że w przyrodzie mogą zachodzić procesy, w których masa układu ulega zmianie nie wskutek wymiany masy (m) - atomów cząsteczek - z otoczeniem, lecz wskutek wymiany energii (E) zgodnie ze wzorem: E = mc 2

7 Różnica masy zwana jest defektem masy. Współczynnikiem proporcjonalności jest kwadrat prędkości światła (c = 2, m s - ). Ze wzoru można dalej wyliczyć, że energia wydzielająca się podczas łączenia nukleonów i elektronów jednego atomu berylu wyniosłaby 58,3 M ev. Tyle samo energii należałoby dostarczyć, aby jądro berylu ponownie rozbić na nukleony. Energię tę nazywamy energią wiązania jądra. Bardzo często przelicza się ją na nukleon występujący w jądrze, dla Be: 58,3 M ev / 9 = 6,46 MeV. Energia odpowiadająca zniknięciu masy u wynosi: E = 93,5 MeV =, J W podobny sposób można obliczyć energię wiązania nukleonów w jądrze dla wszystkich innych atomów (nuklidów). Dla większości nuklidów (oprócz lekkich) zawarta jest ona w granicach: 7 8,7 MeV. Wartość maksymalną (8,7 MeV) osiąga dla jąder o liczbie masowej 56 (główny izotop żelaza) Fe Be

8 Energia wiązania nukleonu w jądrach o różnych liczbach masowych 0 energia [MeV] liczba masowa, A

9 Promieniotwórczość A.H. Becquerel (896) M. Skłodowska - Curie ( ) Jądra pierwiastków promieniotwórczych (naturalnych i sztucznych) ulegają mniej lub bardziej samorzutnemu rozpadowi, połączonego z emisją różnego rodzaju promieniowania. Jądro 87 Rb 37 protonów 50 neutronów 38 protonów 49 neutronów Jądro 97 Sr

10 Warunki trwałości jąder atomowych Zależność trwałości od masy Jądra o dużych liczbach masowych są nietrwałe bez względu na to, jaki jest stosunek N/Z. Najcięższym znanym trwałym jądrem atomowym jest jądro izotopu bizmutu: Bi Jądra o zbyt dużej masie dążąc do przemiany w trwałe jądra o mniejszej masie, 4 emitują cząstki α, składające się z 2 protonów i 2 neutronów ( ). Energia tych 2 He cząstek jest dość znaczna, tj. 4-9 MeV, ale ich zasięg w powietrzu jest mniejszy od cząstek β. Emisja cząstki α prowadzi do zmniejszenia liczby atomowej nuklidu (Z) o 2 oraz liczby masowej (A) o 4.

11 Zależność trwałości od N/Z W jądrach lekkich izotopów o liczbach atomowych Z 20 stosunek N/Z. W miarę zwiększania liczby Z, N/Z,6. Stosunek ten może zmieniać się dla izotopów danego pierwiastka w wąskich granicach. Zarówno nadmierny wzrost liczby neutronów (N), jak i nadmierny jej spadek, powoduje, że jądro staje się nietrwałe i ulega przemianie (lub serii przemian) prowadzących do utworzenia trwałego jądra. Zmniejszenie nadmiaru liczby neutronów dokonuje się najłatwiej przez emisję promieniowania β (emisję elektronu e ), który powstaje w toku przemiany neutronu w proton zachodzącej wewnątrz jądra: 0 0 n p + e + Przemianie tej towarzyszy emisja cząstki ν o znikomej masie spoczynkowej, zwanej antyneutrino, nie obdarzonej żadnym ładunkiem elektrycznym. Przemiana n w p powoduje zwiększenie Z o jedną jednostkę, a więc przemianę pierwiastka. np. promieniotwórczy izotop węgla przemienia się w trwały izotop azotu : C 7 N + e ν ν

12 Tendencja do zmniejszania się nadmiaru protonów wywołuje najczęściej emisję promieniowania β +, tj. pozytonu e + (cząstki różniącej się od elektronu tylko znakiem ładunku elektrycznego). Emisja cząstki e + następuje w wyniku przemiany jednego z protonów w jądrze w neutron i towarzyszy jej emisja neutrina ν, cząstki przypominającej własnościami antyneutrino p n W wyniku tego liczba Z zmniejsza się o jedną jednostkę. Liczba A nie zmienia się. Przemianę β + stwierdzono tylko w przypadku przemian sztucznych izotopów promieniotwórczych. Wychwyt K Do zmniejszenia nadmiaru protonów w jądrze prowadzi też proces polegający na wychwyceniu przez jądro jednego z elektronów z pozajądrowej części atomu, z najgłębiej położonej powłoki K. Ubytek elektronu jest wyrównywany przez przejście na nią elektronu z dalszej powłoki. Energia potencjalna elektronu przechodzącego z powłoki dalszej do położonej bliżej jądra ulega obniżeniu, a różnica energii jest emitowana na zewnątrz w postaci promieniowania rentgenowskiego. e ν

13 Jądra powstające w wyniku przemian mogą być obdarzone nadmiarem energii, (jest w stanie wzbudzonym), którą emitują w postaci wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego (promieniowania γ ). Ma mniejszą długość fali niż promieniowanie rentgenowskie. promieniowanie zmiana liczby Z zmiana liczby A α Z - 2 A + 4 β Z + β + γ Z Jest to rozszerzona treść reguły Fajansa i Soddy ego (9 93).

14 Liczba neutronów (N) emitery α N = Z Związek pomiędzy liczbą neutronów a liczbą protonów w jądrach atomowych emitery β Z

15 Szybkość rozpadu promieniotwórczego Szybkość rozpadu nietrwałych jąder, zarówno naturalnych i otrzymanych sztucznie, jest wprost proporcjonalna do do liczby jeszcze nie rozłożonych atomów N. Szybkość wyrazimy zależnością: dn = λ N dt Stała λ -stała rozpadu promieniotwórczego dn - ubytek liczby atomów jest liczbą ujemną, stąd przed ułamkiem. Po przekształceniu i założeniu, ze w chwili początkowej t=0 liczba danego izotopu wynosiła N 0 otrzymamy: ln N N N 0 = N 0 = λt e λt

16 Ubytek substancji promieniotwórczej w funkcji liczby okresów półtrwania

17 T ½ - okres półtrwania izotopu promieniotwórczego, czas, w którym ulega rozpadowi połowa ilości danego izotopu. Jest to wielkość używana najczęściej do charakteryzowania szybkości rozpadu promieniotwórczego. Z równania wynika, że okres półtrwania jest niezależny od ilości początkowej izotopu. 226 Np. okres półtrwania izotopu radu 88Ra wynosi 622 lata. Po upływie takiego czasu z dowolnej ilości radu pozostanie połowa. Po upływie następnych 622 lat ulega rozpadowi znowu połowa ilości, która pozostała, tj. czwarta część ilości wyjściowej. Wartości okresu półtrwania różnych nuklidów wahają się w bardzo szerokich granicach. Np. w szeregu uranowo-radowym: dla U T = 2 T ½ = 4,5 0 9 lat 24 dla Po T ½ =, s. 84 ln 2 λ

18 Równowaga promieniotwórcza X I X II X III... Jeśli wyodrębnimy w stanie czystym jeden z izotopów z szeregu np. X I to po jakimś czasie zostanie zanieczyszczony promieniotwórczym produktem jego rozpadu izotopem X II. Następnie pojawia się pierwiastek X III itd. Szybkość rozpadu X II jest początkowo bardzo mała, gdyż jest mała liczba atomów tego izotopu N II. Wraz ze wzrostem liczby N II wzrasta również szybkość rozpadu izotopu X II, równocześnie maleje szybkość rozpadu izotopu X I. Po pewnym czasie obie szybkości wyrównują się. N T dn dt I I = I dn = dt N II II = II dn = dt N III III T T III Uwzględniając równanie: N = T = 2 ln 2 λ I II III : N I II : NIII T : T : T Po pewnym czasie ustala się stan równowagi promieniotwórczej.

19 Szeregi promieniotwórcze Większość naturalnych pierwiastków promieniotwórczych ulegając rozpadowi daje jądra nowego pierwiastka, które również są nietrwałe i ulegają dalszemu rozpadowi. Powstają w ten sposób szeregi promieniotwórcze. Wyróżniamy następujące szeregi promieniotwórcze: - uranowo-radowy uranowo-aktynowy U Pb szeregi naturalne - torowy -neptunowy 90Th Pb 93 Np 237 U 206 Pb Bi 82 Każdy szereg promieniotwórczy rozpoczyna się nuklidem stosunkowo trwałym, zanikającym znacznie wolniej, niż inne nuklidy stanowiące pozostałe ogniwa szeregu. Szeregi kończą się nuklidami niepromieniotwórczymi, nie ulegającymi dalszym przemianom.

20 A Szereg uranowo-radowy β α Z 8 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89 Ac 90 Th 9 Pa 92 U

21 A Z Szereg uranowo-aktynowy 8 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89 Ac 90 Th 9 Pa 92 U α β

22 A Szereg torowy α β Z 8 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89 Ac 90 Th 9 Pa

23 A Szereg neptunowy α β Z 8 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 87 Fr 88 Ra 89 Ac 90 Th 9 Pa 92 U 93 Np

24 Reakcje jądrowe Oprócz przemian naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, bardzo wiele przemian pierwiastków, a właściwie przemian ich jąder atomowych, można wywołać sztucznie. Pierwsza sztuczna przemiana jądra atomowego, wywołana przez człowieka, została zrealizowana przez Rutherforda (99), który poddał azot 24 działaniu cząstek α emitowanych przez izotop polonu Po. 84

25 Rodzaje reakcji jądrowych Proste reakcje jądrowe cząstki bombardujące wykazują energię nie przekraczającą kilkudziesięciu MeV. Wchłonięcie ich przez jądro łączy się z emisją lub 2 cząstek elementarnych (elektronu, protonu, neutronu itp.) Kruszenie jąder pod wpływem cząstek bombardujących o bardzo wysokiej energii (kilkaset MeV). Jądra tracą znaczną część swojej masy, dochodzącą do 40 u. Np. jądra Fe pod wpływem bombardowania protonami o energii 340 MeV dają liczne izotopy promieniotwórcze pierwiastków od 22 Na do 55 Co. Rozszczepianie jąder ulęgają mu tylko nietrwałe, ciężkie jądra atomowe naświetlane powolnymi neutronami. Produktami rozszczepienia są dwa różne fragmenty jądra o porównywalnych masach oraz 2 do 3 neutronów Reakcje termojądrowe zachodzą w bardzo wysokich temperaturach ( K). Polegają na łączeniu się najmniejszych jąder ( H, 2 itp.) w większe np. 4 D He.

26 Proste reakcje jądrowe Reakcja wykorzystywana do laboratoryjnego wytwarzania neutronów: Be+ 2He 6C+ Skuteczniejszym działaniem wykazują się cząstki α wytworzone sztucznie i przyspieszane w akceleratorach (aby pokonać barierę potencjału). Rozpędzone protony H i deuterony 2 łatwiej docierają D do bombardowanych jąder. Pierwszą reakcją zrealizowaną za pomocą sztucznie wytworzonego strumienia rozpędzonych protonów była przemiana Li w He (Cockrofta i Waltona - 932): 7 3Li + H 2 Przykład reakcji jądrowej zachodzącej pod wpływem neutronów, które nie doznają odpychania elektrostatycznego: Mg+ n Na H He n

27 Zmiany masy i energii w reakcjach jądrowych Reakcjom jądrowym towarzyszy wydzielanie lub pochłanianie znacznych ilości energii. Można je obliczyć na podstawie ubytku lub przyrostu masy podczas reakcji. masa atomowa masa atomowa N He N + 2He 8O+ 4 = 4, = 4, , H masa atomowa masa atomowa O 7 8 H = 6,99933 =, , W czasie reakcji nastąpił wzrost masy o: 8, , = 0,00284 u 4 tzn., że na jądro 7 N należy dostarczyć energię: 93 0,00284 =,9 MeV (endoenergetyczna)

28 Z przemian jądrowych można czerpać energię : 7 3Li + H He Ubytkowi masy wynoszącemu 0,852 u odpowiada wydzielenie energii 7,25 MeV przypadającej na jądro Li (reakcja egzoenergetyczna). Elektrownia atomowa w Dungennes w Wielkiej Brytanii.

29 Sztuczna promieniotwórczość Jądra atomowe powstające w wyniku ostrzeliwania protonami, deuteronami cząstkami α lub neutronami często ulegają dalszemu rozpadowi promieniotwórczemu. Pierwszy przypadek sztucznej promieniotwórczości został odkryty w 934 r. przez Fryderyka i Irenę Joliot-Curie. Stwierdzili, że w czasie naświetlania Al cząstkami wydzielanymi przez Po powstają atomy P: które rozpadają się: Al+ 2He= 0n+ P= Jeżeli jądro zawiera nadmiar neutronów to nastąpi emisja cząstki β Jeżeli jądro zawiera nadmiar protonów to nastąpi emisja cząstki β + e P 30 4 Si

30 Rozszczepienie jąder atomowych 92 U+ 0n X + Y + (2 3) 235 Liczby masowe nuklidów X i Y wynoszą W produktach rozszczepienia 235 U wykryto ok. 300 izotopów 37-u różnych pierwiastków. Rozszczepienie jądra mniej trwałego na dwa bardziej trwałe połączone jest z wydzielaniem bardzo dużych ilości energii. Wydzielanie dodatkowej ilości neutronów umożliwia zajście reakcji łańcuchowej przebiegającej bardzo szybko i prowadzącej do gwałtownego wybuchu uwalniającego ogromne ilości energii. 0 n n U n U 92 U 235 n n n n n n n U n U n n U

31 Reakcje termojądrowe Łączenie się dwu jąder D w jądro He jest procesem egzoenergetycznym, co jest spowodowane faktem, że energia wiązania wiązania nukleonu w deuterze (, MeV) jest znacznie mniejsza niż energia wiązania nukleonu w jądrze He. 2 2 D= 4 2 He W przeliczeniu na g zużytego deuteru otrzymuje się 578 mln kj (ilość 7 x większą 235 niż ilość energii wydzielonej przy rozszczepieniu g ). Reakcje tego rodzaju 92 U zachodzą samorzutnie tylko w bardzo wysokich temperaturach. Takie temperatury panują we wnętrzu gwiazd i reakcja ta jest głównym źródłem emitowanych przez nie olbrzymich ilości energii H 2He + 2e + 26,7 MeV Energia uzyskana ze spalania wodoru na hel jest głównym źródłem energii emitowanej przez słońce w ilości 3, kj s -. W każdej sekundzie musi ulegać przemianie na hel 600 mln t H 2. Szacuje się, że wodoru jest 0 27 t rocznie ubywa go, %.

32 W kosmosie zachodzą także inne reakcje termojądrowe, np. łączenie się jąder helu w temp. rzędu 0 8 K z utworzeniem Be: 4 22He lub reakcja jądra Be z jądrem He: Bomba wodorowa He+ 8 4 Be Be Reakcję termojądrowej syntezy helu w warunkach ziemskich udało się przeprowadzić tylko w sposób niekontrolowany w postaci gwałtownego wybuchu wyzwalającego jeszcze większe ilości energii niż wybuch bomby atomowej uranowej lub plutonowej. W tzw. bombie wodorowej temp K uzyskuje się poprzez wybuch zwykłej bomby atomowej działającej jako zapalnik. W sposób kontrolowany, tak aby korzystać z energii, nie udało się jeszcze tego przeprowadzić. C

33 Słońce reaktor termojądrowy

34 Fuzja termojądrowa na małą skalę z użyciem lasera

35 Projekt Tokamak do uwięzienia plazmy

36 Zasada działania licznika Geigera

37 Zastosowanie izotopów w badaniach chemicznych Izotopy promieniotwórcze powstające w cyklotronach i reaktorach jądrowych znajdują liczne zastosowania. Wskaźnik promieniotwórczy Do preparatu niepromieniotwórczego wprowadza się pewną ilość tej samej substancji w postaci izotopu promieniotwórczego. Właściwości chemiczne tej mieszaniny nie zmieniają się, jednocześnie możemy śledzić znaczone atomy, gdyż wydzielają promieniowanie α, β lub γ. Do takich badań mogą służyć również trwałe izotopy. Badanie dyfuzji śledzenie atomów w cieczach i w ciałach stałych wymiana w węzłach sieci przestrzennej (dyfuzji własnej lub atomów obcych); Badanie mechanizmów reakcji chemicznych W analizie chemicznej badanie kinetyki reakcji, adsorpcji itp. Określanie rozpuszczalności substancji trudno rozpuszczalnych Śledzenie wędrówki i przemian w organizmach żywych

38 Sterylizacja żywności

39 Izotop 23 I w badaniach mózgu, na lewomózg normalny, na prawo mózg pacjenta z chorobą Alzheimera

40 Badania za pomocą izotopu węgla - 2 C Do określania wieku wykopalisk oznaczenie zawartości tego izotopu znając jego okres półtrwania 5600 lat. Promieniotwórczy węgiel nieustannie krąży w przyrodzie. W rezultacie w przyrodzie ożywionej stosunek izotopu 4 C / 2 C jest stały we wszystkich organizmach żywych biorących udział w obiegu węgla w przyrodzie. Z chwilą np. odcięcia konaru od drzewa zostaje on wyłączony z tego obiegu, a zawartość promieniotwórczego izotopu zaczyna się zmniejszać. Oznaczając w nim stosunek tych dwóch izotopów węgla możemy określić czas, jaki minął od chwili, gdy drzewo stało się martwe. 4 N 4 C Promieniowanie kosmiczne Wychwyt elektronów Gleba W szczątkach obumarłych drzew, kościach 4C 4 N przez wypromieniowanie cząstki β Promieniowanie β 4 C Wszystkie izotopy C ( 2 C, 3 C, 4 C) są absorbowane przez żywe organizmy 4 N Cząstki β

41 Reaktor jądrowy

42 Uzupełnianie prętów paliwowych w reaktorze

43 Tlenek uranu U3O8

44 Odpady nuklearne zalewa się stopionym szkłem

45 Pluton 239Pu czerwona poświata. Kolor pomarańczowy pochodzi od jego tlenku

46 Naturalny reaktor w Oklo, Gabon

47 Wybuch bomby termojądrowej