Reakcje rozpadu jądra atomowego

Transkrypt

1 Reakcje rozpadu jądra atomowego O P R A C O W A N I E : P A W E Ł Z A B O R O W S K I K O N S U L T A C J A M E R Y T O R Y C Z N A : M A Ł G O R Z A T A L E C H

2 Trwałość izotopów Czynnikiem decydującym o trwałości jądra atomowego jest stosunek liczby neutronów do liczby protonów (N/Z). Neutrony są konieczne aby zrównoważyć siły elektrostatycznego odpychania protonów, stanowią swoisty klej dla składników jądra atomowego. Rys. Siły wzajemnego przyciągania się nukleonów w jądrze. Podręcznik do klasy. (wyd. Operon)

3 Trwałość izotopów Wykres obok przedstawia zależność trwałości jądra atomowego od stosunku ilości neutronów do ilości protonów N/Z.

4 Trwałość izotopów Izotopy pierwiastków lekkich (do Z=20) są trwałe, jeżeli stosunek liczby neutronów do liczby protonów w ich jądrach wynosi lub nieznacznie przekracza, np.: 2 D N/Z = jądro jest trwałe, nie emituje promieniowania. 3 T N/Z = 2/ = 2 jądro jest nietrwałe, ulega przemianie promieniotwórczej -.

5 Trwałość izotopów Dla pierwiastków cięższych (Z>20) stosunek N/Z stopniowo rośnie i najwyższą wartość osiąga dla bizmutu 2 : 209 Z=83; N= =26; Bi 83 N/Z =,58

6 Przemiany promieniotwórcze Wszystkie izotopy mające nadmiar neutronów w stosunku do izotopu trwałego ulegają przemianie promieniotwórczej -. Polega ona na rozpadzie nadmiarowego neutronu powstaje wówczas proton i elektron (cząstka - ) 3 : 0 n E W wyniku przemiany - nie zmienia się masa jądra atomowego, zmienia się natomiast jego ładunek powstaje atom nowego pierwiastka położonego w układzie okresowym z prawej strony pierwiastka wyjściowego, np.: p A A Z Z 4 6 E e C 4 7N e e

7 Przemiany promieniotwórcze W przypadku niedoboru neutronów w stosunku do liczby protonów jądro może ulegać jednej z dwóch przemian: + - w jej wyniku jeden z protonów w jądrze atomowym przekształca się w neutron, emitując wówczas antyelektron (pozyton cząstka + ): p 0 n e W wyniku przemiany powstaje atom pierwiastka leżącego w układzie okresowym po lewej stronie pierwiastka wyjściowego 3 : A E A Z Z E e np.: 6 C 5B e

8 Przemiany promieniotwórcze Wychwyt K - polega na wychwyceniu elektronu z poziomu K przez jądro, liczba atomowa pierwiastka maleje o. Przemianie tej towarzyszy powstanie neutronu i neutrina, oraz emisja promieniowania. Wynika to z pozbywania się nadmiaru energii przez elektrony opadające na niższe poziomy w celu zapełnienia pustego miejsca.: 40 K 40 8 K e 9 Ar Ponieważ izotopy posiadające niedobór neutronów mają bardzo krótki czas życia (mogły istnieć w początkach istnienia wszechświata) więc przemiana + w przyrodzie praktycznie nie występuje i dotyczy otrzymanych sztucznie izotopów promieniotwórczych. Wychwyt K można zaobserwować w przypadku niektórych izotopów posiadających nadmiar neutronów (przykład powyżej).

9 Przemiany promieniotwórcze Gdy jądro atomowe jest bardzo duże nadmiar neutronów nie zapewnia trwałości jądra. Atomy takich pierwiastków ulegają przemianie promieniotwórczej. W wyniku przemiany jądro atomu emituje cząstkę (jądro atomowe helu): 4 He 2 2 Powstałe jądro nowego atomu jest lżejsze o 4 jednostki masy i ma ładunek mniejszy o 2 jednostki: np.: A Z A Z E E Po 209 Pb

10 Przemiany sztuczne Sztuczne przemiany jądrowe można podzielić między innymi na: reakcje jądrowe przebiegające według schematu: cząstka + jądro nowe jądro + nowa cząstka n 80Hg 79 Au rozszczepienia jądrowe przebiegające według schematu: neutron + duże jądro średnie jądro + średnie jądro + kilka neutronów n U Ba Kr fuzje jądrowe przebiegające według schematu: 92 jądro lekkie + jądro lekkie nowe jądro + cząstka HH 2 He 0 p n 0 n

11 Przemiany sztuczne Reakcjami jądrowymi rządzą następujące prawa: Zachowania ładunku elektrycznego. Całkowita liczba protonów przed reakcją jest równa całkowitej liczbie protonów po reakcji. Zachowania liczby nukleonów (protonów i neutronów). Całkowite liczby masowe przed i po reakcji są takie same.

12 Czas życia izotopów Szybkość rozpadu radioizotopów określamy przy pomocy wielkości zwanej okresem połowicznego rozpadu t ½ - jest to czas, który musi upłynąć, żeby początkowa ilość izotopu zmniejszyła się do połowy: N gdzie więc N n 2 t t 2 2 n t t 2 N 0 N 0 N ilość nuklidów w danym momencie N 0 początkowa ilość nuklidów t czas trwania t /2 czas połowicznego rozpadu (zaniku) n ilość okresów połowicznego rozpadu

13 Czas życia izotopów Zależność ilości izotopu promieniotwórczego od upływającego czasu obrazuje poniższy wykres:

14 Czas życia izotopów Ponieważ masa, liczba moli czy też intensywność promieniowania zależy wprost proporcjonalnie od liczby nuklidów więc zależność tę można zapisać także: m 2 n 2 m0 lub I I0 n m masa radioizotopu; m o masa początkowa radioizotopu I intensywność promieniowania; I 0 początkowa intensywność promieniowania

15 Czas życia izotopów Polon-20 ulega przemianie alfa. Czas połowicznego rozpadu tego izotopu wynosi 38 dni. Napisz równanie tej przemiany. W pojemniku umieszczono g polonu-20. Oszacuj masę tego izotopu, która pozostanie po upływie 44 dni. Dane: m 0 = g t = 44 dni t /2 = 38 dni m =? 20 Po 206 Pb Rozwiązanie: t 44dni n 3 t 38dni m 2 n 2 3 m0 g g 2 8 0,25 g Odp.: Po 44 dniach z próbki o masie g pozostanie 0,25g polonu-20.

16 Przypisy: Pomiędzy cząstkami występują oprócz oddziaływań elektrostatycznych (odpychanie się protonów) także tzw. silne oddziaływania jądrowe, jednak ich zasięg jest bardzo krótki. Aby oddziaływania silne przeważały nad odpychaniem elektrostatycznym niezbędna jest odpowiednia ilość neutronów. 2 W 2003r odkryto, że izotop 209 Bi także jest promieniotwórczy jednak jego czas połowicznego rozpadu jest ok. miliard razy większy od szacowanego wieku wszechświata. 3 - Podczas przemiany - powstaje także antyneutrino natomiast podczas przemiany + powstaje neutrino.

17 Chcesz wiedzieć więcej? Podręcznik do klasy w zakresie rozszerzonym