Nukleony. Nukleony cząstki jądra atomowego suma protonów i neutronów.

Podobne dokumenty
Spis treści. Trwałość jądra atomowego. Okres połowicznego rozpadu

Fizyka współczesna. Jądro atomowe podstawy Odkrycie jądra atomowego: 1911, Rutherford Rozpraszanie cząstek alfa na cienkich warstwach metalu

Reakcje rozpadu jądra atomowego

Zadanie 3. (2 pkt) Uzupełnij zapis, podając liczbę masową i atomową produktu przemiany oraz jego symbol chemiczny. Th... + α

Promieniowanie jonizujące

1. JĄDROWA BUDOWA ATOMU. A1 - POZIOM PODSTAWOWY.

I ,11-1, 1, C, , 1, C

Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego budowa.

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

Wykłady z Chemii Ogólnej i Biochemii. Dr Sławomir Lis

OCHRONA RADIOLOGICZNA PACJENTA. Promieniotwórczość

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

A - liczba nukleonów w jądrze (protonów i neutronów razem) Z liczba protonów A-Z liczba neutronów

Promieniowanie jonizujące

Podstawowe własności jąder atomowych

Fizyka jądrowa cz. 2. Reakcje jądrowe. Teraz stałem się Śmiercią, niszczycielem światów. Robert Oppenheimer

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

Poziom nieco zaawansowany Wykład 2

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Budowa atomu, układ okresowy i promieniotwórczość

Reakcje jądrowe dr inż. Romuald Kędzierski

Odkrycie jądra atomowego - doświadczenie Rutherforda 1909 r.

CHEMIA LEKCJA 1. Budowa atomu, Izotopy Promieniotwórczość naturalna i sztuczna. Model atomu Bohra

Zadanie 2. (1 pkt) Jądro izotopu U zawiera A. 235 neutronów. B. 327 nukleonów. C. 143 neutrony. D. 92 nukleony

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące

W2. Struktura jądra atomowego

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia. Izotopy. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze reakcje jądrowe. jądra atomowe (nuklidy) dzielimy na:

doświadczenie Rutheforda Jądro atomowe składa się z nuklonów: neutronów (obojętnych elektrycznie) i protonów (posiadających ładunek dodatni +e)

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ. A) równa B) mniejsza C) większa D) nie mniejsza (sumie) od sumy mas protonów i neutronów wchodzących w jego skład.

Wykłady z Geochemii Ogólnej

Elementy fizyki jądrowej

Fizyka jądrowa. Podstawowe pojęcia

Foton, kwant światła. w klasycznym opisie świata, światło jest falą sinusoidalną o częstości n równej: c gdzie: c prędkość światła, długość fali św.

Budowa atomu. Wiązania chemiczne

Opracowała: mgr Agata Wiśniewska PRZYKŁADOWE SPRAWDZIANY WIADOMOŚCI l UMIEJĘTNOŚCI Współczesny model budowy atomu (wersja A)

Energetyka Jądrowa. Wykład 3 14 marca Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI PROMIENIOWANIE JĄDROWE I JEGO WŁAŚCIWOŚCI

Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

Rozpady promieniotwórcze

uczeń opanował wszystkie wymagania podstawowe i ponadpodstawowe

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Energetyka jądrowa. Energetyka jądrowa

Wymagania edukacyjne na poszczególne śródroczne oceny klasyfikacyjne z przedmiotu chemia dla klasy 7 w r. szk. 2019/2020

Nazwy pierwiastków: A +Fe 2(SO 4) 3. Wzory związków: A B D. Równania reakcji:

Po 1 mld lat (temperatura Wszechświata ok. 10 K) powstają pierwsze gwiazdy.

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 40 FIZYKA JĄDROWA

BUDOWA ATOMU. Pierwiastki chemiczne

Zadanie 2 budowa atomu 1. Opisz budowę atomu wodoru.

Jądro atomowe Wielkości charakteryzujące jądro atomowe

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Anna Grych Test z budowy atomu i wiązań chemicznych

13. Izotopy. Atomy tego samego pierwiastka chemicznego mogą występować w postaci izotopów, to jest atomów o rożnych liczbach masowych, co w

Piotr Kosztołowicz. Powtórka przed maturą. Chemia. Zadania. Zakres rozszerzony

Kryteria oceniania z chemii kl VII

Budowa atomu. Izotopy

Rozpady promieniotwórcze

SYMULACJA GAMMA KAMERY MATERIAŁ DLA STUDENTÓW. Szacowanie pochłoniętej energii promieniowania jonizującego

Ćwiczenie 3. POMIAR ZASIĘGU CZĄSTEK α W POWIETRZU Rozpad α

KONKURS Z FIZYKI I ASTRONOMII. Fuzja jądrowa. dla uczniów gimnazjum i uczniów klas I i II szkół ponadgimnazjalnych

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 8 Rozszczepienie jąder i fizyka neutronów

WYZNACZANIE PROMIENIOWANIA RADONU Instrukcja dla uczniów szkół ponadpodstawowych

I etap ewolucji :od ciągu głównego do olbrzyma

Reakcje syntezy lekkich jąder

Oddziaływanie cząstek z materią

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

V KONKURS CHEMICZNY 23.X. 2007r. DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW WOJEWÓDZTWA ŚWIĘTOKRZYSKIEGO Etap I czas trwania: 90 min Nazwa szkoły

Następnie powstały trwały izotop - azot-14 - reaguje z trzecim protonem, przekształcając się w nietrwały tlen-15:

Reakcje rozszczepienia i energetyka jądrowa

Budowa atomu Poziom: rozszerzony Zadanie 1. (2 pkt.)

Świat chemii cz. 1, rok szkolny 2016/17 Opis założonych osiągnięć ucznia

FIZYKA IV etap edukacyjny zakres podstawowy

Reakcje syntezy lekkich jąder

Szkolny konkurs chemiczny Grupa B. Czas pracy 80 minut

Promieniotwórczość NATURALNA

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

Budowa jądra atomowego - MODEL

Wymagania programowe na poszczególne oceny z chemii w kl.1. I. Substancje i ich przemiany

O egzotycznych nuklidach i ich promieniotwórczości

Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny - klasa I a, I b, I c, I d. I. Substancje i ich przemiany. Ocena dopuszczająca [1]

Tworzenie protonów neutronów oraz jąder atomowych

Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek we Wszechświecie, Stanowi główny składnik budujący gwiazdy,

Katedra Fizyki Jądrowej i Bezpieczeństwa Radiacyjnego PRACOWNIA JĄDROWA ĆWICZENIE 6. Wyznaczanie krzywej aktywacji

Elektron ma ładunek ujemny! ( Według prawa elektrostatyki, aby atom był elektrycznie obojętny jego pozostała część musi mieć ładunek dodatni.

I edycja Konkursu Chemicznego im. Ignacego Łukasiewicza dla uczniów szkół gimnazjalnych. rok szkolny 2014/2015 ZADANIA.

W-28 (Jaroszewicz) 36 slajdy Na podstawie prezentacji prof. J. Rutkowskiego. Fizyka jądrowa cz. 1. budowa jądra atomowego przemiany promieniotwórcze

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

WYMAGANIA EDUKACYJNE NIEZBĘDNE DO UZYSKANIA POSZCZEGÓLNYCH OCEN ŚRÓROCZNYCH I ROCZNYCH FIZYKA - ZAKRES PODSTAWOWY KLASA I

WYMAGANIA NA POSZCZEGÓLNE STOPNIE SZKOLNE Z CHEMII klasa I

I. Substancje i ich przemiany

Energetyka w Środowisku Naturalnym

Podstawy Fizyki Jądrowej

Od Wielkiego Wybuchu do Gór Izerskich. Tomasz Mrozek Instytut Astronomiczny UWr Zakład Fizyki Słońca CBK PAN

CHEMIA I GIMNAZJUM WYMAGANIA PODSTAWOWE

Elektron i proton jako cząstki przyspieszane

Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny: I. Substancje i ich przemiany

Wymagania programowe na poszczególne oceny w klasie pierwszej. I. Substancje i ich przemiany

41P6 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - V POZIOM PODSTAWOWY

Transkrypt:

JĄDRO ATOMOWE

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

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

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.

Powstawanie atomu można sobie wyobrazić jako reakcję syntezy jądrowej ze składników, np.: + + p n 0-0 e 9 4 + 5 + 4 Be + energia Równanie to nie spełnia prawa zachowania masy m substratów > m produktów 4

Energia wiązania nukleonów w jądrze Rozmiary jądra są bardzo małe, rzędu 0-4 0-5 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 0,0005486 4,0072764 5,0086650 masa teoretyczna = 0,002944 = 4,029056 = 5,0433250 9,0746250 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

Różnica masy zwana jest defektem masy. Współczynnikiem proporcjonalności jest kwadrat prędkości światła (c = 2,9979 0 8 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 =,492 0-0 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). 56 26 9 5 Fe Be

Energia wiązania nukleonu w jądrach o różnych liczbach masowych 0 energia [MeV] 9 8 7 6 5 0 50 00 50 200 250 liczba masowa, A

Promieniotwórczość A.H. Becquerel (896) M. Skłodowska - Curie (867-934) 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

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: 209 83 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.

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 : 4 4 0 6 C 7 N + e + 0 0 0 0 ν ν

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 0 + 0 + + 0 0 ν

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).

Liczba neutronów (N) 40 20 0 emitery α N = Z Związek pomiędzy liczbą neutronów a liczbą protonów w jądrach atomowych 00 80 60 emitery β - 40 20 Z 20 40 60 80 00

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

Ubytek substancji promieniotwórczej w funkcji liczby okresów półtrwania

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 238 92 U T = 2 T ½ = 4,5 0 9 lat 24 dla Po T ½ =,62 0 4 s. 84 ln 2 λ

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 2 2 2 III Uwzględniając równanie: N = T = 2 ln 2 λ I II III : N I II : NIII T : T : T 2 2 2 Po pewnym czasie ustala się stan równowagi promieniotwórczej.

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 235 - uranowo-aktynowy U 207 92 82Pb szeregi naturalne - torowy -neptunowy 90Th 232 208 82 Pb 93 Np 237 U 206 Pb 238 92 209 83 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.

A 238 234 230 Szereg uranowo-radowy β α 226 222 28 24 20 206 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

A 235 23 227 223 29 25 2 207 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

A Szereg torowy 232 228 224 220 26 22 208 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

A Szereg neptunowy 237 233 229 225 22 27 23 209 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

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

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 (0 7-0 8 K). Polegają na łączeniu się najmniejszych jąder ( H, 2 itp.) w większe np. 4 D He.

Proste reakcje jądrowe Reakcja wykorzystywana do laboratoryjnego wytwarzania neutronów: 9 4 2 4 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: 24 24 Mg+ n Na H 4 2 0 He 2 0 + n

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 4 7 4 2 N He 4 7 7 N + 2He 8O+ 4 = 4,003074 = 4,00260 8,005674 H masa atomowa masa atomowa O 7 8 H = 6,99933 =,007825 8,006958 W czasie reakcji nastąpił wzrost masy o: 8,006958-8,005674 = 0,00284 u 4 tzn., że na jądro 7 N należy dostarczyć energię: 93 0,00284 =,9 MeV (endoenergetyczna)

Z przemian jądrowych można czerpać energię : 7 3Li + H 2 4 2 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.

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: 27 4 3 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 30 5 30 0 + 5 + P 30 4 Si

Rozszczepienie jąder atomowych 92 U+ 0n X + Y + (2 3) 235 Liczby masowe nuklidów X i Y wynoszą 72 6. 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 235 92 U n 235 92 U 92 U 235 n n n n n n n 235 92 U n 235 92 U n n 235 92 U

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. 4 0 + 4 H 2He + 2e + 26,7 MeV Energia uzyskana ze spalania wodoru na hel jest głównym źródłem energii emitowanej przez słońce w ilości 3,72 0 23 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,89 0-9 %.

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 4 8 2 2 4 6 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. 0 7 0 8 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

Słońce reaktor termojądrowy

Fuzja termojądrowa na małą skalę z użyciem lasera

Projekt Tokamak do uwięzienia plazmy

Zasada działania licznika Geigera

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

Sterylizacja żywności

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

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

Reaktor jądrowy

Uzupełnianie prętów paliwowych w reaktorze

Tlenek uranu U3O8

Odpady nuklearne zalewa się stopionym szkłem

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

Naturalny reaktor w Oklo, Gabon

Wybuch bomby termojądrowej