Spis treści 1 Trwałość jądra atomowego 2 Okres połowicznego rozpadu 3 Typy przemian jądrowych 4 Reguła przesunięć Fajansa-Soddy ego 5 Szeregi promieniotwórcze 6 Typy reakcji jądrowych 7 Przykłady prostych reakcji jądrowych 8 Sztuczna promieniotwórczość 9 Działanie promieniowania jądrowego 10 Zastosowanie izotopów promieniotwórczych Trwałość jądra atomowego Trwałość jądra atomowego jest wynikiem działania sił jądrowych Są to siły działające na odległość nie przekraczającą rozmiarów jądra (10-14 10-15 m) Energia wiązania jądra to energia którą należałoby dostarczyć w celu rozbicia jądra na nukleony Jej wartość jest podawana zazwyczaj w przeliczeniu na 1 nukleon Wartość energii wiązania nukleonu zależy od liczby masowej pierwiastka i waha się w granicach 5-87 MeV O trwałości jadra decydują następujące czynniki: stosunek liczby neutronów do liczby protonów parzystość (najtrwalsze charakteryzują się parzystą liczbą neutronów i protonów) sposób zapełnienia powłok protonowych i neutronowych opisany liczbami magicznymi (2 8 20 50 82 126) Konsekwencją trwałości pierwiastków o magicznej liczbie protonów jest duża liczba naturalnych izotopów (Sn 10 izotopów liczba magiczna 50) Pierwiastki o największej masie posiadające trwałe izotopy to Pb (Z = 82) i Bi (Z = 83) Pierwiastki o liczbach atomowych powyżej 83 są naturalnymi pierwiastkami promieniotwórczymi W przypadku jąder o dużej masie następuje zazwyczaj zmniejszenie liczby protonów w wyniku emisji cząstki α (jądra helu) Rozpadowi jądra towarzyszy często emisja promieniowania Okres połowicznego rozpadu Okres połowicznego rozpadu jest wielkością charakterystyczną dla każdego radionuklidu określa czas po którym połowa atomów pierwiastka promieniotwórczego ulega rozpadowi (wartości wahają się w szerokich granicach od 10-4 s do 109 lat) Masa radionuklidu (m) w czasie (t) jest związana z okresem połowicznego rozpadu zależnością:
gdzie: i oznaczają odpowiednio początkową masę próbki oraz po czasie (t) a jest połowicznym okresem rozpadu Typy przemian jądrowych Przemiany jądrowe prowadzą do zmniejszenia liczby nukleonów Przemiana α przemiana typowa dla ciężkich jąder polega na emisji dodatnich jonów helu i prawie zawsze promieniowania γ co prowadzi do zmniejszenia zarówno liczby protonów jak i neutronów: W przypadku nadmiaru neutronów w jądrze następuje przemiana β (rozpad neutronu na proton elektron i neutrino) W przypadku nadmiaru protonów następuje przemiana β + (przemiana protonu w neutron pozyton i neutrino) lub wychwyt K (wychwyt elektronu z powłoki K) Przemiana β oraz wychwyt K to przemiany jądrowe typowe dla naturalnych izotopów promieniotwórczych przemiana β + zachodzi w przypadku izotopów promieniotwórczych otrzymanych sztucznie Reguła przesunięć Fajansa-Soddy ego W wyniku emisji cząstki α masa jądra ulega zmniejszeniu o 4 jednostki a ładunek zmniejszeniu o 2 ładunki elementarne: W wyniku przemiany β liczba masowa jądra nie ulega zmianie natomiast ładunek wzrasta o 1: Szeregi promieniotwórcze Wśród pierwiastków występujących w przyrodzie wyróżnia się 3 szeregi promieniotwórcze:
uranowo-radowy wywodzący się od izotopu uranu 238 U uranowo-aktynowy wywodzący się od izotopu uranu 235 U torowy wywodzący się od izotopu toru 232 Th Każdy szereg promieniotwórczy rozpoczyna się stosunkowo trwałym nuklidem (zanikającym znacznie wolniej niż nuklidy stanowiące ogniwa szeregu) a kończy trwałym izotopem ołowiu ( 206 Pb 207 Pb 208 Pb) Otrzymany sztucznie promieniotwórczy pierwiastek neptun również tworzy szereg promieniotwórczy który kończy się trwałym izotopem bizmutu 209 B Typy reakcji jądrowych Proste reakcje jądrowe cząstki bombardujące mają energię kilkudziesięciu MeV a wchłonięcie ich przez jądro skutkuje emisją jednej lub dwóch cząstek elementarnych Kruszenie jąder rozpad pod wpływem bombardowania cząstkami o energii rzędu kilkuset MeV (utrata znacznej części masy do 40%) Rozszczepienie jąder rozpad na duże fragmenty o podobnych masach oraz 2-3 neutrony Reakcje termojądrowe łączenie najmniejszych jąder w bardzo wysokich temperaturach (10 7-10 8 K) Przykłady prostych reakcji jądrowych Pierwsza reakcja jądrowa (John D Cockroft i Ernest T Walton 1932 r) zrealizowana za pomocą wytworzonego strumienia rozpędzonych protonów: Reakcja jądrowa pod wpływem neutronów: Reakcje jądrowe realizowane za pomocą cięższych pierwiastków: Sztuczna promieniotwórczość Sztuczna promieniotwórczość to proces wytwarzanie pierwiastków promieniotwórczych w reakcjach jądrowych Pierwsze takie reakcje zostały przeprowadzone w 1934 roku przez Fryderyka Joliot-Curie i Irenę Joliot-Curie:
Sztuczne pierwiastki promieniotwórcze są nietrwałe ich rozpad odbywa się zwykle z wydzieleniem pozytonu (przemiana β + ) Obecnie izotopy promieniotwórcze uzyskuje się w akceleratorach (urządzeniach przyspieszających cząstki bombardujące) oraz w reaktorach jądrowych Działanie promieniowania jądrowego Wpływ promieniowania na organizmy zależy od jego rodzaju (α β γ) oraz energii Promieniowanie β emitowane np przez tryt (o energii 18 kev) czy węgiel 14 (o energii 155 kev) należy do najsłabszych rodzajów promieniowania Promieniowanie α ma bardzo wysoką energię (rzędu kilku MeV) ale ze względu na dużą masę i ładunek jest mało przenikliwe (jego zasięg w powietrzu wynosi kilka centymetrów) Promieniowanie jądrowe jest promieniowaniem jonizującym Przechodząc przez środowisko wodne powoduje tworzenie jonów oraz rodników H 2 O H + OH H + O 2 HO 2 Rodniki OH oraz HO 2 są bardzo silnymi utleniaczami Reagują ze składnikami błon komórkowych cząsteczkami kwasów nukleinowych i białek powodując ich uszkodzenia Jonizacja powodująca powstawanie wolnych rodników często wywołuje zmiany w strukturze genów mutacje które mogą prowadzić do powstawania nowotworów Liczba mutacji zależy od ilości pochłoniętego promieniowania Zagrożenie skutkami promieniowania jonizującego zależy od: energii promieniowania odległości od źródła promieniowania czasu ekspozycji Czynniki te mają wpływ na wielkość dawki pochłoniętej (D) której jednostką jest grej (Gy J/kg) 1Gy energia 1 J pochłonięta przez masę 1 kg materii Uszkodzenia biologiczne zależą nie tylko od energii promieniowania ale również od jego rodzaju Dlatego wprowadzono współczynnik jakości promieniowania (QF quality factor) który pozwala przeliczać pochłoniętą dawkę wyrażoną w grejach na jej równoważnik siwert (D x QF)
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych Wskaźniki promieniotwórcze (badanie procesów dyfuzji przepływów zużywalności materiałów rozpuszczalności osadów określanie mechanizmów reakcji chemicznych i biochemicznych) Radioterapia chorób nowotworowych (wykorzystanie kobaltu-60 intensywnego emitera promieniowania γ) Diagnostyka medyczna (J-131 w badaniu czynności tarczycy Pu-238 w bateriach zasilających stabilizatory rytmu serca) Datowanie obiektów archeologicznych geologicznych biologicznych (wykorzystanie C-14 o okresie półtrwania 5600 lat) Wytwarzanie energii jądrowej (budowa reaktorów jądrowych)