JĄDRO ATOMOWE Rok 89, Joseph John Thomson odkrywa ujemnie naładowaną cząsteczkę elektron. W tym momencie zaprzestano wierzyć, że atom nie jest najmniejszą, niepodzielną cząstką materii. Elektron ma ładunek ujemny! ( Według prawa elektrostatyki, aby atom był elektrycznie obojętny jego pozostała część musi mieć ładunek dodatni.) MODEL ATOMU WEDŁUG THOMSONA *Atom jest dodatnio naładowaną kulą, wewnątrz której rozmieszczone są elektrony. Ładunek wszystkich elektronów jest równy dodatniemu ładunkowi kuli, więc atom jest elektrycznie obojętny.* W 9 nastąpiło obalenie teorii atomu Thomsona. Ernest Rutherford wraz z Hansem Geigerem i Ernestem Marsdenem wykonali pewne doświadczenie, oto schemat:
Celem przedstawionego doświadczenia było określenie ilości cząstek α, które przechodzą przez folię. Z doświadczenia wynika, że cała masa atomu musi być skupiona w małej przestrzeni, która Ernest nazwał JĄDREM ATOMOWYM. Posiada ono ładunek dodatni. 94 Ernest Marsden zaobserwował dodatnio naładowaną cząsteczkę, która była lżejsza od jądra helu! Tajemniczą cząsteczkę Rutherford nazwał PROTONEM. Wielkość protonu jest równa wielkości ładunku elektronu. Dalsze badania zaowocowały np. nowym modelem atomu Bohra czy też teorią, że jądro atomowe musi zawierać więcej cząstek niż wskazywałaby liczba krążących wokół jądra elektronów. Liczbę protonów w jądrze nazywamy liczbą atomową i oznaczamy literą Z, lecz liczbę protonów i neutronów w jądrze atomowym nazywamy liczbą masową (oznaczamy jako A ). NUKLEONY protony i neutrony tworzące jądro atomowe. Aby zatem określić liczbę neutronów w jądrze należy od liczby masowej odjąć liczbę atomową: N=A-Z N- liczba neutronów, A liczba masowa, Z liczba atomowa Jądro atomowe zapisujemy często jako: X symbol pierwiastka W przyrodzie występują także izotopy nuklidy o takiej samej liczbie atomowej Z, różniące się jedynie liczbą neutronów N. Atomy izotopów mają taką samą liczbę elektronów więc wykazują takie same własności chemiczne. Ze względu na różną liczbę nukleonów właściwości jądra będą inne. PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA
895 Wilhelm Roentgen zauważył, iż w wyniku wyładowań w rurze Crookesa powstaje promieniowanie, które przenika przez wiele materiałów, nie oddziałuje z polami elektrycznymi i magnetycznymi. Promieniowanie te nazwano PROMIENIOWANIEM REONTGENOWSKIM, za które zresztą w 90 roku dostał nagrodę Nobla. Odkrycie te spowodowało, iż zaczęto poszukiwać materiały, które mogłyby być źródłem promieni X. Rok po tym odkryciu Antoine Henri Bacquerel zaczął interesować się rudą uranową. Badał jej wpływ na kliszę fotograficzną. Po wywołaniu kliszy, zauważono, że jest ona zaczerniona. Udowodnił tym samym, że ruda uranu emituje promienie samoczynnie. Emitowanie przez uran promieniowanie miało inny charakter niż promieniowanie rentgenowskie. Zjawisko samorzutnej zmiany jąder atomowych w inne, gdzie towarzyszą temu emisja promieniowania nazywamy NATURALNĄ PROMIENIOTWÓRCZOŚCIĄ. Odkryto 3 rodzaje promieniowania: - α -β - ϒ ROZPAD α JĄDRA ATOMOWEGO Promieniowanie α można obserwować w wyniku rozpadu α jądra atomowego, którego liczba masowa jest większa od 83.Rozpada się α i powstaje: - cząsteczka α -nowe jądro atomowe Rozpad α można zapisać w takiej postaci: lub też przedstawić na diagramie, który opisze zależność liczby masowej i liczby atomowej. ROZPAD β JĄDRA ATOMOWEGO Rozpad B, może zachodzić na trzy różne sposoby: PIERWSZY SPOSÓB rozpad - polega on na emisji z jądra atomowego elektronu oraz antyneutrina. Można go zapisać takim równaniem:
W trakcie przemiany liczba atomów zaczyna się zwiększać o jeden, ale liczba masowa wciąż jest taka sama. Liczba atomowa może jednak zmniejszyć wartość o jeden. Sytuacja ta jest możliwa, gdy z jądra atomowego zostanie wyemitowany pozyton cząstka o masie równej masie elektronu i ładunku dodatnim o wartości równej wartości ładunku elektronu i antyneutrino. Jądro, które podlega przemianie β następuje emisja elektronu lub pozytonu. Przebieg tych zmian możemy opisać równaniem: a) Dla rozpadu β + : b) Dla rozpadu β : p 0 n + 0 0 e + 0 v 0n p + e + v Ostatni z możliwych rozpadów β nazywany jest wychwytem elektronu. Polega on na absorpcji przez jądra atomowe elektronu poruszającego się wokół jądra. W wyniku wchłonięcia elektronu liczba atomowa zmniejsza się o jeden i emitowane jest neutrino. Oto równanie przebiegu wychwytu: A Z X + e Y + v 0 Z A 0 Wychwyt elektronu jest rozpadem dwuciałowym. PRZEMIANA ϒ JĄDRA ATOMOWEGO 0 0 Ostatnią samoistną przemianą jądra atomowego jest przemiana ϒ. Przemiana jest inna od pozostałych, które wcześniej zostały przedstawione. W wyniku owej przemiany jest emitowany kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przemiana polega na emisji kwantu promieniowania elektromagnetycznego z wzbudzonego jądra atomowego. Wtedy właśnie jądro przechodzi do niższego stanu energetycznego. Struktura, wartości liczby masowej i atomowej nie ulegają zmianie. Przemianę ϒ opisuje się równaniem:
A Z A Z X X +ϒ W każdej z przemian wytwarzana jest inna ilość energii, dzięki czemu cząsteczki mogą przenikać przez różne substancje. Najmniejsze cząstki α, nie przenikają nawet przez kartkę papieru. Zaś największą energie niosą ze sobą kwanty promieniowania ϒ, które pochłaniane są dopiero przez grubą płytę ołowianą. Rozpady α i β powodują zmianę składu jądra atomowego, więc pierwiastki w wyniku tych przemian mogą po kolei przechodzić z jednego w drugi, tworząc tzw. Rodziny izotopów promieniotwórczych. Wyróżniamy 4 rodziny promieniotwórcze, czyli grupy pierwiastków, w których następujące kolejno po sobie rozpady α i β zmieniają jądro jednego pierwiastka w jądro drugiego: - Rodzina torowa pierwszym jądrem rodziny jest jądro izotopu toru, a ostatnim jądro izotopu ołowiu -Rodzina neptunowa pierwszym jądrem jest jądro izotopu neptunu, ostatnim jądro izotopu bizutu -Rodzina uranowo-radowa - pierwszym jądrem jest jądro izotopu uranu, ostatnim jądro izotopu ołowiu -rodzina uranowo-aktynowa pierwszym jądrem jest jądro izotopu uranu, ostatnim jądro izotopu ołowiu Różne izotopy tego samego pierwiastka mają różne okresy połowicznego rozpadu, więc także różne aktywności. AKTYWNOŚĆ ŚREDNIA ŹRÓDŁA PROMIENIOTWÓRCZEGO stosunek ilości jąder, które uległy rozpadowi N do czasu t, w którym nastąpił rozpad: A= N t A- aktywność N- liczba jąder, które uległy rozpadowi t czas, w którym nastąpił rozpad Jednostką aktywności jest Bekerel ( Bq), czyli : źródło promieniowania ma aktywność Bq, jeśli w czasie s nastąpił rozkład jądra. Aktywność źródła zależy od masy (ilości jąder promieniotwórczych), wiemy także, że aktywność maleje wraz z upływem czasu. Równanie prawa rozpadu promieniotwórczego: N t = λn
N ilość jąder, które uległy rozpadowi t czas, w którym nastąpił rozpad λ stała proporcjonalności N ilość jąder przed rozpadem λ= N N t Wartość stałej rozpadu promieniotwórczego jest stała dla danego izotopu. Wielkość charakteryzującą izotop jest oprócz aktywności czas połowicznego rozpadu, czyli czas, po którym z początkowej liczby jąder zostanie połowa. Czyli zawsze po upływie czasu połowicznego rozpadu pozostanie połowa jąder tworzących próbkę. Prawo rozpadu promieniotwórczego: N liczba jąder po czasie t N 0 początkowa liczba jąder izotopu t czas trwania rozpadu T 2 czas połowicznego rozpadu N= N 0 ( 2 ) t T 2 T 2 = 0,693 λ WPŁYW PROMIENIOWANIA NA ORGANIZMY ŻYWE Aby uchronić się przed szkodliwym działaniem promieniowania, trzeba określić intensywność oraz miejsca jego występowania. Używamy do tego detektorów promieniowania. Najprostszym detektorem jest klisza fotograficzna. SCYNYLACJA błyski świetlne, powstające przez padające na niektóre substancje bądź przechodzące przez materię cząstki. Owe zjawisko możliwe jest tylko wtedy, gdy cząstki przechodzą przez substancje fluoryzującą. Do rejestracji cząstek stosujemy komory mgłowe i komory pęcherzykowe. Dawką promieniowania jest miara pochłoniętej energii. Została zdefiniowana jako stosunek ilości pochłoniętej energii przez daną masę ciała do masy tego ciała: D= E m D dawka promieniowania
E pochłonięta energia m masa ciała pochłaniającego energię Jednostką dawki pochłoniętej jest grej (Gy) Gy = J kg Cząstki powstałe w przemianach promieniotwórczych mają różne energie i wywołują różne skutki w organizmach żywych, wprowadzono wielkość nazwaną równoważnikiem dawki: H=QD H równoważnik dawki D dawka promieniowania Q liczba przypisana danemu rodzajowi promieniowania: dla promieniowania ϒ Q = dla promieniowania α Q=20 Jednostką równoważnika dawki jest siwert ( Sv) Roczną dopuszczalną dawką jest 5 Sv. Przez całe nasze życie organizm jest poddawany działaniu promieniowania. Skutkiem, jest gromadzenie się w nim pierwiastków promieniotwórczych. Węgiel i azot różnią się o liczbą atomową. Neutron zderza się z jądrem azotu znajdującym się w atmosferze powstaje węgiel i wodór. A oto reakcja: 4 0 4 6 N + n C + H Węgiel, który otrzymaliśmy jest niestabilnym izotopem. Potrafi łączyć się z tlenem i tworzyć 4 dwutlenek węgla. Węgiel jak wiemy, znajduje się w roślinach, te natomiast zjadane są C 6 przez inne organizmy, więc można stwierdzić, iż owy węgiel znajduje się we wszystkich organizmach żywych. Ilość promieniotwórczego węgla w organizmach się zmienia, ponieważ węgiel ulega rozpadowi β według równania. 4 6 4 C N + e 0 ENERGIA WIĄZANIA Aby uzyskać masę jąder atomowych stosuje się spektometry masowe.atom, który jest zjonizowany nadaje się prędkości prostopadłe do linii pola magnetycznego. Zjonizowany atom obdarzony jest ładunkiem elektrycznym, więc w polu magnetycznym nie działa na niego siła Lorentza, która
zakrzywia tor ruchu. Siła Lorenza pełni rolę siły dośrodkowej, możemy obliczyć masę zjonizowanego atomu: m = rqb v r promień krzywej, po której porusza się jon q - ładunek jonu B- wartość indukcji pola magnetycznego v prędkość jonu Pierwsze wyniki doświadczeń były dość zaskakujące. Wyznaczone masy jąder różniły się od mas wyznaczonych teoretycznie. To jest właśnie niedobór masy. Pomocą w wyjaśnieniu niedoboru jest wzór Einsteina: E= mc 2 Opisuje on związek między masą a energią. Jak wiemy, niektóre jądra są stabilne, inne nie są. Spowodowane jest to składem jądra, czyli ilością protonów i neutronów. Lecz w ciężkich jądrach neutrony leżące w skrajnych częściach jądra nie będą z sobą oddziaływały ze względy na zbyt duża odległość. By zapobiec rozpadnięciu jądra pod wpływem oddziaływań elektrostatycznych, między protonami w jądrze potrzebna jest dodatkowa energia, która pochodzi z dodatkowych neutronów. Najbardziej stabilne, będą jądra o takiej liczbie atomów, która będzie odpowiadać najmniejszej całkowitej energii jądra. Stan równowagi oddziaływań elektrostatycznego i silnego można zburzyć, przykładowo, gdy w ciężkie jądro uderzy neutron. Równowaga wtedy będzie zachwiana a odległości miedzy neutronami się zwiększą. Jądro się rozpadnie. Proces ten możemy nazwać ROZSZCZEPIENIEM JĄDRA ATOMOWEGO Masa produktu rozszczepiania jądra jest jednak mniejsza niż masa jądra początkowego. Każdy z powstałych neutronów może uderzyć w jedno jądro, w wyniku czego powstaną dwa kolejne nowe jądra i trzy neutrony. Nazywamy to REAKCJĄ ŁANCUCHOWĄ (z każdym kolejnym rozszczepieniem jądra będzie zachodziła bardziej intensywnie). REAKCJE SYNTEZY JĄDROWEJ
REAKCJA SYNTEZY jest to reakcja odwrotna do rozszczepienia, polega ona na otrzymaniu cięższego jądro atomowego z dwóch lżejszych. Masa jądra, które powstało dzięki syntezie jest mniejsza od jąder, które się połączyły. Różnica mas została zmieniona na energię, która została uwolniona podczas reakcji. Reakcje syntezy jądrowej warunkują wytwarzanie energii we wnętrzu gwiazd. Istnieje wiele możliwości syntezy jąder zachodzących w gwiazdach. Są to cykle - pontonowo-protonowy -węglanowo-azotowy Pierwszy typ zachodzi w gwiazdach, które są małe bądź średnie, np. Słońce. Cykl protonowo-protonowy dzielimy na 3 etapy a) etap -protony pokonują barierę oddziaływania elektrostatycznego, a przyciągają się dzięki oddziaływaniu jądrowemu: 2 H + H H + + 0 e + v Jest to deuter, łączy się on z kolejnym protonem i tworzy jądro izotopu helu 3 He 2 3 H + H 2He + ϒ 3 2 3 2 4 2 He + He He + H + H Otrzymane jądro jest stabilne, nie potrzebuje dalszych przemian. Powstały także dwa protony, które mogą brać udział w kolejnych reakcjach syntezy. W każdym z etapów wytwarzała się energia, która unosi cząstki promieniowania β, neutrina i kwanty promieniowania ϒ. Cykl węglowo-azotowy zachodzi w gwiazdach gdzie temperatura przekracza 0000000K i zawierają domieszki węgla. Cykl składa się z sześciu reakcji. W pierwszym etapie cyklu proton łączy się z jądrem węgla 2 3, tworzy przy tym nietrwałe jądro azotu N C 6 2 6 nietrwałe jądro azotu rozpada się 3 3 C + H N + ϒ 3 6 N C + e + v + 0 Nietrwałe jądro węgla łączy się z kolejnym protonem 3 6 4 C + H N + ϒ
Nietrwałe jądro tlenu rozpada się a wtem 5 5 8 O 5 N + e + 0 +v 2 6 4 2 N + H C + He Z czterech protonów powstało jądro helu. To właśnie te reakcje są przyczyną świecenia gwiazd, także tej, dzięki której żyjemy Słońca. Są one więc niezbędne dla żywych organizmów. ENERGETYKA JĄDROWA Rok 938 Otto Hahn i Fritz Strassmann po raz pierwszy doprowadzili do rozszczepienia jądra uranu. Zaledwie 4 lata później po raz pierwszy przeprowadzono kontrolowaną reakcję rozszczepienia jąder uranu. REAKTOR ATOMOWY jest urządzeniem gdzie przeprowadza się kontrolowane reakcje rozszczepienia jąder atomowych. Oto pierwszy reaktor atomowy:
To właśnie dzięki energii wytwarzanej podczas reakcji możemy wytwarzać prąd elektryczny. Najważniejszym elementem elektrowni jest reaktor atomowy. Sercem reaktora jest rdzeń. W rdzeniu znajduje się substancja podlegająca rozszczepieniu, tzw. Paliwo jądrowe. Często jako paliwo używa się uranu. Podczas reakcji pod wpływem neutronów rozpada się izotop 235 U. Rdzeń reaktora jest wypełniony substancją, która spowalnia neutrony, które będą mogły brać udział w reakcjach. Zwie się ją moderatorem. Często jest nim woda lub grafit. Ciepło wytwarzane podczas reakcji rozszczepienia jest przenoszone do wymiennika ciepła, w którym oddawane jest wodzie, a ta parując napędza turbinę, która napędza prądnicę. Otrzymywanie energii z wykorzystaniem energii reakcji rozszczepienia jest konkurencyjne w porównaniu z metodami tradycyjnymi. Elektrownie w mniejszym stopniu przyczyniają się do degradacji środowiska niż elektrownie konwencjonalne. Do procesów technologicznych nie wykorzystuje się tlenu i nie przyczyniają się do rozwoju efektu cieplarnianego, ponieważ nie emitują do atmosfery dwutlenku węgla. BOMBA ATOMOWA Początkowo uran w bombie podzielony jest na dwie części, z których każda ma masą mniejszą niż masa krytyczna. Potem obie części się łączy i rozpoczyna się reakcja łańcuchowa, w wyniku której w krótkim czasie wydziela się wielka energia i następnie wybuch. CZĄSTKI ELEMENTARNE MODEL STANDARDOWY wspólny opis dla wszystkich oddziaływań, z wyjątkiem grawitacyjnego.
Istnieją dwie grupy cząstek: a) tworzące materię b)przenoszące oddziaływania *a) leptony i hadrony. -leptony : elektron, mion, cząstka tau cechącharakterystyczną jest posiadanie ujemnego ładunku elektrycznego. Mion i tau mają masę wiele razy większą od masy elektronu. -neutrina: elektronowe, mionowe, neutrino tau ODDZIAŁYWANIA SILNE zasięg porównywalny z wymiarami jądra atomowego, pozwala utrzymać to jądro w całości ODDZIAŁYWANIA SŁABE rozpad cięższych cząstek, w wyniku rozpadu powstają cząstki, których łączna masa jest mniejsza od masy cząstki początkowej. Cząstkami, które przenoszą oddziaływania słabe, są bozony.