Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego

Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego budowa.
Doświadczenie Rutherforda (1909).Polegało na
bombardowaniu złotej folii strumieniem cząstek alfa
(jąder helu) i obserwacji odchyleń ich toru ruchu.
Krótki zasięg sił jądrowych powoduje, że jądra o
odpowiednio dużej liczbie nukleonów (liczba atomowa
większa niż 83) są nietrwałe – rozpadają się. Czas rozpadu
jest różny dla jąder różnych pierwiastków i ich izotopów.
Podobnie jak atom, jądro atomowe może być w stanie
wzbudzonym. Przechodząc do stanu podstawowego
emituje kwant promieniowania gamma.
Niektóre pierwiastki samorzutnie emitują promieniowanie
zwane promieniowaniem jądrowym.
Należą do nich np. uran, polon, rad.
Jądro atomowe to centralna część atomu
zbudowana z jednego lub więcej protonów i
neutronów, zwanych nukleonami. Jądro
stanowi bardzo niewielki ułamek objętości
całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie
cała masa.
Jądra atomowe oznacza się takim samym symbolem, jak
pierwiastek chemiczny odpowiadający temu jądru,
dodatkowo na dole
umieszcza się liczbę
atomową (Z), a u góry liczbę
masową (A).
Atomy różnych pierwiastków chemicznych różnią się
ilością protonów w jądrze atomowym. W obrębie danego
pierwiastka występują izotopy. Są to atomy o jednakowej
liczbie protonów (liczbie atomowej) ale różnej liczbie
neutronów w jądrze. Izotopy danego pierwiastka różnią
się własnościami fizycznymi takimi, jak: gęstość,
temperaturę wrzenia, topnienia i sublimacji.
Izotopy nie mają odrębnych nazw za wyjątkiem izotopów
wodoru:
Masa jądra atomowego
u – jednostka masy atomowej
Masa jądra atomowego jest mniejsza od sumy mas
tworzących je nukleonów.
Średni promień jądra atomowego
Nukleony przyciągają się za pomocą krótkozasięgowych
sił jądrowych. Zasięg jest rzędu 1-2 fm (femtometrów 1015m). W tym zakresie siły jądrowe mają większą wartość
od sił odpychania elektrostatycznego pomiędzy
protonami.
Każdy nukleon w jądrze oddziałuje tylko z nukleonami
sąsiednimi. Jeśli odległość pomiędzy nukleonami jest
mniejsza od 0,8 fm, to nukleony odpychają się. Siły
jądrowe są niezależne od ładunku elektrycznego
nukleonu.
Promieniotwórczość naturalna to promieniowanie
jonizujące pochodzące ze źródeł naturalnych takich, jak
pierwiastki radioaktywne:
• obecne w glebie, skałach, powietrzu i wodzie,
• występujące w minerałach, przyswajanych przez rośliny
i zwierzęta lub używanych jako materiały konstrukcyjne,
• pojawiające się w atmosferze wskutek reakcji
składników atmosfery z promieniowaniem kosmicznym,
• przenikające do środowiska wskutek działalności
przemysłowej człowieka (wydobycie rud uranu, spalanie
węgla zawierającego pierwiastki promieniotwórcze).
Promieniowanie jądrowe występuje w trzech odmianach:
• promieniowanie alfa
• promieniowanie beta
• promieniowanie gamma
Promieniowanie alfa (α) to strumień cząstek alfa.
Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch
neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem
izotopu helu (4He). Promieniowanie to cechuje się małą
przenikliwością (zatrzymuje je np. kilka centymetrów
powietrza, kartka lub naskórek), jest jednak zabójcze w
przypadku wchłonięcia substancji emitującej je wraz z
pokarmem lub powietrzem.
Promieniowanie beta (β) jest strumieniem elektronów lub
pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do
prędkości światła. Jest silnie pochłaniane przez materię,
przez którą przechodzi. Promieniowanie to jest
zatrzymywane np. przez miedzianą blachę.
Promieniowanie gamma (γ)
to wysokoenergetyczna forma promieniowania
elektromagnetycznego. Promieniowanie gamma jest
promieniowaniem jonizującym i silnie przenikliwym.
Emisja promieniowania jest efektem rozpadu
promieniotwórczego. Rozpad promieniotwórczy jest
przykładem przemiany jądrowej. Jest to proces
zachodzący w jądrach atomowych prowadzący do
powstania innych jąder atomowych. Oprócz procesu
rozpadu występują procesy syntezy jądrowej.
Przykłady procesów rozpadu
• rozpad alfa
• rozpad beta minus
• rozpad beta plus
• emisja gamma
• rozszczepienie jądra atomowego
Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego budowa.
Rozpad alfa (przemiana α) przemiana jądrowa, w której
emitowana jest cząstka α (jądro helu 4He). Strumień
emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to
promieniowanie alfa.
Aktywność promieniotwórcza ilość rozpadów
promieniotwórczych w jednostce czasu (inaczej: szybkość
rozpadu).
Jednostką aktywności promieniotwórczej
Na przykład rozpad izotopu uranu.
Rozpad beta minus (przemiana β-) przemiana jądrowa, w jest 1 bekerel (1 Bq)
której emitowany jest elektron e- (promieniowanie beta)
oraz antyneutrino elektronowe.
Inną, pozaukładową, jednostką jest 1 kiur (1 Ci) – aktywność 1 grama
radu-226)x
Datowanie radiowęglowe – metoda określania wieku
przedmiotów oparta na pomiarze proporcji między
izotopem promieniotwórczym węgla 14C a izotopami
trwałymi 12C i 13C. W górnych warstwach atmosfery pod
wpływem neutronów promieniowania kosmicznego cały
czas zachodzi proces przemiany azotu 14N oraz węgla 13C
w radioaktywny 14C. Węgiel ten pod postacią dwutlenku
Na przykład rozpad izotopu węgla.
węgla wchodzi poprzez fotosyntezę do organicznego
Powyższe równania nazywane są regułami przesunięć obiegu pierwiastków. Tak długo jak organizm żyje,
wymienia materię z otoczeniem i proporcje węgla
Soddy’ego-Fajansa.
radioaktywnego do stabilnego w materii żywej są podobne
Rozpad promieniotwórczy jest przykładem
indeterminizmu w przyrodzie. Dla pojedynczego jądra nie jak w atmosferze. Gdy organizm umrze – wymiana
14
można określić kiedy nastąpi przemiana. Dla dużej liczby przestaje zachodzić, a izotop C z czasem się rozpada.
jąder atomowych można zauważyć, że liczba jąder, które Czas połowicznego rozpadu 14C wynosi 6000 lat.
w jednostce czasu ulegają przemianie promieniotwórczej,
jest proporcjonalna do liczby jąder nierozpadniętych w
danym czasie.
Na przykład rozpad izotopu sodu.
Rozpad beta minus (przemiana β+) przemiana jądrowa, w
której emitowany jest pozyton β+ (antyelektron) oraz
neutrino elektronowe.
Prawo rozpadu promieniotwórczego
Zależność ilości jąder atomów pierwiastka podlegającego
rozpadowi od czasu.
T – czas połowicznego rozpadu
Jest to czas, w którym rozpadnie się połowa
jąder atomów w próbce danego pierwiastka.
(od 10-11 do 1010)