Reakcje rozpadu jądra atomowego

Reakcje rozpadu jądra
atomowego
OPRACOWANIE:
PAWEŁ ZABOROWSKI
KONSULTACJA MERYTORYCZNA:
MAŁGORZATA LECH
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.1
Rys. 1 Siły wzajemnego przyciągania się nukleonów w
jądrze. Podręcznik do klasy 1. (wyd. Operon)
Trwałość izotopów
 Wykres obok przedstawia
zależność trwałości jądra
atomowego od stosunku ilości
neutronów do ilości protonów
N/Z.
Trwałość izotopów
 Izotopy pierwiastków lekkich (do Z=20) są trwałe,
jeżeli stosunek liczby neutronów do liczby protonów
w ich jądrach wynosi 1 lub nieznacznie przekracza 1,
np.:

2
1

3
1
D
T
N/Z = 1 – jądro jest trwałe, nie emituje
promieniowania.
N/Z = 2/1 = 2 – jądro jest nietrwałe,
ulega przemianie promieniotwórczej  -.
Trwałość izotopów
 Dla pierwiastków cięższych (Z>20) stosunek N/Z
stopniowo rośnie i najwyższą wartość osiąga dla
bizmutu2:

209
83
Bi
Z=83; N= 209-83=126;
N/Z = 1,518
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:
1 
1
1
0
n  p e
A
Z
E
 W wyniku przemiany
A
Z 1

E e

 - 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.:
14
6
C N  e
14
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 +):
1
1

p  n e
1
0

 W wyniku przemiany powstaje atom pierwiastka leżącego
w układzie okresowym po lewej stronie pierwiastka wyjściowego3:
A
Z
E
A
Z 1
E e
 np.:
C  B e
11
6
11
5


Przemiany promieniotwórcze
 Wychwyt K - polega na wychwyceniu elektronu z poziomu K przez
jądro, liczba atomowa pierwiastka maleje o 1.
 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
19

K e 
 Ar
K
40
18
 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).
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
2
He2
Powstałe jądro nowego atomu jest lżejsze o 4 jednostki masy i ma
ładunek mniejszy o 2 jednostki:
 np.:
A
Z
A4
Z 2
E

213
84
E 
4
2
Po 
 Pb 
209
82
4
2
Przemiany sztuczne
 Sztuczne przemiany jądrowe można podzielić między innymi na:

reakcje jądrowe przebiegające według schematu:
cząstka + jądro → nowe jądro + nowa cząstka
1
0

198
1
n198
Hg


Au

80
79
1p
rozszczepienia jądrowe przebiegające według schematu:
neutron + duże jądro → średnie jądro + średnie jądro + kilka neutronów
1
0

n U 
 Ba  Kr 3 n
235
92
141
56
92
36
fuzje jądrowe przebiegające według schematu:
jądro lekkie + jądro lekkie → nowe jądro + cząstka
2
1
H 13H 
24 He01n
1
0
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.
Czas życia izotopów
Szybkość rozpadu radioizotopów określamy przy pomocy wielkości zwanej
okresem połowicznego rozpadu t½ - jest to czas, który musi upłynąć, żeby
początkowa ilość izotopu zmniejszyła się do połowy:
n
1
N     N0
2
 gdzie n 
 więc

t
t1
 N – ilość nuklidów

2

t
 1  t 12
N     N0
2

w danym momencie
N0 – początkowa ilość
nuklidów
t – czas trwania
t1/2 – czas połowicznego
rozpadu (zaniku)
n – ilość okresów
połowicznego rozpadu
Czas życia izotopów
 Zależność ilości izotopu promieniotwórczego od
upływającego czasu obrazuje poniższy wykres:
Czas życia izotopów
 Ponieważ masa, liczba moli czy też intensywność
promieniowania zależy wprost proporcjonalnie od
liczby nuklidów więc zależność tę można zapisać
także:
n
1
m     m0 lub
 2
n
1
I     I0
2
 m – masa radioizotopu; mo masa początkowa radioizotopu
 I – intensywność promieniowania; I0 – początkowa
intensywność promieniowania
Czas życia izotopów
 Polon-210 ulega przemianie alfa. Czas połowicznego rozpadu tego
izotopu wynosi 138 dni.


Napisz równanie tej przemiany.
W pojemniku umieszczono 1g polonu-210. Oszacuj masę tego izotopu, która
pozostanie po upływie 414 dni.
210
84
Dane:
m0 = 1g
t = 414 dni
t1/2 = 138 dni
m=?

Po 
 Pb 
206
82
4
2
Rozwiązanie:
n
n
t
t1

2
414 dni
3
138dni
3
1
1
1
m     m0    1g  1g  0,125 g
8
 2
2
 Odp.: Po 414 dniach z próbki o masie 1g pozostanie 0,125g polonu-210.
Przypisy:
 1 – 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 209Bi 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.
Chcesz wiedzieć więcej?
 Podręcznik do klasy 1 w zakresie rozszerzonym
 http://www.chemia.dami.pl/liceum/liceum3/jadro3.htm