Budowa jądra atomowego

Budowa jądra atomowego
Elektron. Prawie do końca XX wieku uważano, że najmniejszą cząstką materii jest atom. Wtedy to
John Thomson odkrył ujemnie naładowaną cząstkę – elektron. Badał przewodnictwo w gazach
wystawionych na działanie promieni rentgenowskich i wyciągnął wniosek, że przewodnictwo
zawdzięczamy pewnym, naładowanym cząstkom (nie atomom, które są obojętne) obecnym w gazie. Ustalił
też masę tych cząstek na około 1000 razy mniejszą od masy wodoru. Na tej podstawie przyjął, że atom jest
kulą materii dodatnio naładowaną, w której pogrążone są ujemne elektrony (jak rodzynki w cieście).
Jądro atomowe. W 1911 roku uczeń Thomsona - Ernest Rutherford wykonał doświadczenie (złota
folia bombardowana cząstkami alfa), w którym dowiódł, że prawie cała masa atomu jest skupiona w bardzo
małym jądrze (średnica jądra 100 000 razy mniejsza od średnicy atomu), o dodatnim ładunku, które otacza
chmura elektronów. Okazało się, że atom jest jak pusty stadion, na trybunach którego siedzi od jednego do
kilkudziesięciu widzów – elektronów, a w środku znajduje się przyciągające elektrony jądro atomu.
Proton. W 1914 roku Ernest Marsden zaobserwował cząstkę mniejszą od cząstki alfa, obdarzoną
ładunkiem dodatnim, a jej istnienie potwierdził w roku 1918 Rutherford. Cząstkę tę nazwano protonem.
Wielkość ładunku była równa wielkości ładunku elektronu. Proton nadaje ładunek dodatni jądru.
Neutron. Dalsze badania zaowocowały modelem atomu Bohra i okazało się, że jądro jest nieco
cięższe niż wynika to z liczby krążących wokół elektronów, i że powinno zawierać dodatkowe,
nienaładowane cząstki. Małżeństwo Curie zaobserwowało, że ta nowa cząstka wybija protony z parafiny,
zaś James Chadwick zauważył, że cząstka przechodzi przez 20 cm warstwę ołowiu (proton tylko kilka
mm). Fakt ten świadczył o obojętnym charakterze nowej cząstki. Wyniki swoich prac Chadwick
opublikował w 1932 roku i nową cząstkę nazwał neutronem.
ładunek [C] masa [kg]
Liczbę protonów w jądrze nazywamy liczbą atomową Z,
elektron
-1,602E-19 9,109E-31
a liczbę protonów i neutronów – liczbą masową A. Protony i
+1,602E-19 1,673E-27
neutrony w jądrze nazywamy też nukleonami. W fizyce proton
neutron
0
1765,E-27
przyjęto, że jądro atomowe opisuje się następującym symbolem
A
Z
X , gdzie X oznacza symbol pierwiastka.
Podczas badań okazało się, że prócz „normalnych” pierwiastków (z określoną liczbą protonów), w
przyrodzie występują też takie które mają różną liczbę neutronów (przy tej samej liczbie atomowej) –
nazywamy je izotopami.
Ale jak może istnieć coś takiego jak jądro, które składa się z odpychających się nawzajem ładunków
dodatnich? Okazało się, że prócz kulombowskich (elektrostatycznego) sił odpychających (pochodzących od
ładunku) działają jeszcze mocniejsze siły – siły przyciągania jądrowego. Siły te działają pomiędzy
wszystkimi cząstkami znajdującymi się w jądrze atomowym. Wszystkie reakcje chemiczne są zbyt słabe,
aby zmienić liczbę protonów w jądrze, a tym samym zamienić jakiś pierwiastek w inny. Złudne więc były
marzenia średniowiecznych alchemików o przemianie jakiegoś pierwiastka w złoto.
Promieniotwórczość naturalna. W 1895 roku Wilhelm Roentgen zauważył, że w rurze wypełnionej
resztkami gazu, pod wpływem przyłożonego napięcia, powstaje promieniowanie (w skutek
wyhamowywania rozpędzonych elektronów na szkle lub anodzie rury). Promieniowanie to naświetlało
klisze fotograficzne, ale nie oddziaływało z polem elektrycznym i magnetycznym. Promieniowanie to
zostało nazwane rentgenowskim (w krajach anglosaskich promieniowaniem X). Odkrycie to spowodowało,
że uczeni zaczęli szukać materiałów, które były źródłem promieniowania X. Rok później Henri Becquerel
stwierdził, że ruda uranowa samoczynnie zaczernia kliszę fotograficzną – promieniuje. Promieniowanie to
miało jednak inny charakter, gdyż oddziaływało z polem magnetycznym. Kolejne badania wykazały, że
istnieje trzy typy promieniotwórczości naturalnej α, β, γ.
Promieniowanie alfa związane jest z emisją cząstek alfa. Można obserwować je w wyniku rozpadu
jąder, których liczba masowa jest większa niż 83. Jądro X przechodzi w nowe jądro Y, które ma dwa mniej
protony i dwa mniej neutrony. Wypromieniowywana cząstka, to hel (He), który ma cztery nukleony: dwa
protony i dwa neutrony. Nazywamy ją cząstką alfa.
234
4
A
A4
4
Dla rozpadu uranu reakcja będzie miała postać: 238
92U  90Th 2 He a ogólnie
Z X  Z 2Y  2 He
Promieniowanie beta związane jest z elektronami i kilkoma nowymi cząstkami, które odkryto
znacznie później. Rozpad beta może przebiegać na trzy sposoby:
A
A
0
~ 32 P 32S  0e ~
* beta minus β15
16
1
Z X  Z 1Y  1 e 
powstaje nowy pierwiastek (jeden proton więcej), elektron i nowa cząstka antyneutrino.
64
64
0
A
A
0
* beta plus β+
29 Cu 28 Ni  1 e 
Z X  Z 1Y  1 e 
powstaje nowy pierwiastek (jeden mniej proton), nowe cząstki pozyton (masa elektronu i ładunek
dodatni) oraz neutrino.
A
0
A
* wychwyt elektronu
Z X  1 e Z 1Y 
jądro atomowe wychwytuje elektron poruszający się na
orbicie, powstaje nowy pierwiastek (jeden mniej
proton) i następuje emisja neutrina.
Promieniowanie gamma – jądro nie ulega
przekształceniu w inny pierwiastek, emitowana jest jedynie
energia, a jądro przechodzi na niższy stan energetyczny
A
A
Z X Z X  
Promieniowanie neutronowe - do tych trzech podstawowych dołączyć należy jeszcze
promieniowanie n – którego składnikami są neutrony. Jest ono częścią promieniowania przenikliwego, które
powstaje podczas wybuchu jądrowego.
W każdej z przemian wytwarzana jest inna ilość energii, dzięki temu cząstki mogą przenikać przez
różne substancje. Najmniejszą energię niosą cząstki alfa (0,4-0,8 MeV) – zatrzymuje je nawet kartka
papieru. Cząstki beta (0,06 MeV-3,18 MeV) są pochłaniane przez aluminiową płytkę o grubości kilku
milimetrów. Jeszcze większą energię (do kilkunastu MeV) niesie promieniowanie gamma i jest pochłaniane
dopiero przez grubą płytę ołowiu. Promieniowanie neutronowe zatrzymuje dopiero kilkumetrowa warstwa
betonu.
eV – elektronowolt – jednostka energii stosowana w fizyce cząstek elementarnych
1 eV = 1 e·1V = 1,602·10-19·1V = 1,602·10-19J
1MeV = 1,602·10-13J
Rodziny promieniotwórcze. Ponieważ rozpady powodują zmianę składu jąder atomowych, to w
wyniku tych przemian, pierwiastki mogą przechodzić kolejno jeden w drugi, tworząc tzw. rodziny
izotopów promieniotwórczych. W przyrodzie występuje cztery takie rodziny. Nazwa rodziny bierze się od
nazwy pierwszego jądra. Wszystkie cztery kończą się różnymi izotopami ołowiu, przechodząc po drodze
237
kilkanaście rozpadów alfa i beta: rodzina torowa – , 232
90Th , rodzina neptunowa – 93 Np , rodzina
uranowo-radowa –
U , rodzina uranowo-aktynowa –
238
92
235
92
U.
Stała rozpadu. Czas połowicznego rozpadu. Różne
izotopy mają różne aktywności i zależy ona głównie od
masy (ilości jąder) i upływu czasu. Im większa masa, tym
więcej jąder się rozpada. Im dłuższy upływ czasu, tym
rozpada się mniejsza ilość jąder. W wyniku pomiarów
okazało się, że w określonej jednostce czasu, określanej
jako czas połowicznego rozpadu, przemianie ulega
zawsze połowa pozostałych jąder. Prawo rozpadu
promieniotwórczego można zapisać wzorem:
t
 1  T1 / 2
N  N0    ,
2
gdzie N – liczba jąder izotopu po czasie t, N0 – początkowa liczba jąder izotopu, t – czas trwania
rozpadu, T1/2 – czas połowicznego rozpadu. Jednostką aktywności promieniowania jest bekerel (1 Bq) –
źródło promieniowania ma wartość 1 Bq jeśli w czasie 1 sekundy nastąpi rozpad jednego jądra izotopu.
Jeszcze jedną wartością opisującą promieniotwórczość jest stała rozpadu λ, która informuje jaka
część jąder ulega rozpadowi w jednostce czasu:
N
,

N  t
gdzie ΔN – liczba jąder, które uległy rozpadowi, Δt – czas , w którym nastąpił rozpad, N - ilość jąder
przed rozpadem. Samą zaś aktywność źródła A określamy równaniem:
N
A
t
Jednostką aktywności jest bekerel – 1 Bq (w czasie 1 s rozpad jednego jądra). Po przekształceniach
wybiegających poza zakres szkoły średniej można otrzymać zależność pomiędzy okresem połowicznego
rozpadu, a stałą rozpadu oraz pomiędzy ilościami jąder, a aktywnością:
0,693
N
A
oraz
T1 / 2 


N 0 A0
Promieniotwórczość. Cząstki niosące energie mogą wykonać pracę. Jeśli napotkają na swojej drodze
żywą komórkę, mogą ją uszkodzić. Niesie to ze sobą określone zagrożenia, ale umiejętne korzystanie z
promieniotwórczości ma też zastosowanie korzystne dla ludzi: medycyna (naświetlanie komórek
nowotworowych), sterylizacja żywności i lekarstw, ocena wieku skał i wykopalisk, wykrywanie utajonych
wad materiałowych, przyspieszanie procesów chemicznych, przemysł energetyczny.
Najprostszym detektorem promieniowania jest klisza fotograficzna. Najbardziej znanym
urządzeniem do wykrywania jest licznik Geigera-Müllera (1913), w którym promieniotwórcze cząstki
powodują przepływ prądu w liczniku. Stosuje się również liczniki scyntylacyjne, w których
promieniotwórcze cząstki wywołują scyntylacje, błyski świetlne po przejściu cząstki przez specjalną
substancję. W badaniach naukowych natomiast stosuje się komory pęcherzykowe i komory mgłowe.
Miarą pochłoniętej przez organizm żywy energii jest dawka promieniowania, określana jako
stosunek pochłoniętej energii do masy organizmu. Przy określaniu maksymalnej dopuszczalnej dawki
promieniowania należy uwzględnić nie tylko masę organizmu, ale i rodzaj promieniowania (różne energie),
czas ekspozycji (jak długo organizm wystawiony był na promieniowanie) oraz promieniotwórczość
naturalną (kosmiczne, Ziemskie, rentgenowskie itp.).
Promieniotwórczość
naturalną
przedstawia diagram. Największy udział
w rocznej dawce ma radon, gaz
promieniotwórczy pochodzący z rozpadu
uranu znajdującego się w skałach, glebie
materiałach
budowlanych.
Radon
gromadzi się głównie w pomieszczeniach
zamkniętych, zbudowanych z kamienia.
Zastosowanie
promieniowania
naturalnego
Promieniowanie ma nie tylko negatywne skutki. Gdy zrozumiano jego naturę i działanie na organizmy
żywe, znaleziono dobroczynne zastosowanie. promieniowanie gamma – fotografia Rentgenowska i
sterylizacja żywności, radioterapia protonowa – precyzyjne zabijanie nowotworów oka. Jeszcze inne
zastosowania: czujki dymu, medycyna: badanie, diagnostyka i leczenie, farby luminescencyjne, energetyka
jądrowa oraz datowanie znalezisk i skał.
Datowanie. Wszystkie organizmy żywe zawierają w sobie węgiel 146C , który pochodzi od zjadanych
przez nie roślin i pobierany w wyniku oddychania dwutlenkiem węgla. Węgiel ten ulega rozpadowi beta:
14
14
0
6 C  7 N  1 e z czasem połowicznego rozpadu 5715 lat. Jeżeli zwierzę ginie, przestaje pobierać węgiel z
otoczenia, a w jego szczątkach będzie znajdował się jedynie węgiel z ostatnich chwil życia. Porównują
aktywność promieniotwórczą tego węgla, z aktywnością w czasach obecnych można określić czas, w
którym żył znaleziony organizm. Ten proces nazywamy datowaniem węglowym. Datowanie węglem
14
6 C stosuje się do określania wieku organizmów żywych, natomiast datowanie uranowe do określania wieku
przyrody nieożywionej, np. skał.
Podsumowanie
Jądro atomowe składa się z neutronów i protonów (z wyjątkiem wodoru). Jądra atomów o tej samej
licznie protonów mają podobne własności chemiczne. Jądro atomowe może istnieć dzięki oddziaływaniom
silnym – jądrowym.
W równaniach jądrowych sumy górnych i dolnych liczb po prawej i lewej stronie są zawsze takie
same – liczba nukleonów w reakcjach jądrowych nie ulega zmianie, tzn. że nukleony nie mogą znikać, ani
pojawiać się znikąd. Podobnie nie można zniszczyć ładunku elektrycznego (ani też nie pojawia się znikąd).
Promieniotwórczość jest zjawiskiem naturalnym i człowiek cały czas jest na nie narażony – dawka ta
jednak nie powoduje zauważalnych zmian w organizmie.
Zadania
Oblicz liczbę neutronów i protonów w jądrze Berylu
8
Z=4 protony N=A-Z=8-4 neutrony
4 Be
Jądro izotopu neptunu 237
93 Np ulega kolejno trzem rozpadom alfa i dwóm rozpadom beta minus. Określ, jakie
jądro powstanie w wyniku tych rozpadów?



237
233
4
233
229
4
229
225
4



93 Np 
91 Pa  2 He
91Pa 
89 Ac  2 He
89 Ac 
87 Fr  2 He


225
225
225
225
Fr 
Ra  0 e ~
Ra 
Ac  0 e ~
87
1
88
88
1
89
Oblicz aktywność preparatu (stosunek aktywności końcowej do początkowej) po 16 dniach, jeśli wiadomo,
że czas połowicznego rozpadu wynosi 8 dni.
t
16
N
A  1  T1 / 2  1  8 1

 
    - po 16 dniach próbka będzie miała 25% aktywności początkowej
N 0 A0  2 
4
2
Stała rozpadu dla radonu ma wartość 2,1·10-6 1/s. Oblicz czas połowicznego rozpadu.
0,693
0,693
T1 / 2 

 3,82 dni

2,110 6
Archeolog odkrył pozostałość osady. Aktywność 1 kg węgla zawartego w jej elementach wynosiła 57 Bq.
Ustal, kiedy powstała ta osada. Aktywność początkowa próbki wynosi 228 Bq, a czas połowicznego
rozpadu węgla wynosi 5715 lat.
t
t
2
t
N
A  1  T1 / 2
57  1  5715
 1   1  5715

 

 
    
 t  11430 lat
N 0 A0  2 
228  2 
2 2