rozdzielenie na pomarańczowo
Transkrypt
rozdzielenie na pomarańczowo
JĄDRO ATOMOWE Nukleony Nukleony – cząstki jądra atomowego – suma protonów i neutronów. A Z X np. dla izotopów wodoru: -jądro najpospolitszego izotopu H (Z=1, A=1) składa się z jednego protonu: 1 H 1 -jądro deuteru zawiera dodatkowo jeden neutron 2 (Z=1, A=2): H lub 2 D 1 1 - jądro trytu zawiera jeden proton i dwa neutrony 3 (Z=1, A=3): H lub 3 T 1 1 Izotopy Izotopy to atomy zawierające jednakową liczbę protonów a różna liczbę neutronów. 1 1 H 2 1 D 3 1 T Badania izotopów Do rozdzielania izotopów wykorzystano ich niewielkie różnice we właściwościach fizycznych i chemicznych. Przykładem jest elektrolityczny rozkład wody, któremu 1 nieco szybciej ulegają cząsteczki wody zawierające lżejsze izotopy 1 H Rozdzielenie izotopów na większą skalę przeprowadza się metodami elektromagnetycznymi.Główną metoda służącą do wykrywania obecności izotopów oraz do oznaczania ich zawartości jest spektrometria masowa. Stosuje się także badania spektralne za pomocą spektrografu o wysokiej zdolności rozdzielczej. Izotopy O, H i N wykazują drobne różnice w położeniu linii w widmie atomowym. Izotopy promieniotwórcze, zawierające nietrwałe jądra, można wykryć i oznaczyć dzięki wydzielanemu przez nie promieniowaniu ( α, β–, β+) wykazującego zdolność do jonizacji gazów. Największa liczbę izotopów trwałych (10) ma 50Sn. Nieliczne są pierwiastki mające po jednym trwałym izotopie. Należą do nich: 9F, 11Na, 13Al, 15P, 21Sc, 25Mn, 27Co, 33As, 39Y, 41Nb, 45Rh, 53I, 55Cs, 59Pr, 67Ho, 69Tm, 75Re, 79Au, 83Bi; Wszystkie te pierwiastki mają nieparzyste liczby atomowe. Powstawanie atomu można sobie wyobrazić jako reakcję syntezy jądrowej ze składników, np.: + 4 1 1 p + + 5 1 0 n + 4 -01 e 9 4 Be + energia Równanie to nie spełnia prawa zachowania masy m substratów > m produktów Energia wiązania nukleonów w jądrze Rozmiary jądra są bardzo małe, rzędu 10-14 – 10-15 m, a nukleony w nim zawarte mają małą objętość. Pomimo, że między protonami występują siły odpychania elektrostatycznego, większość jąder to układy bardzo trwałe. Jednak siły przyciągania, zwane siłami jądrowymi, przeważają bez względu na ładunek elektryczny nukleonów. Siły te zanikają bardzo szybko w miarę wzrostu odległości. Jądro berylu ( 94 Be ) zawiera 4 protony i 5 neutronów, a wokół niego krążą 4 elektrony. Gdyby były w stanie wolnym ich łączna masa (m [u]) wynosiłaby: masa 4 elektronów 4 · 0,0005486 = 0,0021944 masa 4 protonów 4 · 1,0072764 = 4,0291056 masa 5 neutronów 5 · 1,0086650 = 5,0433250 masa teoretyczna 9,0746250 Jednak najdokładniejsze pomiary masy Be dają wartość: 9,01218 u, która jest mniejsza od teoretycznej o 0,0624 u. Z teorii względności Einsteina wynika, że w przyrodzie mogą zachodzić procesy, w których masa układu ulega zmianie nie wskutek wymiany masy (m) - atomów cząsteczek - z otoczeniem, lecz wskutek wymiany energii (E) zgodnie ze wzorem: E = mc2 Różnica masy zwana jest defektem masy. Współczynnikiem proporcjonalności jest kwadrat prędkości światła (c = 2,9979·108 m·s-1). Ze wzoru można dalej wyliczyć, że energia wydzielająca się podczas łączenia nukleonów i elektronów jednego atomu berylu wyniosłaby 58,13 M eV. 9 5 Tyle samo energii należałoby dostarczyć, aby jądro berylu ponownie rozbić Be na nukleony. Energię tę nazywamy energią wiązania jądra. Bardzo często przelicza się ją na 1 nukleon występujący w jądrze, dla Be: 58,13 M eV / 9 = 6,46 MeV. Energia odpowiadająca zniknięciu masy 1 u wynosi: E = 931,5 MeV = 1,492 10-10 J W podobny sposób można obliczyć energię wiązania nukleonów w jądrze dla wszystkich innych atomów (nuklidów). Dla większości nuklidów (oprócz lekkich) zawarta jest ona w granicach: 7 ÷ 8,7 MeV. Wartość maksymalną (8,7 MeV) osiąga dla jąder o liczbie masowej 56 (główny izotop żelaza). 56 26 Fe Energia wiązania nukleonu w jądrach o różnych liczbach masowych energia [MeV] 10 9 8 7 6 5 0 50 100 150 liczba masowa, A 200 250 Promieniotwórczość A.H. Becquerel (1896) M. Skłodowska - Curie (1867-1934) Jądra pierwiastków promieniotwórczych (naturalnych i sztucznych) ulegają mniej lub bardziej samorzutnemu rozpadowi, połączonego z emisją różnego rodzaju promieniowania. Jądro 87Rb 37 protonów 50 neutronów 38 protonów 49 neutronów Jądro 97Sr Warunki trwałości jąder atomowych •Zależność trwałości od masy Jądra o dużych liczbach masowych są nietrwałe bez względu na to, jaki jest stosunek N/Z. Najcięższym znanym trwałym jądrem atomowym jest jądro izotopu bizmutu: 209 83 Bi Jądra o zbyt dużej masie dążąc do przemiany w trwałe jądra o mniejszej masie, emitują cząstki α , składające się z 2 protonów i 2 neutronów ( 42 He ). Energia tych cząstek jest dość znaczna, tj. 4 - 9 MeV, ale ich zasięg w powietrzu jest mniejszy od cząstek β– . Emisja cząstki α prowadzi do zmniejszenia liczby atomowej nuklidu (Z) o 2 oraz liczby masowej (A) o 4. •Zależność trwałości od N/Z W jądrach lekkich izotopów o liczbach atomowych Z ≤ 20 – stosunek N/Z ≅ 1. W miarę zwiększania liczby Z, N/Z ≅ 1,6. Stosunek ten może zmieniać się dla izotopów danego pierwiastka w wąskich granicach. Zarówno nadmierny wzrost liczby neutronów (N), jak i nadmierny jej spadek, powoduje, że jądro staje się nietrwałe i ulega przemianie (lub serii przemian) prowadzących do utworzenia trwałego jądra. Zmniejszenie nadmiaru liczby neutronów dokonuje się najłatwiej przez emisję promieniowania β– (emisję elektronu e–), który powstaje w toku przemiany neutronu w proton zachodzącej wewnątrz jądra: 1 0 n→ p+ 1 1 0 −1 e+ ν 0 0 Przemianie tej towarzyszy emisja cząstki ν o znikomej masie spoczynkowej, zwanej antyneutrino, nie obdarzonej żadnym ładunkiem elektrycznym. Przemiana n w p powoduje zwiększenie Z o jedną jednostkę, a więc przemianę pierwiastka. np. promieniotwórczy izotop węgla przemienia się w trwały izotop azotu : 14 6 C → 147 N + −01 e + 00 ν Tendencja do zmniejszania się nadmiaru protonów wywołuje najczęściej emisję promieniowania β+, tj. pozytonu e+ (cząstki różniącej się od elektronu tylko znakiem ładunku elektrycznego). Emisja cząstki e+ następuje w wyniku przemiany jednego z protonów w jądrze w neutron i towarzyszy jej emisja neutrina ν, cząstki przypominającej własnościami antyneutrino 1 1 p → 01 n + 01 e + + 00 ν W wyniku tego liczba Z zmniejsza się o jedną jednostkę. Liczba A nie zmienia się. Przemianę β+ stwierdzono tylko w przypadku przemian sztucznych izotopów promieniotwórczych. Wychwyt K Do zmniejszenia nadmiaru protonów w jądrze prowadzi też proces polegający na wychwyceniu przez jądro jednego z elektronów z pozajądrowej części atomu, z najgłębiej położonej powłoki K. Ubytek elektronu jest wyrównywany przez przejście na nią elektronu z dalszej powłoki. Energia potencjalna elektronu przechodzącego z powłoki dalszej do położonej bliżej jądra ulega obniżeniu, a różnica energii jest emitowana na zewnątrz w postaci promieniowania rentgenowskiego. Jądra powstające w wyniku przemian mogą być obdarzone nadmiarem energii, (jest w stanie wzbudzonym), którą emitują w postaci wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego (promieniowania γ ). Ma mniejszą długość fali niż promieniowanie rentgenowskie. promieniowanie zmiana liczby Z zmiana liczby A α Z-2 A+4 β– Z+1 – β+ Z–1 – γ – – Jest to rozszerzona treść reguły Fajansa i Soddy’ego (1911 – 1913). 140 emitery α 120 Liczba neutronów (N) Związek pomiędzy liczbą neutronów a liczbą protonów w jądrach atomowych N =1 Z 110 100 80 emitery β 60 40 20 Z 20 40 60 80 100 Szybkość rozpadu promieniotwórczego Szybkość rozpadu nietrwałych jąder, zarówno naturalnych i otrzymanych sztucznie, jest wprost proporcjonalna do do liczby jeszcze nie rozłożonych atomów N. Szybkość wyrazimy zależnością: − dN = λN dt Stała λ - stała rozpadu promieniotwórczego dN - ubytek liczby atomów jest liczbą ujemną, stąd „–” przed ułamkiem. Po przekształceniu i założeniu, ze w chwili początkowej t=0 liczba danego izotopu wynosiła N0 otrzymamy: ln N = − λt N0 N = N 0 ⋅ e − λt Ubytek substancji promieniotwórczej w funkcji liczby okresów półtrwania T½ - okres półtrwania izotopu promieniotwórczego, czas, w którym ulega rozpadowi połowa ilości danego izotopu. Jest to wielkość używana najczęściej do charakteryzowania szybkości rozpadu promieniotwórczego. ln 2 T1 = 2 λ Z równania wynika, że okres półtrwania jest niezależny od ilości początkowej izotopu. 226 Np. okres półtrwania izotopu radu 88 Ra wynosi 1622 lata. Po upływie takiego czasu z dowolnej ilości radu pozostanie połowa. Po upływie następnych 1622 lat ulega rozpadowi znowu połowa ilości, która pozostała, tj. czwarta część ilości wyjściowej. Wartości okresu półtrwania różnych nuklidów wahają się w bardzo szerokich granicach. Np. w szeregu uranowo-radowym: dla 238 92 U T ½ = 4,51 · 109 lat dla 214 84 Po T ½ = 1,62 · 10–4 s. Równowaga promieniotwórcza XI ⇒ XII ⇒ XIII ... Jeśli wyodrębnimy w stanie czystym jeden z izotopów z szeregu np. XI to po jakimś czasie zostanie zanieczyszczony promieniotwórczym produktem jego rozpadu – izotopem XII. Następnie pojawia się – pierwiastek XIII itd. Szybkość rozpadu XII jest początkowo bardzo mała, gdyż jest mała liczba atomów tego izotopu NII. Wraz ze wzrostem liczby NII wzrasta również szybkość rozpadu izotopu XII, równocześnie maleje szybkość rozpadu izotopu XI. Po pewnym czasie obie szybkości wyrównują się. ln 2 dN I dN II dN III T = Uwzględniając równanie: − =− =− 1 2 λ dt dt dt N I N II N III = II = III I T12 T12 T12 N I : N II : N III = T12 : T12 : T12 I II III Po pewnym czasie ustala się stan równowagi promieniotwórczej. Szeregi promieniotwórcze Większość naturalnych pierwiastków promieniotwórczych ulegając rozpadowi daje jądra nowego pierwiastka, które również są nietrwałe i ulegają dalszemu rozpadowi. Powstają w ten sposób szeregi promieniotwórcze. Wyróżniamy następujące szeregi promieniotwórcze: - uranowo-radowy – 238 92 U⇒ 206 82 Pb 235 207 - uranowo-aktynowy – 92 U⇒ 82 Pb 232 208 ⇒ Th 82 Pb - torowy – 90 - neptunowy – 237 93 szeregi naturalne Np ⇒ 209 83 Bi Każdy szereg promieniotwórczy rozpoczyna się nuklidem stosunkowo trwałym, zanikającym znacznie wolniej, niż inne nuklidy stanowiące pozostałe ogniwa szeregu. Szeregi kończą się nuklidami niepromieniotwórczymi, nie ulegającymi dalszym przemianom. A 238 234 230 Szereg uranowo-radowy α β 226 222 218 214 210 206 Z 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn 87Fr 88Ra 89Ac 90Th 91Pa 92U A 235 231 227 Szereg uranowo-aktynowy α β 223 219 215 211 207 Z 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn 87Fr 88Ra 89Ac 90Th 91Pa 92U A 232 228 Szereg torowy α β 224 220 216 212 208 Z 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn 87Fr 88Ra 89Ac 90Th 91Pa A 237 233 Szereg neptunowy α β 229 225 221 217 213 209 Z 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn 87Fr 88Ra 89Ac 90Th 91Pa 92U 93Np Reakcje jądrowe Oprócz przemian naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, bardzo wiele przemian pierwiastków, a właściwie przemian ich jąder atomowych, można wywołać sztucznie. Pierwsza sztuczna przemiana jądra atomowego, wywołana przez człowieka, została zrealizowana przez Rutherforda (1919), który poddał azot 214 działaniu cząstek α emitowanych przez izotop polonu 84 Po . Rodzaje reakcji jądrowych ¾Proste reakcje jądrowe – cząstki bombardujące wykazują energię nie przekraczającą kilkudziesięciu MeV. Wchłonięcie ich przez jądro łączy się z emisją 1 lub 2 cząstek elementarnych (elektronu, protonu, neutronu itp.) ¾Kruszenie jąder – pod wpływem cząstek bombardujących o bardzo wysokiej energii (kilkaset MeV). Jądra tracą znaczną część swojej masy, dochodzącą do 40 u. Np. jądra Fe pod wpływem bombardowania protonami o energii 340 MeV dają liczne izotopy promieniotwórcze pierwiastków od 22Na do 55Co. ¾Rozszczepianie jąder – ulęgają mu tylko nietrwałe, ciężkie jądra atomowe naświetlane powolnymi neutronami. Produktami rozszczepienia są dwa różne fragmenty jądra o porównywalnych masach oraz 2 do 3 neutronów ¾Reakcje termojądrowe – zachodzą w bardzo wysokich temperaturach (107108 K). Polegają na łączeniu się najmniejszych jąder ( 11 H , 21 D itp.) w większe np. 4He. Proste reakcje jądrowe •Reakcja wykorzystywana do laboratoryjnego wytwarzania neutronów: 9 4 Be+ 42 He→126 C+ 01 n •Skuteczniejszym działaniem wykazują się cząstki α wytworzone sztucznie i przyspieszane w akceleratorach (aby pokonać barierę potencjału). Rozpędzone protony 11 H i deuterony 21 D łatwiej docierają do bombardowanych jąder. Pierwszą reakcją zrealizowaną za pomocą sztucznie wytworzonego strumienia rozpędzonych protonów była przemiana Li w He (Cockrofta i Waltona - 1932): 7 3 Li +11 H → 2 42 He •Przykład reakcji jądrowej zachodzącej pod wpływem neutronów, które nie doznają odpychania elektrostatycznego: 24 12 1 Mg + 01 n → 24 Na + 11 1H Zmiany masy i energii w reakcjach jądrowych Reakcjom jądrowym towarzyszy wydzielanie lub pochłanianie znacznych ilości energii. Można je obliczyć na podstawie ubytku lub przyrostu masy podczas reakcji. 14 7 masa atomowa masa atomowa 14 7 4 2 N He N + He → O+ H 4 2 17 8 1 1 = 14,003074 masa atomowa = masa atomowa 4,00260 18,005674 17 8 1 1 O H = 16,999133 = 1,007825 18,006958 W czasie reakcji nastąpił wzrost masy o: 18,006958 - 18,005674 = 0,001284 u 14 tzn., że na 1 jądro 7 N należy dostarczyć energię: 931 · 0,001284 = 1,19 MeV (endoenergetyczna) Z przemian jądrowych można czerpać energię : 7 3 Li + H → 2 He 1 1 4 2 Ubytkowi masy wynoszącemu 0,1852 u odpowiada wydzielenie energii 17,25 MeV przypadającej na 1 jądro Li (reakcja egzoenergetyczna). Elektrownia atomowa w Dungennes w Wielkiej Brytanii. Sztuczna promieniotwórczość Jądra atomowe powstające w wyniku ostrzeliwania protonami, deuteronami cząstkami α lub neutronami często ulegają dalszemu rozpadowi promieniotwórczemu. Pierwszy przypadek sztucznej promieniotwórczości został odkryty w 1934 r. przez Fryderyka i Irenę Joliot-Curie. Stwierdzili, że w czasie naświetlania Al cząstkami wydzielanymi przez Po powstają atomy P: które rozpadają się: 27 13 Al+ 42 He= 01 n + 30 15 P 30 15 P = 01 e + + 30 14 Si 9 Jeżeli jądro zawiera nadmiar neutronów – to nastąpi emisja cząstki β– 9 Jeżeli jądro zawiera nadmiar protonów – to nastąpi emisja cząstki β+ Rozszczepienie jąder atomowych 235 92 U + 01 n → X + Y + (2 − 3) 01 n n 235 92 n n 235 92 U n Liczby masowe nuklidów X i Y wynoszą 72 ÷ 161. W produktach rozszczepienia 235U wykryto ok. 300 izotopów 37-u różnych pierwiastków. Rozszczepienie jądra mniej trwałego na dwa bardziej trwałe połączone jest z wydzielaniem bardzo dużych ilości energii. Wydzielanie dodatkowej ilości neutronów umożliwia zajście reakcji łańcuchowej przebiegającej bardzo szybko i prowadzącej do gwałtownego wybuchu uwalniającego ogromne ilości energii. n n n U n 235 92 U 235 92 235 92 n n 235 92 U U n U n Reakcje termojądrowe Łączenie się dwu jąder D w jądro He jest procesem egzoenergetycznym, co jest spowodowane faktem, że energia wiązania wiązania nukleonu w deuterze (1,1 MeV) jest znacznie mniejsza niż energia wiązania nukleonu w jądrze He. 2 21 D= 42 He W przeliczeniu na 1 g zużytego deuteru otrzymuje się 578 mln kJ (ilość 7 x większą niż ilość energii wydzielonej przy rozszczepieniu 1 g 235 ). Reakcje tego rodzaju 92 U zachodzą samorzutnie tylko w bardzo wysokich temperaturach. Takie temperatury panują we wnętrzu gwiazd i reakcja ta jest głównym źródłem emitowanych przez nie olbrzymich ilości energii. 411 H→ 42 He + 201 e + + 26,7 MeV Energia uzyskana ze „ spalania” wodoru na hel jest głównym źródłem energii emitowanej przez słońce w ilości 3,72 · 1023 kJ s-1. W każdej sekundzie musi ulegać przemianie na hel 600 mln t H2. Szacuje się, że wodoru jest 1027 t – rocznie ubywa go 1,89 · 10 -9 %. W kosmosie zachodzą także inne reakcje termojądrowe, np. łączenie się jąder helu w temp. rzędu 10 8 K z utworzeniem Be: 2 42 He→ 48 Be lub reakcja jądra Be z jądrem He: 4 2 He+ 48 Be→126 C Bomba wodorowa Reakcję termojądrowej syntezy helu w warunkach ziemskich udało się przeprowadzić tylko w sposób niekontrolowany w postaci gwałtownego wybuchu wyzwalającego jeszcze większe ilości energii niż wybuch bomby atomowej uranowej lub plutonowej. W tzw. bombie wodorowej temp. 107 – 108 K uzyskuje się poprzez wybuch „zwykłej” bomby atomowej działającej jako zapalnik. W sposób kontrolowany, tak aby korzystać z energii, nie udało się jeszcze tego przeprowadzić. Słońce – reaktor termojądrowy Fuzja termojądrowa na małą skalę z użyciem lasera Projekt „Tokamak” do uwięzienia plazmy Zasada działania licznika Geigera Zastosowanie izotopów w badaniach chemicznych Izotopy promieniotwórcze powstające w cyklotronach i reaktorach jądrowych znajdują liczne zastosowania. Wskaźnik promieniotwórczy Do preparatu niepromieniotwórczego wprowadza się pewną ilość tej samej substancji w postaci izotopu promieniotwórczego. Właściwości chemiczne tej mieszaniny nie zmieniają się, jednocześnie możemy śledzić „znaczone” atomy, gdyż wydzielają promieniowanie α , β lub γ. Do takich badań mogą służyć również trwałe izotopy. Badanie dyfuzji – śledzenie atomów w cieczach i w ciałach stałych – wymiana w węzłach sieci przestrzennej (dyfuzji własnej lub atomów obcych); Badanie mechanizmów reakcji chemicznych W analizie chemicznej – badanie kinetyki reakcji, adsorpcji itp. Określanie rozpuszczalności substancji trudno rozpuszczalnych Śledzenie wędrówki i przemian w organizmach żywych Sterylizacja żywności Izotop 123I w badaniach mózgu, na lewo- mózg normalny, na prawo mózg pacjenta z chorobą Alzheimera Badania za pomocą izotopu węgla -12C Do określania wieku wykopalisk – oznaczenie zawartości tego izotopu znając jego okres półtrwania – 5600 lat. Promieniotwórczy węgiel nieustannie krąży w przyrodzie. W rezultacie w przyrodzie ożywionej 14C / 12C jest stały we stosunek izotopu wszystkich organizmach żywych biorących udział w obiegu węgla w przyrodzie. Z chwilą np. odcięcia konaru od drzewa zostaje on wyłączony z tego obiegu, a zawartość promieniotwórczego izotopu zaczyna się zmniejszać. Oznaczając w nim stosunek tych dwóch izotopów węgla możemy określić czas, jaki minął od chwili, gdy drzewo stało się martwe. Promieniowanie kosmiczne 14N 14C Wychwyt elektronów Wszystkie izotopy C (12C, 13C, 14C) są absorbowane przez żywe organizmy Gleba W szczątkach obumarłych drzew, kościach 14C→14N przez wypromieniowanie cząstki β 14C Cząstki β Promieniowanie β 14N Reaktor jądrowy Uzupełnianie prętów paliwowych w reaktorze Tlenek uranu U3O8 Odpady nuklearne zalewa się stopionym szkłem Pluton 239Pu – czerwona poświata. Kolor pomarańczowy pochodzi od jego tlenku Naturalny reaktor w Oklo, Gabon Wybuch bomby termojądrowej