Teoria - Fizyka

Fizyka jądrowa
•
Budowa jądra atomowego.
Jądra atomowe składają się z nukleonów: protonów i neutronów. Protony mają elementarny ładunek elektryczny
(e = 1,6 · 10-19 C). Neutrony są elektrycznie obojętne. W niezjonizowanym atomie liczby protonów i elektronów
są jednakowe.
Ogólnie, symbolicznie moŜna pierwiastek zapisać następująco:
, gdzie A jest liczbą masową (suma
protonów i neutronów), Z - liczbą atomową (ilość protonów w jądrze).
Nukleony tworzą jądro dzięki bardzo duŜym, lecz krótkozasięgowym siłom jądrowym. Mają one swoje
poziomy energetyczne i podlegają ciągłym procesom przemian energii.
•
Izotopy.
Izotopy to odmiany pierwiastków mających takie same własności chemiczne i zajmujące to samo miejsce w
układzie okresowym, lecz róŜniące się masą atomową(liczbą neutronów).
Jądra izotopów mają jednakową liczbę protonów (identyczne własności chemiczne), lecz róŜnią się liczbą
neutronów (stąd róŜne własności fizyczne).
Przykład - pierwiastek wodór:
jądro wodoru lekkiego ma 1 proton,
deuter ma w jądrze 1 proton i 1 neutron,
tryt ma w jądrze 1 proton i 2 neutrony.
Ciekawostka: Deuter łącząc się z tlenem tworzy związek zwany wodą cięŜką D2O, mającą charakterystyczną
własność spowalniania neutronów, dzięki której jest stosowana przy wytwarzaniu energii jądrowej.
Pierwiastki występujące w przyrodzie stanowią najczęściej mieszaniny izotopów.
•
Promieniotwórczość naturalna.
Jądra niektórych pierwiastków wysyłają cząstki albo fotony γ, zmniejszając w ten sposób swoją energię. Są to
przemiany promieniotwórcze.
Jądra pierwiastków promieniotwórczych (radioaktywnych) emitują trzy rodzaje promieniowania o róŜnej
naturze:
przemiana α:
przemiana β:
przemiana γ.
.
.
Uwaga:
Podczas naturalnych przemian promieniotwórczych zostają spełnione zasady zachowania ładunku i liczby
barionowej (liczby Z i A).
Promieniowanie α:
Cząstka α składa się z 2 protonów i 2 neutronów (a więc stanowi jądro helu
). Emitowane przez
pierwiastki promieniotwórcze cząstki
są obdarzone prędkościami rzędu 107 m/s, a więc
promieniowanie α jest stosunkowo mało przenikliwe. W polu magnetycznym odchyla się ono w stronę, w
którą odchylają się ładunki dodatnie. Ma silne własności jonizujące.
Przykład przemiany:
Pierwiastek promieniotwórczy polon emituje cząstkę α tworząc izotop ołowiu.
W jądrze polonu znajduje się 218 nukleonów, w tym 84 protony. Po wyemitowaniu cząstki α złoŜonej z 2
protonów i 2 neutronów powstaje jądro atomu nowego pierwiastka o liczbie masowej: 218 - 4 = 214 i
liczbie porządkowej 84 - 2 = 82.
Ogólnie dla rozpadu α moŜna napisać:
Promieniowanie β:
Promieniowanie α to strumień swobodnych elektronów, emitowanych przez pierwiastki
promieniotwórcze. Elektrony obdarzone są prędkościami od 0,3 · 108 do 3 · 108 m/s. Promieniowanie β
moŜe przenikać przez osłony metalowe o kilkumilimetrowej grubości. W polu magnetycznym odchyla
się w stronę, w którą odchylają się ładunki ujemne.
Przykład przemiany:
W jądrze pierwiastka promieniotwórczego ołowiu zachodzi przemiana neutronu w proton. Emitowane są
przy tym: elektron i neutralna cząstka neutrino.
Uwaga:
W jądrze przed rozpadem nie ma ani elektronu, ani neutrina. Powstają one dopiero podczas
rozpadu.
W jądrze bizmutu jest taka sama liczba nukleonów A (ubył 1 neutron, przybył 1 proton), ale zwiększyła
się liczba porządkowa Z o 1.
Ogólnie dla rozpadu β moŜna napisać:
•
Promieniowanie γ:
Rozpadowi jąder pierwiastków promieniotwórczych towarzyszy równieŜ emisja bardzo krótkich fal
elektromagnetycznych o długościach od 0,01 do 1 · 10 -10 m ( a więc krótszych od rentgenowskich). W polu
magnetycznym nie ulega ono odchyleniu i ma tylko niewielką zdolność jonizacji. Jest niezwykle przenikliwe i
moŜe przechodzić przez płyty metalowe nawet o grubości kilkunastu centymetrów. Najsilniej pochłaniane jest
przez ołów.
• Prawo rozpadu promieniotwórczego.
JeŜeli w substancji początkowo jest N0 jąder pierwiastka, to po czasie t jąder tego pierwiastka będzie mniej : N.
Rozpad promieniotwórczy opisany jest równaniem:
gdzie: e = 2, 718 - podstawa logarytmu naturalnego,
λ - stała rozpadu promieniotwórczego.
λ = ln 2/T = 0,693/T, T - okres połowicznego zaniku.
Pomiary promieniowania wykazały, Ŝe rozpad pierwiastków promieniotwórczych nie następuje równocześnie w całej jego
masie, lecz w ten sposób, iŜ w jednakowych i ściśle określonych dla kaŜdego pierwiastka, odstępach czasu,
zwanychpółokresem lub okresem połowicznego zaniku, rozpada się połowa jego atomów.
• Aktywność promieniotwórcza.
Aktywność promieniotwórcza wynosi: a = λ · N. JeŜeli następuje jedna przemiana w ciągu sekundy, to aktywność
promieniotwórcza wynosi 1 Bq (bekerel).
• Rodziny naturalnych pierwiastków promieniotwórczych.
Naturalne pierwiastki promieniotwórcze tworzą cztery rodziny: toru, uranu, neptunu i aktynu. W kaŜdej z nich zachodzą
przemiany, polegające na emisji cząstek α lub β.
• Zastosowania promieniotwórczości.
W medycynie stosuje się promieniowanie γ do naświetlania komórek nowotworów złośliwych, które odznaczając
się większą wraŜliwością na ich działanie niŜ otaczające ich zdrowe komórki, ulegają zniszczeniu. Obecnie
stosowane są tańsze sztuczne izotopy promieniotwórcze np. kobalt..
Izotopy promieniotwórcze słuŜą do wykrywania nowotworów metodą tzw. atomów znaczonych. W tym celu
stosuje się zastrzyki zawierające węgiel promieniotwórczy. Atomy tego pierwiastka po wprowadzeniu do
organizmu gromadzą się w rozmnaŜających się komórkach nowotworowych.
Promieniowanie γ ma silne własności bakteriobójcze, wskutek czego uŜywa się go do sterylizacji.
W geologii stosuje się procesy promieniotwórcze do oceny wieku skał. W skałach tworzących skorupę ziemską,
znajduje się niewielka ilość pierwiastków promieniotwórczych, mających długie okresy połowicznego rozpadu
np.
.
W archeologii do oceny wieku wykopalisk. WaŜną rolę odgrywa tu izotop węgla
, wytwarzany z azotu
znajdującego się w górnych warstwach atmosfery przez bombardowanie jego atomów cząstkami o duŜej energii,
zawartymi w promieniowaniu kosmicznym. W atmosferze izotop węgla
występuje w postaci dwutlenku
węgla i podobnie jak zwykły CO2 jest asymilowany przez rośliny, dostając się wraz z poŜywieniem do
organizmów Ŝywych. Wraz z obumarciem organizmu proces doprowadzania izotopu promieniotwórczego węgla
zostaje przerwany, ten zaś który jet w nim zawarty ulega rozpadowi (półokres 5700 lat). Porównując
promieniowanie β węgla, otrzymanego ze zwęglenia znalezionych szczątków, z promieniowaniem węgla
współczesnych substancji organicznych, moŜna określić z duŜą dokładnością wiek wykopalisk. Metoda ta ma
zastosowanie do wykopalisk nie starszych od 50000 lat.
W przemyśle stosuje się izotopy promieniotwórcze np. w defektoskopii radiograficznej, polegającej na
wykrywaniu utajonych skaz i defektów strukturalnych substancji w elementach maszyn, kotłach.
W przemyśle chemicznym promieniowanie ma wpływ na destylację ropy naftowej, wulkanizację kauczuku.
Izotopy promieniotwórcze stosuje się do pomiarów poziomu wypełniania zbiorników cieczą itp.
• Promieniotwórczość sztuczna.
W 1934 roku Irena i Fryderyk Joliot-Curie bombardując płytkę aluminium cząstkami α, emitowanymi przez polon,
otrzymali strumień neutronów oraz pierwszy sztuczny pierwiastek promieniotwórczy - izotop fosforu.
Strumienie rozpędzonych protonów i cząstek α mogą być uŜyte do wywołania przemian jądrowych pierwiastków lekkich.
W przypadku pierwiastków cięŜkich, duŜy dodatni ładunek elektryczny jądra powoduje ich elektryczne odpychanie.
UŜywa się wówczas jako cząstki bombardujące - neutrony.
PoniewaŜ zarówno ilości, jak i energie cząstek emitowanych przez pierwiastki promieniotwórcze okazały się
niewystarczające do wywołania przemian jądrowych na szerszą skalę, obecnie uŜywa się do tego celu naładowanych
cząstek przyspieszanych w polu elektrycznym lub magnetycznym. Urządzenia słuŜące do tego celu
nazwano akceleratorami (przyspieszaczami).