JĄDRO ATOMOWE

JĄDRO ATOMOWE
Rok 1897, Joseph John Thomson odkrywa ujemnie naładowaną cząsteczkę – elektron. W
tym momencie zaprzestano wierzyć, że atom nie jest najmniejszą , niepodzielną cząstką
materii.
Elektron ma ładunek ujemny !
( Według prawa elektrostatyki, aby atom był elektrycznie obojętny jego pozostała część musi
mieć ładunek dodatni.)
MODEL ATOMU WEDŁUG THOMSONA
*Atom jest dodatnio naładowaną kulą, wewnątrz której rozmieszczone są elektrony.
Ładunek wszystkich elektronów jest równy dodatniemu ładunkowi kuli, więc atom jest
elektrycznie obojętny.*
W 1911 nastąpiło obalenie teorii atomu Thomsona. Ernest Rutherford wraz z Hansem
Geigerem i Ernestem Marsdenem wykonali pewne doświadczenie, oto schemat:
Celem przedstawionego doświadczenia było określenie ilości cząstek α, które przechodzą
przez folię. Z doświadczenia wynika, że cała masa atomu musi być skupiona w małej
przestrzeni, która Ernest nazwał JĄDREM ATOMOWYM. Posiada ono ładunek dodatni.
1914 – Ernest Marsden zaobserwował dodatnio naładowaną cząsteczkę, która była lżejsza od
jądra helu! Tajemniczą cząsteczkę Rutherford nazwał PROTONEM. Wielkość protonu jest
równa wielkości ładunku elektronu.
Dalsze badania zaowocowały np. nowym modelem atomu Bohra czy też teorią, że jądro
atomowe musi zawierać więcej cząstek niż wskazywałaby liczba krążących wokół jądra
elektronów.
Liczbę protonów w jądrze nazywamy liczbą atomową i oznaczamy literą Z, lecz liczbę
protonów i neutronów w jądrze atomowym nazywamy liczbą masową (oznaczamy jako „A”).
NUKLEONY – protony i neutrony tworzące jądro atomowe.
Aby zatem określić liczbę neutronów w jądrze należy od liczby masowej odjąć liczbę
atomową:
N=A-Z
N- liczba neutronów, A – liczba masowa, Z – liczba atomowa
Jądro atomowe zapisujemy często jako:
X – symbol pierwiastka
W przyrodzie występują także izotopy – nuklidy o takiej samej liczbie atomowej Z, różniące
się jedynie liczbą neutronów N. Atomy izotopów mają taką samą liczbę elektronów więc
wykazują takie same własności chemiczne. Ze względu na różną liczbę nukleonów
właściwości jądra będą inne.
PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA
1895 – Wilhelm Roentgen zauważył, iż w wyniku wyładowań w rurze Crookesa powstaje
promieniowanie, które przenika przez wiele materiałów, nie oddziałuje z polami
elektrycznymi i magnetycznymi. Promieniowanie te nazwano PROMIENIOWANIEM
REONTGENOWSKIM, za które zresztą w 1901 roku dostał nagrodę Nobla.
Odkrycie te spowodowało, iż zaczęto poszukiwać materiały, które mogłyby być źródłem
promieni X.
Rok po tym odkryciu Antoine Henri Bacquerel zaczął interesować się rudą uranową. Badał jej
wpływ na kliszę fotograficzną. Po wywołaniu kliszy, zauważono, że jest ona zaczerniona.
Udowodnił tym samym, że ruda uranu emituje promienie samoczynnie. Emitowanie przez
uran promieniowanie miało inny charakter niż promieniowanie rentgenowskie. Zjawisko
samorzutnej zmiany jąder atomowych w inne, gdzie towarzyszą temu emisja
promieniowania nazywamy NATURALNĄ PROMIENIOTWÓRCZOŚCIĄ. Odkryto 3 rodzaje
promieniowania:
-α
-β
-ϒ
ROZPAD α JĄDRA ATOMOWEGO
Promieniowanie α można obserwować w wyniku rozpadu α jądra atomowego, którego liczba
masowa jest większa od 83.Rozpada się α i powstaje:
- cząsteczka α
-nowe jądro atomowe
Rozpad α można zapisać w takiej postaci:
lub też przedstawić na diagramie, który opisze zależność liczby masowej i liczby atomowej.
ROZPAD β JĄDRA ATOMOWEGO
Rozpad B, może zachodzić na trzy różne sposoby:
PIERWSZY SPOSÓB – rozpad
- polega on na emisji z jądra atomowego elektronu oraz
antyneutrina. Można go zapisać takim równaniem:
W trakcie przemiany liczba atomów zaczyna się zwiększać o jeden, ale liczba masowa wciąż
jest taka sama. Liczba atomowa może jednak zmniejszyć wartość o jeden. Sytuacja ta jest
możliwa, gdy z jądra atomowego zostanie wyemitowany pozyton – cząstka o masie równej
masie elektronu i ładunku dodatnim o wartości równej wartości ładunku elektronu i
antyneutrino.
Jądro, które podlega przemianie β następuje emisja elektronu lub pozytonu. Przebieg tych
zmian możemy opisać równaniem:
a) Dla rozpadu 𝛽 + :
𝟎
𝟎
𝟏
𝟏
𝟏𝒑 → 𝟎𝒏 + 𝟏𝒆 + 𝟎𝒗
b) Dla rozpadu 𝛽 − :
𝟏
𝟎𝒏
→ 𝟏𝟏𝒑 +
𝟎
−𝟏𝒆
+ 𝟎𝟎𝒗
Ostatni z możliwych rozpadów β nazywany jest wychwytem elektronu. Polega on na
absorpcji przez jądra atomowe elektronu poruszającego się wokół jądra. W wyniku
wchłonięcia elektronu liczba atomowa zmniejsza się o jeden i emitowane jest neutrino. Oto
równanie przebiegu wychwytu:
𝐀
𝐙𝐗
+ −𝟏𝟎𝐞 →
𝐀
𝐙−𝟏𝐘
+𝐯
Wychwyt elektronu jest rozpadem dwuciałowym.
PRZEMIANA ϒ JĄDRA ATOMOWEGO
Ostatnią samoistną przemianą jądra atomowego jest przemiana ϒ. Przemiana jest inna od
pozostałych, które wcześniej zostały przedstawione. W wyniku owej przemiany jest
emitowany kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przemiana polega na emisji
kwantu promieniowania elektromagnetycznego z wzbudzonego jądra atomowego. Wtedy
właśnie jądro przechodzi do niższego stanu energetycznego. Struktura, wartości liczby
masowej i atomowej nie ulegają zmianie.
Przemianę ϒ opisuje się równaniem:
𝐀
𝐙𝐗
→ 𝐀𝐙𝐗 → +ϒ
W każdej z przemian wytwarzana jest inna ilość energii, dzięki czemu cząsteczki mogą
przenikać przez różne substancje. Najmniejsze cząstki α, nie przenikają nawet przez kartkę
papieru. Zaś największą energie niosą ze sobą kwanty promieniowania ϒ, które pochłaniane
są dopiero przez grubą płytę ołowianą. Rozpady α i β powodują zmianę składu jądra
atomowego, więc pierwiastki w wyniku tych przemian mogą po kolei przechodzić z jednego
w drugi, tworząc tzw. Rodziny izotopów promieniotwórczych.
Wyróżniamy 4 rodziny promieniotwórcze, czyli grupy pierwiastków, w których następujące
kolejno po sobie rozpady α i β zmieniają jądro jednego pierwiastka w jądro drugiego:
- Rodzina torowa – pierwszym jądrem rodziny jest jądro izotopu toru, a ostatnim jądro
izotopu ołowiu
-Rodzina neptunowa – pierwszym jądrem jest jądro izotopu neptunu, ostatnim jądro izotopu
bizutu
-Rodzina uranowo-radowa - pierwszym jądrem jest jądro izotopu uranu, ostatnim jądro
izotopu ołowiu
-rodzina uranowo-aktynowa – pierwszym jądrem jest jądro izotopu uranu, ostatnim jądro
izotopu ołowiu
Różne izotopy tego samego pierwiastka mają różne okresy połowicznego rozpadu, więc
także różne aktywności.
AKTYWNOŚĆ ŚREDNIA ŹRÓDŁA PROMIENIOTWÓRCZEGO – stosunek ilości jąder, które
uległy rozpadowi ∆N do czasu ∆t, w którym nastąpił rozpad:
A=
∆𝑵
∆𝒕
A- aktywność
∆N- liczba jąder, które uległy rozpadowi
∆t – czas, w którym nastąpił rozpad
Jednostką aktywności jest Bekerel (1 Bq), czyli :
źródło promieniowania ma aktywność 1Bq, jeśli w czasie 1 s nastąpił rozkład 1 jądra.
Aktywność źródła zależy od masy (ilości jąder promieniotwórczych), wiemy także, że
aktywność maleje wraz z upływem czasu. Równanie prawa rozpadu promieniotwórczego:
∆𝐍
∆𝐭
= 𝛌𝐍
∆N – ilość jąder, które uległy rozpadowi
∆t – czas, w którym nastąpił rozpad
λ – stała proporcjonalności
N –ilość jąder przed rozpadem
λ=
∆𝑵
𝑵∆𝒕
Wartość stałej rozpadu promieniotwórczego jest stała dla danego izotopu.
Wielkość charakteryzującą izotop jest – oprócz aktywności – czas połowicznego rozpadu, czyli czas,
po którym z początkowej liczby jąder zostanie połowa. Czyli zawsze po upływie czasu połowicznego
rozpadu pozostanie połowa jąder tworzących próbkę. Prawo rozpadu promieniotwórczego:
𝒕
N= 𝑵𝟎 ∗
𝟏 𝟏
( )𝑻𝟐
𝟐
N – liczba jąder po czasie t
𝐍𝟎 – początkowa liczba jąder izotopu
t – czas trwania rozpadu
𝟏
𝟐
T – czas połowicznego rozpadu
𝟏
𝟐
𝟎,𝟔𝟗𝟑
𝑻 =
𝝀
WPŁYW PROMIENIOWANIA NA ORGANIZMY ŻYWE
Aby uchronić się przed szkodliwym działaniem promieniowania, trzeba określić intensywność oraz
miejsca jego występowania. Używamy do tego detektorów promieniowania. Najprostszym
detektorem jest klisza fotograficzna.
SCYNYLACJA – błyski świetlne, powstające przez padające na niektóre substancje bądź przechodzące
przez materię cząstki. Owe zjawisko możliwe jest tylko wtedy, gdy cząstki przechodzą przez
substancje fluoryzującą.
Do rejestracji cząstek stosujemy komory mgłowe i komory pęcherzykowe. Dawką promieniowania
jest miara pochłoniętej energii. Została zdefiniowana jako stosunek ilości pochłoniętej energii przez
daną masę ciała do masy tego ciała:
𝑬
D=
D – dawka promieniowania
𝒎
E – pochłonięta energia
m – masa ciała pochłaniającego energię
Jednostką dawki pochłoniętej jest 1 grej (Gy)
1 Gy = 1
𝑱
𝒌𝒈
Cząstki powstałe w przemianach promieniotwórczych mają różne energie i wywołują różne
skutki w organizmach żywych, wprowadzono wielkość nazwaną równoważnikiem dawki:
H=QD
H – równoważnik dawki
D – dawka promieniowania
Q – liczba przypisana danemu rodzajowi promieniowania:
dla promieniowania ϒ Q =1
dla promieniowania α Q=20
Jednostką równoważnika dawki jest siwert (1 Sv)
Roczną dopuszczalną dawką jest 5 Sv.
Przez całe nasze życie organizm jest poddawany działaniu promieniowania. Skutkiem, jest
gromadzenie się w nim pierwiastków promieniotwórczych.
Węgiel i azot różnią się o 1 liczbą atomową. Neutron zderza się z jądrem azotu znajdującym
się w atmosferze – powstaje węgiel i wodór. A oto reakcja:
𝟏𝟒
𝟏
𝟕𝐍 + 𝟎𝐧
→
𝟏𝟒
𝟔𝐂
+ 𝟏𝟏𝐇
Węgiel, który otrzymaliśmy jest niestabilnym izotopem. Potrafi łączyć się z tlenem i tworzyć
dwutlenek węgla. Węgiel 146𝐶 jak wiemy, znajduje się w roślinach, te natomiast zjadane są
przez inne organizmy, więc można stwierdzić, iż owy węgiel znajduje się we wszystkich
organizmach żywych.
Ilość promieniotwórczego węgla w organizmach się zmienia, ponieważ węgiel ulega
rozpadowi 𝛽 według równania.
𝟏𝟒
𝟔𝐂
→
𝟎
𝟏𝟒
𝟕𝐍 + −𝟏𝐞
ENERGIA WIĄZANIA
Aby uzyskać masę jąder atomowych stosuje się spektometry masowe.Atom, który jest zjonizowany
nadaje się prędkości prostopadłe do linii pola magnetycznego. Zjonizowany atom obdarzony jest
ładunkiem elektrycznym, więc w polu magnetycznym nie działa na niego siła Lorentza, która
zakrzywia tor ruchu. Siła Lorenza pełni rolę siły dośrodkowej, możemy obliczyć masę
zjonizowanego atomu:
𝐦=
𝐫𝐪𝐁
𝐯
r – promień krzywej, po której porusza się jon
q - ładunek jonu
B- wartość indukcji pola magnetycznego
v – prędkość jonu
Pierwsze wyniki doświadczeń były dość zaskakujące. Wyznaczone masy jąder różniły się od
mas wyznaczonych teoretycznie. To jest właśnie niedobór masy. Pomocą w wyjaśnieniu
niedoboru jest wzór Einsteina:
∆E= m𝒄𝟐
Opisuje on związek między masą a energią.
Jak wiemy, niektóre jądra są stabilne, inne nie są. Spowodowane jest to składem jądra, czyli
ilością protonów i neutronów. Lecz w ciężkich jądrach neutrony leżące w skrajnych częściach
jądra nie będą z sobą oddziaływały ze względy na zbyt duża odległość. By zapobiec
rozpadnięciu jądra pod wpływem oddziaływań elektrostatycznych, między protonami w
jądrze potrzebna jest dodatkowa energia, która pochodzi z dodatkowych neutronów.
Najbardziej stabilne, będą jądra o takiej liczbie atomów, która będzie odpowiadać
najmniejszej całkowitej energii jądra.
Stan równowagi oddziaływań elektrostatycznego i silnego można zburzyć, przykładowo, gdy
w ciężkie jądro uderzy neutron. Równowaga wtedy będzie zachwiana a odległości miedzy
neutronami się zwiększą. Jądro się rozpadnie. Proces ten możemy nazwać
ROZSZCZEPIENIEM
JĄDRA ATOMOWEGO
Masa produktu rozszczepiania jądra jest jednak mniejsza niż masa jądra początkowego.
Każdy z powstałych neutronów może uderzyć w jedno jądro, w wyniku czego powstaną dwa
kolejne nowe jądra i trzy neutrony. Nazywamy to REAKCJĄ ŁANCUCHOWĄ (z każdym
kolejnym rozszczepieniem jądra będzie zachodziła bardziej intensywnie).
REAKCJE SYNTEZY JĄDROWEJ
REAKCJA SYNTEZY – jest to reakcja odwrotna do rozszczepienia, polega ona na otrzymaniu
cięższego jądro atomowego z dwóch lżejszych. Masa jądra, które powstało dzięki syntezie
jest mniejsza od jąder, które się połączyły. Różnica mas została zmieniona na energię, która
została uwolniona podczas reakcji.
Reakcje syntezy jądrowej warunkują wytwarzanie energii we wnętrzu gwiazd. Istnieje wiele
możliwości syntezy jąder zachodzących w gwiazdach. Są to cykle
- pontonowo-protonowy
-węglanowo-azotowy
Pierwszy typ zachodzi w gwiazdach, które są małe bądź średnie, np. Słońce.
Cykl protonowo-protonowy dzielimy na 3 etapy
a) 1 etap
-protony pokonują barierę oddziaływania elektrostatycznego, a przyciągają się dzięki
oddziaływaniu jądrowemu:
𝟎
𝟏
𝟏
𝟐
𝟏𝐇 + 𝟏𝐇 → 𝟏𝐇 + +𝟏𝐞 + 𝐯
Jest to deuter, łączy się on z kolejnym protonem i tworzy jądro izotopu helu 3𝐻𝑒
𝟑
𝟐
𝟏
𝟏𝐇 + 𝟏𝐇 → 𝟐𝐇𝐞 + ϒ
𝟑
𝟐𝐇𝐞
+ 𝟑𝟐𝐇𝐞 → 𝟒𝟐𝐇𝐞 + 𝟏𝟏𝐇 + 𝟏𝟏𝐇
Otrzymane jądro jest stabilne, nie potrzebuje dalszych przemian. Powstały także dwa
protony, które mogą brać udział w kolejnych reakcjach syntezy. W każdym z etapów
wytwarzała się energia, która unosi cząstki promieniowania β, neutrina i kwanty
promieniowania ϒ.
Cykl – węglowo-azotowy – zachodzi w gwiazdach gdzie temperatura przekracza 10000000K i
zawierają domieszki węgla. Cykl składa się z sześciu reakcji. W pierwszym etapie cyklu proton
łączy się z jądrem węgla 126𝐶 , tworzy przy tym nietrwałe jądro azotu 137𝑁
𝟏𝟐
𝟏
𝟔𝐂 + 𝟏𝐇
nietrwałe jądro azotu rozpada się
𝟏𝟑
𝟕𝐍
→
→
𝟏𝟑
𝟕𝐍
+ϒ
𝟏𝟑
𝟎
𝟔𝐂 + +𝟏𝐞
+𝐯
Nietrwałe jądro węgla łączy się z kolejnym protonem
𝟏𝟑
𝟔𝐂
+ 𝟏𝟏𝐇 →
𝟏𝟒
𝟕𝐍
+ϒ
Nietrwałe jądro tlenu rozpada się
𝟏𝟓
𝟖𝐎
→
𝟎
𝟏𝟓
𝟕𝐍 + +𝟏𝐞+v
a wtem…
𝟏𝟓
𝟕𝐍
+ 𝟏𝟏𝐇 →
𝟏𝟐
𝟒
𝟔𝐂 + 𝟐𝐇𝐞
Z czterech protonów powstało jądro helu.
To właśnie te reakcje są przyczyną świecenia gwiazd, także tej, dzięki której żyjemy – Słońca.
Są one więc niezbędne dla żywych organizmów.
ENERGETYKA JĄDROWA
Rok 1938 Otto Hahn i Fritz Strassmann po raz pierwszy doprowadzili do rozszczepienia jądra
uranu. Zaledwie 4 lata później po raz pierwszy przeprowadzono kontrolowaną reakcję
rozszczepienia jąder uranu. REAKTOR ATOMOWY jest urządzeniem gdzie przeprowadza się
kontrolowane reakcje rozszczepienia jąder atomowych.
Oto pierwszy reaktor atomowy:
To właśnie dzięki energii wytwarzanej podczas reakcji możemy wytwarzać prąd elektryczny.
Najważniejszym elementem elektrowni jest reaktor atomowy. Sercem reaktora jest rdzeń.
W rdzeniu znajduje się substancja podlegająca rozszczepieniu , tzw. Paliwo jądrowe. Często
jako paliwo używa się uranu. Podczas reakcji pod wpływem neutronów rozpada się izotop
235𝑈 .
Rdzeń reaktora jest wypełniony substancją, która spowalnia neutrony, które będą mogły
brać udział w reakcjach. Zwie się ją moderatorem. Często jest nim woda lub grafit. Ciepło
wytwarzane podczas reakcji rozszczepienia jest przenoszone do wymiennika ciepła, w
którym oddawane jest wodzie, a ta parując napędza turbinę, która napędza prądnicę
.
Otrzymywanie energii z wykorzystaniem energii reakcji
rozszczepienia jest konkurencyjne w porównaniu z
metodami tradycyjnymi. Elektrownie w mniejszym stopniu
przyczyniają się do degradacji środowiska niż elektrownie
konwencjonalne. Do procesów technologicznych nie
wykorzystuje się tlenu i nie przyczyniają się do rozwoju
efektu cieplarnianego, ponieważ nie emitują do atmosfery
dwutlenku węgla.
BOMBA ATOMOWA
Początkowo uran w bombie podzielony jest na dwie części, z
których każda ma masą mniejszą niż masa krytyczna. Potem obie
części się łączy i rozpoczyna się reakcja łańcuchowa, w wyniku
której w krótkim czasie wydziela się wielka energia i następnie wybuch.
CZĄSTKI ELEMENTARNE
MODEL STANDARDOWY – wspólny opis dla wszystkich oddziaływań, z wyjątkiem
grawitacyjnego.
Istnieją dwie grupy cząstek:
a) tworzące materię
b)przenoszące oddziaływania
*a) leptony i hadrony.
-leptony : elektron, mion, cząstka tau
cechącharakterystyczną jest posiadanie ujemnego ładunku elektrycznego. Mion i tau mają
masę wiele razy większą od masy elektronu.
-neutrina: elektronowe, mionowe, neutrino tau
ODDZIAŁYWANIA SILNE – zasięg porównywalny z wymiarami jądra atomowego, pozwala
utrzymać to jądro w całości
ODDZIAŁYWANIA SŁABE – rozpad cięższych cząstek, w wyniku rozpadu powstają cząstki,
których łączna masa jest mniejsza od masy cząstki początkowej. Cząstkami, które przenoszą
oddziaływania słabe, są bozony.