1
1
Jądro atomowe
2
Co decyduje o właściwościach atomu ?
• masa (protony + neutrony + elektrony)
– prawie cała masa atomu skupiona jest w jądrze,
wkład elektronów jest niewielki
• ładunek jądra oraz liczba elektronów
– wzajemne oddziaływania o charakterze
elektrostatycznym
•
ułoŜenie elektronów (konfiguracja)
– istotne dla właściwości chemicznych są
zwłaszcza elektrony połoŜone daleko od jądra
3
Czy prawo zachowania masy jest zawsze spełnione ?
Czy jest spełnione na poziomie atomowym ?
• Masa kaŜdego izotopu jest sumą mas protonów,
neutronów i elektronów. Wkład elektronów jest
mało znaczący.
• Masa danego izotopu powinna być (w j.m.a.)
liczbą zbliŜoną do całkowitej
• Izotop
9
Be - masa powinna wynosić 9 u,
tymczasem jest niŜsza o 0,0624 u ...
• Czy to błąd rachunkowy ? Jeśli nie, to co się stało
z brakującą masą ?
4
„Defekt” masy
• Zgodnie z teorią Einsteina, masa i energia są sobie
równowaŜne
E = m·c
2
• „Brakująca” masa zamienia się w energię
stabilizacji jądra atomowego, która wynosi w tym
przypadku
E = 931,5 MeV = 1,49210
-10
J
(dla
kaŜdego jądra)
• 1 eV - energia, jaką uzyskuje elektron w polu na
drodze o spadku potencjału o 1 V
• 1 MeV = 10
6
eV
5
Energia wiązania w jądrze
A
100
50
150 200
250
E
(MeV)
liczba masowa
û
waha się od 7 - 8,7 MeV/nukleon
6
Stabilność jąder atomowych
0
20
40
60
80
100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
lic
z
b
a
n
e
u
tr
o
n
ó
w
w
j
ą
d
rz
e
liczba atom owa, Z
2
7
Promieniotwórczość naturalna
Samorzutny rozpad nietrwałych
nuklidów, połączony z emisją
promieniowania elektromagnetycznego
lub strumienia cząstek
Henri Becquerel, małŜonkowie Curie, 1896
Rodzaje promieniowania:
α
- strumień jąder nuklidu izotopu helu
β
- strumień elektronów
γ
- “twarde” promieniowanie elektromagnetyczne
Nagroda Nobla z fizyki 1903,
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/curie/index.html
8
Znaczenie promieniotwórczości
Czy badanie promieniotwórczości ma związek z
chemią ?
Tak, dlatego Ŝe:
- promieniotwórczość dostarcza wielu cennych
informacji o budowie jądra atomowego;
- izotopy promieniotwórcze mogą pełnić rolę
“znaczonych” atomów danego pierwiastka i przez to
ułatwiać badanie mechanizmów reakcji chemicznych;
- moŜna zrealizować odwieczne marzenie alchemików,
to znaczy zamieniać jedne pierwiastki w drugie
9
Promieniotwórczość
naturalna
10
1. Promieniowanie β
-
n
p
e
→
+
+
+
−
ν
Jest to strumień elektronów, powstających w wyniku
przemiany wewnątrz jądra:
Neutron rozpada się na
proton
,
elektron
i
antyneutrino
6
14
7
14
C
N
→
+
+
−
e
ν
Z
A
Z 1
A
X
X'
→
+
+
−
−
β
(
)
e
ogólnie:
11
2. Promieniowanie β
+
Jest to strumień cząstek o masie elektronów, ale o
ładunku dodatnim
, powstających w wyniku przemiany
wewnątrz jądra:
p
n e
+
+
→
+ +
ν
Proton
rozpada się na neutron,
elektron o ładunku
dodatnim (pozyton)
i
neutrino
Z
A
Z
A
X
X
e
→
+
−
+
+
1
'
(
)
β
12
3. Promieniowanie α
(emisja cząstki α)
2
4
He
Na skutek przemian wewnątrz jądra na zewnątrz
wyrzucany jest strumień cząstek złoŜonych z
dwóch protonów i dwóch neutronów - jąder
izotopu
92
235
90
231
2
4
2
4
U
Th
( He)
→
+
α
Z
A
Z 2
A 4
2
4
2
4
X
X'
( He)
→
+
−
−
α
3
13
4. Wychwyt K
Jądro pochłania elektron z najbliŜszej
powłoki (K). Wydziela się energia,
związana z przeniesieniem innego elektronu
bliŜej jądra.
Elektron
łączy się z
protonem
i
powstaje
neutron
p
e
n
+
−
+
→
Z
A
Z
A
X
e
X
energia foton
+ →
+
−
−
1
'
(
)
Wynik - jak dla przemiany β
+
14
5. Promieniowanie γ
Przegrupowanie protonów i neutronów w jądrze
prowadzi do wyemitowania nadmiarowej energii w
postaci promieniowania elektromagnetycznego:
Z
A
Z
A
X
X
energia foton
→
+
(
)
15
Szybkość przemian promieniotwórczych
v
N
dN
dt
= − =
λ
Szybkość rozpadu jąder promieniotwórczych (przemian
promieniotwórczych) jest proporcjonalna do liczby jader,
które ulegają przemianie
−
=
+
ln N
t
λ
const
N
N
0
t
=
⋅
−
e
λ
dla N =
t = t
N
2
1/2
0
16
Okres półrozpadu albo półtrwania t
1/2
* jest to stała charakterystyczna dla danej przemiany i
jest miarą trwałości danego izotopu;
* oznacza okres czasu, po którym dokładnie połowa
jąder promieniotwórczych ulegnie rozpadowi lub
pozostanie niezmieniona;
* waha się od mikrosekund (dla izotopów nie-
trwałych) do milionów lat (dla jąder trwałych);
17
Okres półrozpadu albo półtrwania t
1/2
0
1622
3244
4866
6488
8110
9732
0
20
40
60
80
100
120
140
t
1/2
= 1622 lata
N
l
u
b
m
a
s
a
t (czas)
88
226
86
222
Ra
Rn+ He
1622 lata,
2
4
α
→
18
Naturalny szereg promieniotwórczy
A
Z
91 92
92
90
89
88
87
86
85
84
83
82
81
235
231
227
223
219
215
211
207
"
$
U
235
92
7
@
10
9
lat
231
90
Th
25,6 h
231
91
Pa
32500 lat
227
89
Ac
21,7 lat
227
90
21,7 lat
223
87
Fr
21,8 min
223
88
Ra
18,7 dni
11,4 dni
219
86
Rn
3,9 s (!)
215
84
Po
1,7
@
10
- 3
s
211
82
Pb
211
83
Bi
211
84
207
81
Tl
211
82
4
19
Promieniotwórczość sztuczna
20
Sztuczne przemiany promieniotwórcze
* Sztuczne przemiany promieniotwórcze -
jądra atomowe pochłaniają cząstki, którymi
są „bombardowane”
• pochłanianie cząstek α
• pochłanianie neutronów
• pochłanianie protonów
• pochłanianie promieniowania γ
* i ulegają dalszym przemianom
* Ich skutkiem jest pojawienie się nowych
izotopów
21
Sztuczne przemiany promieniotwórcze (2)
– Bombardowanie cząstkami α
7
14
2
4
8
17
1
1
N
He
O
H
+
→
+
Rutherford,1919
4
9
2
4
6
12
0
1
Be
He
C
+
→
+
Chadwick,1932
n
Ernest Rutherford
James Chadwick
Ta ostatnia reakcja bywa stosowana do
otrzymywania neutronów w laboratorium
22
Sztuczne przemiany promieniotwórcze (3)
• Przemiany jednych pierwiastków w drugie
(transmutacje pierwiastków):
– Bombardowanie neutronami
12
24
0
1
11
24
1
1
Mg
Na
H
+
→
+
n
13
27
0
1
11
24
2
4
Al
Na
He
+
→
+
n
11
23
0
1
11
24
Na
Na
+
→
+
n
energia( )
γ
Trzy róŜne procesy związane z bombardowaniem neutronami
prowadzą do otrzymania tego samego nuklidu
23
Sztuczne przemiany promieniotwórcze (4)
– Bombardowanie protonami
:
3
7
1
1
2
4
Li
p
He
+
→
Cockroft Walton 1932
,
,
2
- Pochłanianie promieniowania γ:
4
9
4
8
0
1
Be
Be +
+ →
γ
n
24
Klasyfikacja przemian
A
(A-Z)
X
naturalne
i
sztuczne
-α
+α
+n
+p
β
-
β
+
wychwyt K
5
25
ROZSZCZEPIENIE JĄDER ATOMOWYCH
92
235
0
1
56
141
36
92
0
1
U
Ba
Kr +3
+
→
+
n
n
Otto Hahn (1879-1968), 1938
Nagroda Nobla 1944
Fritz Strassman, Lisa Meitner
92
235
0
1
Z'
A'
Z"
A"
0
1
U
X
Y + (2 - 3)
+
→
+
n
n
26
ROZSZCZEPIENIE JĄDER ATOMOWYCH
jądro izotopu
rozszczepialnego
neutron
dwa inne jądra
2-3
neutrony
27
Rozszczepienie jąder atomowych
• izotopy rozszczepialne
92
235
94
239
U,
Pu
W czasie rozszczepienia 1 jądra uranu zostaje
wyzwolona energia równa 200 MeV
Rozszczepienie 1 grama uranu wyzwala energię
równą 82·10
6
kJ (spalenie 2,5 tony węgla!)
28
Produkty rozszczepienia
A
80
120
160
Wydajność
produktów
rozszczepienia
29
Rozszczepienie jest reakcją łańcuchową
30
Niekontrolowana reakcja łańcuchowa
6
31
Kontrolowana reakcja łańcuchowa
• Niekontrolowana reakcja łańcuchowa
przebiega tylko wtedy, gdy zostanie
przekroczona tzw. masa krytyczna izotopu
rozszczepialnego
• MoŜna ją kontrolować pochłaniając część
neutronów powstających w czasie
rozszczepienia
• Najlepszymi moderatorami są grafit, cięŜka
woda, niektóre metale ...
32
Synteza termojądrowa
Słońce jest tzw. „zimną gwiazdą” T~10
7
K
CYKL PROTONOWY:
1
1
1
1
1
2
0 07
H
H
H +
pJ
+
+ →
+
β
,
1
1
1
2
2
3
0 88
H
H
He +
pJ
+
→
+
γ
,
2
3
2
3
2
4
05
He
He
He +2 H + 2
pJ
1
1
+
→
,
4 H
He +
+ + 6,7MeV
1
1
+
→
2
4
2
β
γ
33
Synteza termojądrowa na Słońcu
• Na Słońcu w kaŜdej sekundzie:
– ulega przemianie 600 mln ton wodoru
– wydziela się 3,72·10
23
kJ energii
• PoniewaŜ na Słońcu jest 10
27
ton wodoru,
jeszcze długo go nie zabraknie...