Prof. dr hab. inż. Lech Chmurzyński
BLOK TEMATYCZNY I
BLOK TEMATYCZNY I
Elementy radiochemii -
Elementy radiochemii -
jądro atomowe
jądro atomowe
Prof. dr hab. inż. Lech Chmurzyński
BLOK TEMATYCZNY I
BLOK TEMATYCZNY I
Elementy radiochemii -
Elementy radiochemii -
jądro atomowe
jądro atomowe
Klasyfikacja cz
Klasyfikacja cz
ą
ą
stek elementarnych
stek elementarnych
Wszystkie
cząstki
występujące
w
przyrodzie
ulegają
reakcjom,
w
których
przechodzą w inne cząstki lub promieniowanie,
lub też z nich powstają. Najprostsze znane
cząstki to:
8 barionów (proton, neutron i 6 cięższych)
8 antybarionów
8 mezonów i antymezonów
8 leptonów i antylepton
foton
grawiton
Odkrycie cz
Odkrycie cz
ą
ą
stek elementarnych (zarys historyczny)
stek elementarnych (zarys historyczny)
materia i antymateria
materia i antymateria
(P.A.M. Dirac, 1902) –
specyficzny
rodzaj
materii
stanowią
cząstki
elementarne, z których zbudowane są atomy
(
elektrony, protony, neutrony
elektrony, protony, neutrony
); specyficzny rodzaj
antymaterii stanowią natomiast cząstki mniejsze od
atomów (
pozytony, mezony
pozytony, mezony
).
elektron
elektron
(J.J. Thomson, 1897) – pierwsza cząstka
elementarna, którą poznano. Jest trwały, można go
zniszczyć jedynie przez reakcję z innymi cząstkami.
proton
proton
(E. Goldschmidt, 1886; J.J. Thomson, 1906)
– dodatnio naładowana niezależna, trwała cząstka.
j
j
ą
ą
dro najl
dro najl
ż
ż
ejszego izotopu wodoru
ejszego izotopu wodoru
; 1,0072164
u
H
1
1
pozyton
pozyton
(
(
antyelektron
antyelektron
)
)
(C.D. Anderson, 1932) –
znaleziony wśród cząstek wytwarzanych w czasie
działania promieni kosmicznych na materię; jest
identyczny z elektronem, z tą różnicą, że ma ładunek
+e zamiast –e; zalicza się do trwałych cząstek.
neutron n
neutron n
(J. Chadwick, 1932) – cząstka o masie
nieznacznie większej od masy protonu (1,0086650
u) i o ładunku elektrycznym równym zero.
antyproton
antyproton
(E. Segre, O. Chamberlain, 1955) – jest
cząstką o masie równej masie protonu, lecz posiada
ładunek ujemny; reaguje z protonem lub neutronem
i nadzwyczaj szybko zanika.
antyneutron
antyneutron
(E. Segre, O. Chamberlain, 1956) –
cząstka posiadająca taką, masę jak neutron i nie
posiadający ładunku elektrycznego; różni się od
neutronu znakiem momentu magnetycznego.
dodatni i ujemny mezon
dodatni i ujemny mezon
+
+
i
i
-
-
(C.F. Powell, 1947)
– mają ładunki elektryczne równe ładunkowi
pozytonu względnie elektronu i masę 275 razy
większą od masy elektronu; ulegają samorzutnemu
rozpadowi.
oboj
oboj
ę
ę
tny mezon
tny mezon
0
0
(1950) – posiada masę 263, a
więc nieco mniejszą niż dodatnie i ujemne
mezony; ulega samorzutnemu rozpadowi.
•
cząstki V
cząstki V
(1947) – dodatnie, ujemne i obojętne;
mają masę ok. 2200 razy większą od masy
elektronu; rozpadają się na proton i mezon.
•
foton
foton
hν
hν
– poruszają się z prędkością światła,
nie mają masy spoczynkowej.
•
neutrino
neutrino
– cząstka o masie spoczynkowej
równej
zeru
i
nie
posiadająca
ładunku
elektrycznego.
Si
Si
ł
ł
y j
y j
ą
ą
drowe
drowe
Nukleony zawarte w jądrze mają bardzo małą
objętość. Rozmiary jądra są rzędu 10
-14
– 10
-15
m. Siły
elektrostatycznego odpychania między protonami,
znajdującymi się w małych odległościach od siebie, są
więc bardzo znaczne. Większość jąder stanowi układy
bardzo trwałe. Oprócz sił odpychania między protonami
występują w jądrze jeszcze inne siły, siły przyciągania,
przewyższające siły odpychania. Siły te nazywamy
si
si
ł
ł
ami j
ami j
ą
ą
drowymi
drowymi
. Podlegają im wszystkie nukleony
niezależnie od ich ładunku elektrycznego. Cechą
charakterystyczną sił jądrowych jest to, że bardzo
szybko zanikają w miarę wzrostu odległości. Duże
wartości przyjmują wówczas, gdy nukleony znajdują się
w odległości nie przekraczających rozmiarów jądra. Są
to więc siły o małym zasięgu. Z teorii względności
Einsteina wynika, że w przyrodzie mogą zachodzić
procesy, w których masa układu ulega zmianie wskutek
wymiany energii z otoczeniem. W takim procesie
zmniejszeniu się masy układu o m towarzyszy oddanie
przez układ energii E w ilości:
E
E
=
=
mc
mc
2
2
Warunki trwałości jąder atomowych
Warunki trwałości jąder atomowych
Trwałe jądra
Trwałe jądra
W
jądrach
o
liczbach
atomowych
mniejszych niż 20 stosunek N/Z 1. W miarę
zwiększania się liczby atomowej stosunek ten
wzrasta do wartości około 1.6.
Legenda:
N
N
– liczba neutronów w jądrze
Z
Z
– liczba atomowa
Jądra o dużych masach atomowych (Z powyżej
208) są nietrwałe bez względu na stosunek N/Z .
Zarówno
nadmierny wzrost
nadmierny wzrost
liczby neutronów, jak i
nadmierny jej spadek
nadmierny jej spadek
, powoduje, że jądro staje się
nietrwałe i ulega przemianie lub serii przemian
prowadzących do utworzenia trwałego jądra.
Możliwe przemiany to:
1)
1)
Emisja promieniowania β
Emisja promieniowania β
-
-
, tj. emisja
elektronu e
-
i antyneutrina V
n p + e
-
+ V
V
e
N
14
7
C
14
6
np.
V
e
Y
M
1
Z
X
M
Z
V
e
N
14
7
C
14
6
np.
V
e
Y
M
1
Z
X
M
Z
2a)
2a)
Emisja promieniowania β+
Emisja promieniowania β+
, tj. emisja
pozytonu e+ i neutrina V
p n + e
+
+ V
V
e
Y
X
M
1
Z
M
Z
V
e
Y
X
M
1
Z
M
Z
2b)
2b)
W sztucznych przemianach promieniotwórczych
W sztucznych przemianach promieniotwórczych
-
wychwytywanie przez jądro jednego z elektronów z
pozajądrowej części atomu (oznaczanej symbolem K).
Ubytek elektronu z powłoki K jest wyrównywany przez
przejście na nią elektronu z którejkolwiek z dalszych
powłok.
p + e n + R R – promieniowanie
rentgenowskie
Z Z –1 , M=const
3) Emisja cz
3) Emisja cz
ą
ą
stek „alfa”
stek „alfa”
(
(
4
4
2
2
He)
He)
Y
X
M
Z
M
Z
4
2
Y
X
M
Z
M
Z
4
2
Reguła Fajansa i Soddy’ego (1911 – 1913)
Reguła Fajansa i Soddy’ego (1911 – 1913)
– emisji
cząstki towarzyszy przesunięcie pierwiastka o
dwa miejsca w lewo w układzie okresowym, emisji
cząstki
+
o jedno miejsce w lewo, a emisji cząstki
-
o jedno miejsce w prawo.
4)
4)
Jądra
powstające
w
wyniku
przemian
promieniotwórczych mogą być niekiedy obdarzone
nadmiarem energii, którego pozbywają się emitując
promieniowanie
promieniowanie
.
.
Odznacza się ono jeszcze mniejszą
długością fali niż promieniowanie rentgenowskie. Emisji
promieniowania
nie
towarzyszy
zmiana
liczby
nie
towarzyszy
zmiana
liczby
atomowej, ani liczby masowej.
atomowej, ani liczby masowej.
Szybkość rozpadu promieniotwórczego
Szybkość rozpadu promieniotwórczego
- proporcjonalna do liczby nie rozłożonych atomów (N):
-dN/dt = N
- stała rozpadu promieniotwórczego
dN – ubytek liczy atomów
założenie: dla t=0 N=N
0
0
N
N
ln = t N = N
0
e
-t
Dzięki tym przekształceniom otrzymuje się
okres
okres
pó
pó
ł
ł
trwania
trwania
izotopu promieniotwórczego, tj. czas, w
którym ulega rozpadowi połowa ilości danego izotopu
(dla t = T
1/2
i
2
N
N
0
):
λ
ln2
T
2
1
λ
ln2
T
2
1
lat
U
lat
Ra
s
Po
9
238
82
226
88
4
214
84
10
51
,
4
1622
10
62
,
1
np.
Szeregi promieniotwórcze
Szeregi promieniotwórcze
Większość
naturalnych
pierwiastków
promieniotwórczych ulegając rozpadowi daje jądra
nowego pierwiastka, które również są nietrwałe i
ulegają dalszemu rozpadowi. W ten sposób
powstają
tzw.
szeregi
promieniotwórcze
szeregi
promieniotwórcze
.
Zaczynają się one nuklidem stosunkowo trwałym,
a kończą się nuklidami nie promieniotwórczymi.
Wśród pierwiastków występujących w przyrodzie
wyróżnia się trzy szeregi:
-
-
uranowo – radowy
uranowo – radowy
)
(
)
(
206
82
238
92
Pb
U
- uranowo – aktynowy
- uranowo – aktynowy
- torowy
- torowy
)
(
)
(
207
82
235
92
Pb
U
)
(
)
(
208
82
232
90
Pb
Th
L
ic
z
b
a
m
a
s
o
w
a
,
A
23
8
23
4
23
0
22
6
22
2
21
8
21
4
21
0
20
6
4,51
.
1
0
9
a
24,10
d
11,7
min
2,44
.
1
0
5
a
7,50
.
1
0
4
a
162
2
a
3,82
3
d
3,04
min
26,9
min
19,7
min
1,62
.
1
0
-4
s
1,30
d
22,6
a
5,0 d
138,3
75
d
Trwał
y
izoto
p
Liczba atomowa,
Z
Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac
Th Pa U
81 82 83 84 85 86 87 88 89
90 91 92
Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac
Th Pa U
81 82 83 84 85 86 87 88 89
90 91 92
Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy:
Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy:
promieniowanie
promieniowanie
α
α
;
;
β
β
-
-
a – lata
d – dni
h - godziny
min – minuty
s - sekundy
Szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy:
Szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy:
promieniowanie
promieniowanie
α
α
;
;
β
β
-
-
7,04
.
1
0
8
a
1,063
d
3,2
5
.
1
0
5
a
21,
77
a
18,72
d
22,
0
min
11,
435
d
3,96
s
1,78
.
10
-3
s
36,1
min
2,1
4
min
0,516
s
4,7
min
Trwały
izotop
Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac
Th Pa U
81 82 83 84 85 86 87 88
89 90 91 92
Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac
Th Pa U
81 82 83 84 85 86 87 88
89 90 91 92
Liczba atomowa,
Z
L
ic
z
b
a
m
a
s
o
w
a
,
A
235
231
227
223
219
215
211
207
a – lata
d – dni
h - godziny
min – minuty
s - sekundy
Szereg promieniotwórczy torowy:
Szereg promieniotwórczy torowy:
promieniowanie
promieniowanie
α
α
;
;
β
β
-
-
23
2
22
8
22
4
22
0
21
6
21
2
20
8
1,4
.
10
8
a
5,76 a
6,15
h
1,913
a
3,66 d
55,6
s
0,145 s
10,64
h
1,0
01
h
3
.
10
-7
s
3,05
3
min
Trwały
izotop
L
ic
zb
a
m
a
s
o
w
a
,
A
Liczba atomowa,
Z
Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra
Ac Th
81 82 83 84 85 86 87
88 89 90
Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra
Ac Th
81 82 83 84 85 86 87
88 89 90
a – lata
d – dni
h - godziny
min – minuty
s - sekundy
)
(
)
(
209
83
237
93
Bi
Np
H
O
He
N
1
1
17
8
4
2
14
7
H
O
He
N
1
1
17
8
4
2
14
7
H
C
Rb
K
3
1
14
6
87
37
40
19
;
;
;
H
C
Rb
K
3
1
14
6
87
37
40
19
;
;
;
Przykładem
szeregu
promieniotwórczego
sztucznego jest szereg neptunowy
, natomiast przykładem sztucznej przemiany jądrowej jest
Oprócz pierwiastków promieniotwórczych tworzących
trzy szeregi naturalne wykryto w przyrodzie jeszcze
kilka innych izotopów nietrwałych, w ich liczbie
izotopy:
(Rutheford, 1919)
(Rutheford, 1919)
Szereg promieniotwórczy neptunowy:
Szereg promieniotwórczy neptunowy:
promieniowanie
promieniowanie
α
α
;
;
β
β
-
-
14,9
2,16
3,25 h
237
233
229
225
221
217
213
209
14,9
2,16
3,25 h
2,14
.
1
0
6
a
27,
0 d
1,59
.
1
0
5
a
7,9
10
3
a
14,9
d
10 d
4,8
min
0,03
2 s
45,6
min
4 10
-6
s
2,16
min
3,2
h
Trwał
y
izoto
p
Liczba atomowa,
Z
Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th
Pa U Np
81 82 83 84 85 86 87 88 89
90 91 92 93
Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th
Pa U Np
81 82 83 84 85 86 87 88 89
90 91 92 93
L
ic
zb
a
m
a
s
o
w
a
,
A
a – lata
d – dni
h - godziny
min – minuty
s - sekundy
Równowaga promieniotwórcza
Równowaga promieniotwórcza
W
preparacie
promieniotwórczym
pozostawionym
do
ustalenia
się
stanu
stacjonarnego obecne są wszystkie produkty
rozpadu (N
1
, N
2
, N
3
…) , a stosunek ich ilości równy
jest stosunkowi ich okresów półtrwania (T
1/2
1
, T
1/2
2
,
T
1/2
3
….):
N
1
:N
2
:N
3
:......=T
1/2
1
:T
1/2
2
:T
1/2
3
:.....
Nie jest to jednak stan równowagi chemicznej
(termodynamicznej),
ponieważ
przemiany
w
szeregach promieniotwórczych dotyczą
przemian
przemian
nieodwracalnych
nieodwracalnych
.
Podzia
Podzia
ł
ł
reakcji j
reakcji j
ą
ą
drowych na grupy:
drowych na grupy:
proste reakcje j
proste reakcje j
ą
ą
drowe
drowe
– cząstki bombardujące
wykazują
energię
nie
przekraczającą
kilkudziesięciu MeV, a wchłonięcie ich przez jądro
łączy się z emisją jednej lub 2 cząstek
elementarnych (elektronu, protonu itp.)
kruszenie j
kruszenie j
ą
ą
der
der
– cząstki bombardujące
posiadają bardzo wysokie energie (rzędu kilkuset
MeV);
jądra
bombardowane
tracą
w
tym
przypadku znaczną część swej masy ( do 40 u)
rozczepianie j
rozczepianie j
ą
ą
der
der
– rozszczepieniu ulegają
niektóre
nietrwałe,
ciężkie
jądra
atomowe
naświetlane powolnymi neutronami; w wyniku tej
reakcji jądrowej powstają dwa fragmenty jądra o
porównywalnych masach oraz 2-3 neutronów
reakcje termoj
reakcje termoj
ą
ą
drowe
drowe
– zachodzą w bardzo
wysokich temperaturach (10
7
-10
8
K) i polegają na
łączeniu się najmniejszych jąder (
1
1
H,
2
1
D itp.) w
większe.
Prof. dr hab. inż. Lech Chmurzyński