Liceum Chemia - Vademecum 2010.pdf - chemia - d._.b

4. Budowa materii

4.1. Budowa jàdra atomowego. PromieniotwórczoÊç

Sk∏adniki jàdra

Izotopy

W sk∏ad jàdra wchodzà:

– protony , czyli czàstki obdarzone ∏adunkiem dodatnim,

– neutrony , czyli czàstki elektrycznie oboj´tne o masie zbli˝onej

do masy protonów.

Liczbowa wartoÊç ∏adunków dodatniego i ujemnego jest taka sama.

Aby ∏adunek atomu by∏ równy zeru, liczba elektronów w atomie musi

byç równa liczbie protonów.

Izotopy tego samego pierwiast-

ka to atomy o takiej samej liczbie

protonów i ró˝nej liczbie neutro-

nów. Np. wodór wyst´puje w po-

staci trzech izotopów: wodoru H

deuteru H

, i trytu H

liczba masowa

suma protonów i neutronów

Nuklidy

Nuklidy to atomy o okreÊlo-

nym sk∏adzie jàdra atomowego.

Np. ka˝dy izotop wodoru to od-

r´bny nuklid.

liczba atomowa

liczba protonów

równa liczbie elektronów

Neutrony i protony

to nukleony . Nukle-

ony przyciàgajà si´

do siebie si∏ami jà-

drowymi . Suma mas

pojedynczych neutro-

nów i protonów jest

wi´ksza od masy jàdra

przez nie stworzone-

go. Jest to defekt ma-

sy , czyli efekt energe-

tyczny polegajàcy na

przetworzeniu cz´Êci

masy sk∏adników jà-

dra w energi´ wiàza-

nia jàdra.

Trwa∏oÊç jàder

atomowych

Trwa∏e sà jàdra majàce tyle sa-

mo protonów i neutronów. Trwa-

∏oÊç jàdra atomowego zale˝y tak-

˝e od jego rozmiaru. Im mniejsze

jàdro, tym jest ono trwalsze.

Neutrino

i antyneutrino

p – proton

n – neutron

Podczas przemiany protonu

w neutron i neutronu w proton

jest wydzielana pozbawiona ∏a-

dunku czàstka o masie bliskiej ze-

ru. Czàstka ta przenosi cz´Êç

energii wydzielanej podczas prze-

miany jàdrowej.

Si∏y wzajemnego przyciàgania si´ nukleonów w jàdrze

(nie uwzgl´dniono si∏ elektrostatycznego odpychania

si´ mi´dzy protonami)

CIEKAWOSTKA

Przyk∏ady naturalnych i sztucznych przemian promieniotwórczych

Przemianie neutronu w pro-

ton, czyli przemianie

210 Po $ 4 He + 82

206 Pb (izotop trwa∏y)

przemiana a

– , t o wa-

rzyszy emisja antyneutrina o :

226 Ra

$ 4 He + 86

222 Rn (izotop nietrwa∏y)

przemiana

- ν

Przemianie protonu w neu-

tron, czyli przemianie b

87 Kr

$ – 0 e+ 3 87 Rb (izotop nietrwa∏y)

przemiana

–

116 In

$ – 0 e+ 50

116 Sn (izotop trwa∏y)

przemiana

–

+ , towa-

rzyszy emisja neutrina

22 Na

$ 0 e+ 1 22 Ne (izotop trwa∏y)

przemiana

238 U + 2 H $ 1 n + 93

239 Np (izotop nietrwa∏y)

110

4.1. Budowa jàdra atomowego. PromieniotwórczoÊç

Naturalne przemiany promieniotwórcze

Przemiany sztuczne

Przemiana a to rozpad jàdra na mniejsze jàdro oraz na jàdro helu:

We wszystkich sztucznych prze-

mianach suma liczb atomowych

produktów jest równa sumie

liczb atomowych substratów,

a suma liczb masowych produk-

tów jest równa sumie liczb maso-

wych substratów.

Synteza to proces, w którym jà-

dra pierwiastków ∏àczà si´ z jà-

drami tych samych lub innych

pierwiastków i w wyniku tego

powstajà jàdra nowych pier-

wiastków. Cz´sto takim proce-

som towarzyszy emisja ma∏ych

czàstek. Najcz´Êciej jàdro pier-

wiastka jest bombardowane

czàstkami typu α, protonami,

neutronami, jàdrami trytu itd.

Suma liczb atomowych produktów jest równa liczbie atomowej substra-

tu, a suma liczb masowych produktów jest równa liczbie masowej substra-

tu. Liczba atomowa powstajàcego pierwiastka jest o 2 mniejsza od liczby

atomowej substratu. Liczba masowa zmniejsza si´ zaÊ o 4.

Emitowane jàdro helu podczas przemieszczania si´ w przestrzeni wy-

∏apuje elektrony, tworzàc oboj´tny atom. Nast´pstwem przemiany jàdra

jest póêniejsza przebudowa pow∏ok elektronowych w atomie. Przemia-

nie

232

228

towarzyszy wi´c jonizacja otoczenia.

Schemat

przemiany

jàdro uranu

jàdro toru

jàdro helu

Al He

+ $

– to emisja elektronu z jàdra na skutek przemiany neu-

tronu w proton:

Synteza jàdrowa jest bardzo

trudna do przeprowadzenia, po-

niewa˝ jàdra muszà si´ zderzaç

z ogromnà energià.

Liczba atomowa powstajàcego pierwiastka jest o 1 wi´ksza od liczby

atomowej substratu. Liczba masowa powstajàcego atomu jest równa

liczbie masowej substratu.

$ Neν

Wymuszone

rozszczepienie jàdra

Du˝e jàdro atomowe pod

wp∏ywem promieniowania neu-

tronowego rozpada si´ na mniej-

sze jàdra:

e –

dla

izotopu wodoru. W prze-

mianie tej jeden z neutro-

nów traci ∏adunek ujemny

i staje si´ protonem.

jàdro

izotopu wodoru

jàdro

izotopu helu

235

+ $

141

Samorzutne rozszczepienie jàdra

Ci´˝kie jàdro rozpada si´ na mniejsze jàdra:

244

134

107

Poniewa˝ w wi´kszoÊci wypad-

ków w czasie takiego rozszcze-

pienia powstajà nowe neutrony,

proces ten po zapoczàtkowaniu

mo˝e zachodziç dalej bez do-

starczania nast´pnych neutro-

nów z zewnàtrz. Mówi si´ wów-

czas o masie krytycznej.

Masa krytyczna to masa mate-

ria∏u rozszczepialnego, po prze-

kroczeniu której reakcja rozsz-

czepienia jàder przebiega

wybuchowo.

Przemiana b +

Naturalne izotopy promieniotwórcze ulegajà przemianom

– . Izoto-

+ polega na emisji z jàdra pozytonu, czyli czàstki o ma-

sie elektronu i ∏adunku dodatnim. W czasie tej przemiany jeden z pro-

tonów w jàdrze staje si´ neutronem:

Liczba atomowa powstajàcego pierwiastka jest o 1 mniejsza od licz-

by atomowej substratu, liczba masowa si´ nie zmienia.

111

Przemiana

Schemat przemiany

+ +

W tym procesie mo˝e zostaç uwolnionych kilka nukleonów.

py otrzymywane sztucznie ulegajà cz´sto przemianie.

Przemiana

4. Budowa materii

4.2. SzybkoÊç przemian promieniotwórczych.

Wykorzystanie energii jàdrowej

SzybkoÊç przemian promieniotwórczych

Dzia∏anie promieniowania

Przemiany promieniotwórcze sà reakcjami I rz´du. SzybkoÊç rozpa-

du jest opisana równaniem kinetycznym:

v = k · N ,

gdzie k to sta∏a szybkoÊci rozpadu promieniotwórczego, a N to liczba

jàder promieniotwórczych.

SzybkoÊç przemiany promieniotwórczej zale˝y od zgromadzonej ilo-

Êci materia∏u. Im wi´cej materia∏u jest zgromadzone w jednym miej-

scu, tym szybciej si´ on rozpada.

Najbardziej przenikliwe jest

promieniowanie c towarzyszàce

wi´kszoÊci przemian promienio-

twórczych. Jest to fala elektro-

magnetyczna Promieniowanie to

zatrzymuje o∏ów.

Ârednio przenikliwe jest pro-

mieniowanie b – przenika ono

przez papier i skór´, ale zatrzy-

mujà je metalowe blachy.

Najmniej przenikliwe jest pro-

mieniowanie a – jest zatrzymy-

wane przez papier i skór´.

Promieniowanie poch∏oni´te

przez materi´ powoduje ró˝nego

typu zniszczenia. Np. w organi-

zmach ˝ywych pod wp∏ywem pro-

mieniowania nast´puje uszko-

dzenie czàsteczek bia∏ek oraz

DNA.

100

êród∏o

promieniotwórcze

Czas

Wykres rozpadu promieniotwórczego pierwiastka

Okres pó∏trwania t 1

to czas, w którym ulega rozpadowi po∏owa po-

czàtkowej liczby jàder.

069

, gdzie k to sta∏a szybkoÊci rozpadu promieniotwórczego.

papier

Pomiar promieniowania

Licznik Geigera wykrywa promieniowanie na podstawie pomiaru jo-

nizacji gazu.

Licznik scyntylacyjny sygnalizuje promieniowanie b∏yskiem, ponie-

wa˝ zwiàzki w nim zawarte wytwarzajà pod wp∏ywem promieniowania

b∏yski Êwiat∏a.

AktywnoÊç êród∏a promieniowania jest tym wi´ksza, im wi´ksza jest

liczba rozpadów promieniotwórczych na sekund´. Jednostkami aktyw-

noÊci promieniotwórczej sà bekerel oraz kiur:

1 bekerel = 1 rozpad/sekund´

1 kiur = 3,7 · 10 10 rozpadu/sekund´

Czasami okreÊla si´ dawk´ poch∏oni´tà przez materia∏. Jest to iloÊç

energii, która zosta∏a poch∏oni´ta przez okreÊlonà mas´ materia∏u.

Jednostkami dawki poch∏oni´tej sà rad i grej:

1 rad = 10 –2 J/kg

1 grej = 1 J/kg

aluminium

o∏ów

ZdolnoÊç przenikania promieniowania

jàdrowego przez ró˝ne os∏ony

112

4.2. SzybkoÊç przemian promieniotwórczych. Wykorzystanie energii jàdrowej

Wykorzystanie promieniowania

Datowanie metodà radioizotopów

Metodà radioizotopów bada si´ zawartoÊç w´gla

14 C w materiale organicznym. W przyrodzie o˝ywio-

nej zawartoÊç tego izotopu jest sta∏a. Po obumarciu

roÊlin lub zwierzàt zawartoÊç izotopu 14 C w ich orga-

nizmach maleje. Na podstawie pozosta∏ej iloÊci izo-

topu mo˝na okreÊliç wiek materia∏u.

Dla datowania ska∏ stosuje si´ badanie zawartoÊci

innych pierwiastków promieniotwórczych ni˝ w´giel

14 C lub produktów powsta∏ych w wyniku przemian

promieniotwórczych.

Stosowanie wskaêników promieniotwórczych

Izotopy promieniotwórcze wykorzystuje si´

do Êledzenia drogi przemian lub gromadzenia si´

substancji na okreÊlonych obszarach. Np. nawozy

znakowane fosforem pozwalajà Êledziç mechanizm

wzrostu roÊlin i w´drówk´ tego pierwiastka w Êro-

dowisku.

Sterylizacja produktów

Promieniowanie zabija bak-

terie oraz paso˝yty. Z tego po-

wodu stosuje si´ je do steryliza-

cji ˝ywnoÊci i preparatów

medycznych.

Elektrownie jàdrowe

W elektrowniach jàdrowych

produkuje si´ energi´ elektrycz-

nà kosztem kontrolowanych

przemian jàdrowych. Najcz´-

Êciej stosuje si´ proces rozszcze-

piania jàder uranu 235 U pod

wp∏ywem bombardowania neu-

tronami.

Produkcja materia∏ów rozsz-

czepialnych

Paliwo jàdrowe wytwarza si´

w reaktorach podobnych do re-

aktorów stosowanych w elek-

trowniach jàdrowych. Ró˝nica

polega na spowolnieniu neutro-

nów u˝ywanych do bombardo-

wania. Dzi´ki temu podczas

procesu powstajà ró˝ne pier-

wiastki promieniotwórcze.

Broƒ jàdrowa

Promieniowanie wykorzystuje si´ do produkcji

broni zawierajàcej materia∏ rozszczepialny. Ta broƒ

charakteryzuje si´ du˝à si∏à ra˝enia.

Niszczenie komórek nowotworowych

Stosowane w lecznictwie. Niewielkie iloÊci pier-

wiastka promieniotwórczego (np. radu) umieszcza

si´ w cylindrach i styka z chorymi tkankami.

Radioterapia

Radioterapia polega na podawaniu choremu pre-

paratów promieniotwórczych gromadzàcych si´

w zaatakowanym przez nowotwór narzàdzie (np. jo-

du 131 J, który gromadzi si´ w tarczycy). Po pewnym

czasie preparat promieniotwór-

czy rozk∏ada si´ i zanika,

a chora tkanka jest znisz-

czona.

Elektrownia jàdrowa

w Saint-Laurent-des-Eaux

wymiennik

ciep∏a

turbina

reaktor

p r´ty

kadmowe

para

wodna

generator

pràdu

woda ch∏odzàca

pr´ty

uranowe

woda ch∏odzàca

pompa

ci´˝ka

woda

nap´dzajàca

turbin´

pompa

os∏ona

betonowa

Uproszczony schemat elekrowni wyposa˝onej w reaktor z ci´˝kà wodà

Odpady promieniotwórcze

Najcz´Êciej odpady promieniotwórcze zakopuje si´ w ziemi (np. gromadzi w starych kopalniach). Ogrom-

nym problemem jest stosowanie odpowiednich pojemników, które podczas sk∏adowania nie b´dà ulega∏y

zniszczeniu.

Obecnie naukowcy pracujà nad metodà przetwarzania odpadów o d∏ugich czasach pó∏trwania w izotopy

szybko si´ rozk∏adajàce do trwa∏ych produktów.

113

Liceum Chemia - Vademecum 2010.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: