Promieniotwórczość naturalna. Jądro atomu i jego budowa.

Doświadczenie Rutherforda(1909).

Ernest Rutherford(1871-1937)

Polegało na bombardowaniu złotej folii strumieniem cząstek alfa (jąder helu) i obserwacji odchyleń ich toru ruchu.

Jądro atomoweto centralna część atomu zbudowana z jednego lub

więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami.

Jądro stanowi bardzo niewielki ułamek objętościcałego atomu, jednak to

w jądrze skupiona jest prawie cała masa.

Jądra atomoweoznacza się takim samym symbolem,

jak pierwiastek chemiczny odpowiadający temu jądru, dodatkowo na dole umieszcza się

liczbę atomową (Z), a u góry liczbę masową (A).

XAZX – symbol pierwiastkaA – liczba masowa

(ilość nukleonów)Z – liczba atomowa

(ilość protonów)

Atomy róŜnych pierwiastków chemicznych róŜnią się ilością protonów w jądrze atomowym.

W obrębie danego pierwiastka występują izotopy. Są to atomy o jednakowej liczbie

protonów (liczbie atomowej) ale róŜnej liczbie neutronów w jądrze.

Izotopy danego pierwiastka róŜnią się własnościami fizycznymi takimi, jak: gęstość, temperaturę wrzenia, topnienia i sublimacji.

Izotopy nie mają odrębnych nazwza wyjątkiem izotopów wodoru:

prot (wodór)deutertryt TH

DH

H

3

1

3

1

2

1

2

1

1

1

lub

lub

Masa jądra atomowego

uAM j ≅

kgu

Cmasyu

27

12

106654,11

12

1

−⋅=

=

u – jednostka masy atomowej

Masa jądra atomowego jest mniejsza od sumy mas tworzących je nukleonów.

Średni promień jądra atomowego

3

0 ARR =fmmR 2,1102,1

15

0 =⋅=−

Nukleony przyciągają się za pomocą krótkozasięgowych sił jądrowych.

Zasięg jest rzędu 1-2 fm (femtometrów 10-15m).

W tym zakresie siły jądrowe mają większą wartość od sił odpychania elektrostatycznego pomiędzy

protonami.

KaŜdy nukleon w jądrze oddziałuje tylko z nukleonami sąsiednimi. Jeśli odległość pomiędzy nukleonami jest mniejsza od 0,8 fm, to nukleony

odpychają się.

Siły jądrowe są niezaleŜne od ładunku elektrycznego nukleonu.

Krótki zasięg sił jądrowych powoduje, Ŝe jądra o odpowiednio duŜej liczbie nukleonów (liczba

atomowa większa niŜ 83)są nietrwałe – rozpadają się.

Czas rozpadu jest róŜny dla jąder róŜnych pierwiastków i ich izotopów.

Podobnie jak atom, jądro atomowe moŜe być w stanie wzbudzonym. Przechodząc do stanu podstawowego emituje kwant promieniowania

gamma.

Niektóre pierwiastki samorzutnie emitująpromieniowanie zwane promieniowaniem

jądrowym.NaleŜą do nich np. uran, polon, rad.

Promieniotwórczość naturalna to promieniowanie jonizujące pochodzące ze źródeł naturalnych takich, jak pierwiastki radioaktywne:

• obecne w glebie, skałach, powietrzu i wodzie,• występujące w minerałach, przyswajanych przez rośliny i zwierzęta lub uŜywanych jako materiały konstrukcyjne,• pojawiające się w atmosferze wskutek reakcji składników atmosfery z promieniowaniem kosmicznym,• przenikające do środowiska wskutek działalności przemysłowej człowieka (wydobycie rud uranu, spalanie węgla zawierającego pierwiastki promieniotwórcze).

Promieniowanie jądrowe występuje w trzech odmianach:

• promieniowanie alfa• promieniowanie beta• promieniowanie gamma

Promieniowanie alfa (α)to strumień cząstek alfa.

Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów.

Ma ładunek dodatnii jest identyczna z jądrem izotopu helu (4He).

Promieniowanie to cechuje się małą przenikliwością(zatrzymuje je np. kilka centymetrów powietrza, kartka lub naskórek), jest jednak zabójcze w przypadku wchłonięcia substancji emitującej je wraz z pokarmem lub powietrzem.

Promieniowanie beta (β)jest strumieniem elektronów lub pozytonów

poruszających się z prędkością zbliŜoną do prędkości światła.

Jest silnie pochłaniane przez materię, przez którą przechodzi.

Promieniowanie to jest zatrzymywane np. przez miedzianą blachę.

Promieniowanie gamma (γ)to wysokoenergetyczna forma promieniowania

elektromagnetycznego.

Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i silnie przenikliwym.

Emisja promieniowania jest efektem rozpadu promieniotwórczego.

Rozpad promieniotwórczy jest przykładem przemiany jądrowej.

Jest to proces zachodzący w jądrach atomowych prowadzący do powstania innych jąder atomowych.

Oprócz procesu rozpadu występują procesy syntezy jądrowej.

Przykłady procesów rozpadu

• rozpad alfa• rozpad beta minus• rozpad beta plus• emisja gamma• rozszczepienie jądra atomowego

Rozpad alfa (przemiana α) przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu 4He). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to promieniowanie alfa.

Na przykład rozpad izotopu uranu:

HeYX AZ

AZ

4

2

4

2 +→−

−

HeThU 4

2

234

90

238

92 +→

Rozpad beta minus (przemiana β-)przemiana jądrowa, w której emitowany jest elektron e- (promieniowanie beta) oraz antyneutrino elektronowe.

Na przykład rozpad izotopu sodu:

ν0

0

0

11++→

−+eYX A

ZAZ

ν0

0

0

1

24

12

24

11 ++→−eMgNa

Rozpad beta minus (przemiana β+)przemiana jądrowa, w której emitowany jest pozyton β+ (antyelektron) oraz neutrino elektronowe.

Na przykład rozpad izotopu węgla:

eA

ZAZ eYX ν

0

0

0

11++→

+−

eeBC ν0

0

0

1

11

5

11

6 ++→+

PowyŜsze równania nazywane są regułami przesunięć Soddy’ego-Fajansa.

Frederick Soddy (1877 -1956)Nagroda Nobla 1922 chemia

Kazimierz Fajans (1887 - 1975)

Rozpad promieniotwórczy jest przykładem indeterminizmu w przyrodzie. Dla pojedynczego jądra

nie moŜna określić kiedy nastąpi przemiana.

Dla duŜej liczby jąder atomowych moŜna zauwaŜyć, Ŝe liczba jąder, które w jednostce czasu ulegają

przemianie promieniotwórczej, jest proporcjonalna do liczby jąder nierozpadniętych w danym czasie.

tNN ∆−=∆ λ

λ

N

t

N

∆

∆ zmiana liczby jąder danego pierwiastka

przyrost czasu

liczba jąder danego pierwiastka

stała rozpadu (zaleŜna od rodzaju izotopu)

Prawo rozpadu promieniotwórczego

T

tt N

NeNN

2

lub 0

0 ==−λ

λ

T

t

N

N

0

liczba jąder danego pierwiastka, które nie uległy rozpadowi

początkowa liczba jąder danego pierwiastka

czas, który upłynął od rozpoczęcia pomiarów

czas połowicznego rozpadu

stała rozpadu (zaleŜna od rodzaju izotopu)

ZaleŜność ilości jąder atomów pierwiastka podlegającego rozpadowi od czasu.

T – czas połowicznego rozpadu Jest to czas, w którym rozpadnie się połowa jąder atomów w próbce danego pierwiastka.(od 10-11 do 1010)

λ

λ

693,0

2ln

≈

≈

T

T

Aktywność promieniotwórczailość rozpadów promieniotwórczych

w jednostce czasu (inaczej: szybkość rozpadu).

Jednostką aktywności promieniotwórczej jest 1 bekerel (1 Bq)

Inną, pozaukładową, jednostką jest 1 kiur (1 Ci) – aktywność 1 grama radu-226)x

t

NA

∆

∆=

111

−= sBq

Datowanie radiowęglowe – metoda określania wieku przedmiotów oparta na pomiarze proporcji między izotopem promieniotwórczym węgla 14C a izotopami trwałymi 12C i 13C.

W górnych warstwach atmosfery pod wpływem neutronów promieniowania kosmicznego cały czas zachodzi proces przemiany azotu 14N oraz węgla 13C w radioaktywny 14C.

Węgiel ten pod postacią dwutlenku węgla wchodzi poprzez fotosyntezę do organicznego obiegu pierwiastków.

Tak długo jak organizm Ŝyje, wymienia materię z otoczeniem i proporcje węgla radioaktywnego do stabilnego w materii Ŝywej

są podobne jak w atmosferze.

Gdy organizm umrze - wymiana przestaje zachodzić, a izotop 14C z czasem się rozpada.

Czas połowicznego rozpadu 14C wynosi 6000 lat.

Willard Frank Libby (1908-1980)Nagroda Nobla 1960 chemia