vademecum 2010 CHEMIA, Matura [ Pobierz całość w formacie PDF ]
4. Budowa materii
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
1
1
,
deuteru H
1
2
, i trytu H
1
3
.
liczba masowa
suma protonów i neutronów
Nuklidy
4
2
He
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.
p
Trwa∏oÊç jàder
atomowych
n
n
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.
p
n
n
p
n
n
Neutrino
i antyneutrino
p
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
:
n
b
226
Ra
$
4
He +
86
222
Rn (izotop nietrwa∏y)
przemiana
a
-
ν
Przemianie protonu w neu-
tron, czyli przemianie
b
1
$
1
pe
0
++
0
1
1
87
Kr
$
–
0
e+
3
87
Rb (izotop nietrwa∏y)
przemiana
b
–
36
116
In
$
–
0
e+
50
116
Sn (izotop trwa∏y)
przemiana
b
–
+
, towa-
rzyszy emisja neutrina
o
:
22
Na
$
0
e+
1
22
Ne (izotop trwa∏y)
przemiana
b
+
11
1
p
1
ne
0
++
+
ν
$
1
0
1
238
U +
2
H
$
1
n
+
93
239
Np (izotop nietrwa∏y)
92
110
84
88
49
 4.1. Budowa jàdra atomowego. PromieniotwórczoÊç
Naturalne przemiany promieniotwórcze
Przemiany sztuczne
Przemiana
a
to rozpad jàdra na mniejsze jàdro oraz na jàdro helu:
X
A
$
A
-
4
Y
+
4
He
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.
Z
Z
-
2
2
+
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
Th
$
228
Ra
4
He
90
88
2
a
towarzyszy wi´c jonizacja otoczenia.
+
Schemat
przemiany
a
jàdro uranu
jàdro toru
jàdro helu
27
Al He
4
+
$
Pn
15
+
1
13
2
0
–
to emisja elektronu z jàdra na skutek przemiany neu-
tronu w proton:
b
Synteza jàdrowa jest bardzo
trudna do przeprowadzenia, po-
niewa˝ jàdra muszà si´ zderzaç
z ogromnà energià.
A
X
$
1
Y
0
++
e
ν
Z
Z
+
-
1
0
++
-
Liczba atomowa powstajàcego pierwiastka jest o 1 wi´ksza od liczby
atomowej substratu. Liczba masowa powstajàcego atomu jest równa
liczbie masowej substratu.
14
C
$
Neν
7
14
6
1
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.
b
jàdro
izotopu wodoru
jàdro
izotopu helu
235
Un
1
+
$
141
Ba
1
++
92
Kr
3
n
92
0
56
36
0
Samorzutne rozszczepienie jàdra
Ci´˝kie jàdro rozpada si´ na mniejsze jàdra:
Am
244
$
134
I
107
on
3
1
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.
95
54
42
0
Przemiana
b
+
Naturalne izotopy promieniotwórcze ulegajà przemianom
b
–
. 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:
X
b
A
$
A
1
Y
0
++
e
ν
Z
Z
-
+
1
0
++
+
Liczba atomowa powstajàcego pierwiastka jest o 1 mniejsza od licz-
by atomowej substratu, liczba masowa si´ nie zmienia.
71
Se
$
71
As
e
ν
34
33
1
111
30
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
80
60
40
20
êród∏o
promieniotwórcze
0
t
1
2
10
20
30
40
Czas
Wykres rozpadu promieniotwórczego pierwiastka
Okres pó∏trwania
t
1
to czas, w którym ulega rozpadowi po∏owa po-
a
czàtkowej liczby jàder.
,
t
=
069
, gdzie
k
to sta∏a szybkoÊci rozpadu promieniotwórczego.
1
k
2
papier
Pomiar promieniowania
b
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
c
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
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
            [ Pobierz całość w formacie PDF ]