T.1.8 Promieniotwórczość sztuczna
advertisement
Promieniotwórczość sztuczna 1. Rys historyczny W 1919r. E. Rutherford dokonał pierwszego przekształcenia azotu w inny pierwiastek – tlen, jako pierwszy przeprowadził r. jądrową, Rutherford poddał bombardowaniu warstwę azotu strumieniem cząsteczek alfa (jądra helu) 14 7 N He O H 4 2 16 8 1 1 Cd W 1932 James Chadwick podczas bombardowania cząstkami alfa jąder atomu berylu odkrył istnienie neutronu (n) 9 7 Be He C n 4 2 12 6 1 0 Cd Odkrycie neutronów umożliwiło przeprowadzenie kolejnych eksperymentów w zakresie reakcji jądrowych, ponieważ neutron w przeciwieństwie do cząstek alfa nie są obdarzone ładunkiem elektrycznym, łatwiej wnikają do jąder atomowych, Wynikiem reakcji jądrowych powstają często produkty nietrwałe, ulegają dalszemu rozpadowi. Cd Powstawanie sztucznych izotopów promieniotwórczych po raz pierwszy zaobserwowali Irena Joliot – Curie i Frederic Jean – Joliot - Curie naświetlając promieniami alfa jąder B, Mg, Al 2. Zapis reakcji jądrowej 10 5 - - B( , n) N 13 7 Gdzie: na początku symbol jądra bombardowanego, W nawiasie symbol cząstki bombardującej, symbol cząstki emitowanej za nawiasem symbol pierwiastka powstającego Cd 13 7 Izotop N N jest nietrwały i rozpada się, emitując promieniowanie β+(pozytony – antycząstki elektronów) i przechodzi w trwały izotop węgla, 136C Enrico Fermi udowodnił, że pod wpływem bombardowania n prawie wszystkie pierwiastki dają radioizotopy (izotopy promieniotwórcze) 3. Rozszczepienie jądra atomowego W 1939r. radiochemicy Otton Hahn i Fritz Strassmann bombardując neutronami jądra uranu, zaobserwowali rozpad jąder na dwa mniejsze, powstałe w reakcji neutrony bombardowały następne jądra uranu i reakcja zachodziła lawinowo – reakcja łańcuchowa. Schemat reakcji łańcuchowej 4. Znaczenie i wykorzystanie reakcji łańcuchowych Reakcji łańcuchowej towarzyszy wydzielenie ogromnej ilości energii, np. przy rozszczepieniu 1 g uranu wydziela się ilość energii równa ilości uzyskanej ze spalenia 2500 ton węgla. Cd Reakcja łańcuchowa może przebiegać w sposób kontrolowany (reaktory jądrowe w elektrowniach) lub w sposób spontaniczny – niekontrolowany (w bombach atomowych), W obu przypadkach paliwem jądrowym jest 235U, 233U, 239Pu cd Badawczy reaktor jądrowy – powstał w w 1942 na uniwersytecie w Chigago pod kierunkiem Enrica Formiego, badawczy reaktor jądrowy jako źródło cząstek elementarnych służył do badań w chemii radiacyjnej i analitycznej oraz biologii. Cd Produkcyjne reaktory jądrowe stosowane są do wytwarzania 239Pu i innych radioizotopów z naturalnego izotopu 238U Energetyczne reaktory jądrowe służą do produkcji pary wodnej, która napędza turbiny parowe, te z kolei wytwarzają prąd elektryczny 5. Budowa i działanie reaktora jądrowego Reaktor jest urządzeniem do przeprowadzenia kontrolowanej reakcji łańcuchowej, W rdzeniu znajduje się paliwo jądrowe 235U, 233U, 239Pu, Przebieg reakcji kontrolują elementy sterujące wykonane z materiałów pochłaniających neutrony, np. 10B, 113Cd, mają one kształt prętów wsuwanych między elementy paliwa mogą zmienić liczbę neutronów uczestniczących w reakcji, czyli kontrolować przebieg reakcji. Cd W rdzeniu reaktora znajduje się moderator – spowalniacz neutronów, jest to woda H2O lub woda ciężka D2O, beryl, węgiel w postaci grafitu. Produkcja energii elektrycznej nie powoduje takiego zanieczyszczenia środowiska jak elektrownie konwencjonalne (problem z zużytym paliwem jądrowym i elementami reaktora) 5. Reakcja łańcuchowa niekontrolowana – bomba atomowa W bombach reakcja łańcuchowa przebiega gwałtownie w sposób niekontrolowany, wynikiem jest powstanie olbrzymiej ilości energii i rozszczepienie wszystkich jąder materiału rozszczepialnego. Masa materiału rozszczepialnego jest na tyle duża, że większość uwolnionych neutronów trafia w nowe jądra, Reakcja łańcuchowa może się rozwinąć, gdy ilość materiału rozszczepialnego przekroczy masę krytyczną (dla 235U, wynosi ona kilka – kilkanaście kg). Cd W wyniku dalszych badań otrzymano pierwiastek cięższy od uranu 239Np, o okresie półtrwania t1/2=2,3 dnia. Neptun ulega rozpadowi do cięższego pierwiastka 239Pu wg równania 239 93 Np Pu e 239 94 0 1 Cd W następnych latach, poprzez zderzenia jąder atomowych (tzw. fuzję) otrzymano superciężkie pierwiastki – transuranowce.
