Spis treści Trwałość jądra atomowego Okres połowicznego rozpadu

Spis treści
1 Trwałość jądra atomowego
2 Okres połowicznego rozpadu
3 Typy przemian jądrowych
4 Reguła przesunięć Fajansa-Soddy’ego
5 Szeregi promieniotwórcze
6 Typy reakcji jądrowych
7 Przykłady prostych reakcji jądrowych
8 Sztuczna promieniotwórczość
9 Działanie promieniowania jądrowego
10 Zastosowanie izotopów promieniotwórczych
Trwałość jądra atomowego
Trwałość jądra atomowego jest wynikiem działania sił jądrowych. Są to siły działające na
odległość nie przekraczającą rozmiarów jądra (10-14 – 10-15 m).
Energia wiązania jądra to energia, którą należałoby dostarczyć w celu rozbicia jądra na
nukleony. Jej wartość jest podawana zazwyczaj w przeliczeniu na 1 nukleon.
Wartość energii wiązania nukleonu zależy od liczby masowej pierwiastka i waha się w
granicach 5 - 8,7 MeV.
O trwałości jadra decydują następujące czynniki:
stosunek liczby neutronów do liczby protonów,
parzystość (najtrwalsze charakteryzują się parzystą liczbą neutronów i protonów),
sposób zapełnienia powłok protonowych i neutronowych opisany liczbami magicznymi (2,
8, 20, 50, 82, 126)
Konsekwencją trwałości pierwiastków o magicznej liczbie protonów jest duża liczba
naturalnych izotopów (Sn – 10 izotopów, liczba magiczna 50).
Pierwiastki o największej masie, posiadające trwałe izotopy to Pb (Z = 82) i Bi (Z = 83).
Pierwiastki o liczbach atomowych powyżej 83 są naturalnymi pierwiastkami
promieniotwórczymi.
W przypadku jąder o dużej masie następuje zazwyczaj zmniejszenie liczby protonów w wyniku
emisji cząstki α (jądra helu).
Rozpadowi jądra towarzyszy często emisja promieniowania.
Okres połowicznego rozpadu
Okres połowicznego rozpadu
jest wielkością charakterystyczną dla każdego radionuklidu
— określa czas, po którym połowa atomów pierwiastka promieniotwórczego ulega rozpadowi
(wartości wahają się w szerokich granicach, od 10-4 s do 109 lat).
Masa radionuklidu (m) w czasie (t) jest związana z okresem połowicznego rozpadu
zależnością:
gdzie:
i
oznaczają odpowiednio początkową masę próbki oraz po czasie (t) a
połowicznym okresem rozpadu.
jest
Typy przemian jądrowych
Przemiany jądrowe prowadzą do zmniejszenia liczby nukleonów
Przemiana α — przemiana typowa dla ciężkich jąder polega na emisji dodatnich jonów helu i
prawie zawsze promieniowania γ, co prowadzi do zmniejszenia zarówno liczby protonów, jak i
neutronów:
W przypadku nadmiaru neutronów w jądrze następuje przemiana β¯ (rozpad neutronu na
proton, elektron i neutrino).
W przypadku nadmiaru protonów następuje przemiana β+ (przemiana protonu w neutron,
pozyton i neutrino)
lub wychwyt K (wychwyt elektronu z powłoki K)
Przemiana β¯ oraz wychwyt K to przemiany jądrowe typowe dla naturalnych izotopów
promieniotwórczych, przemiana β+ zachodzi w przypadku izotopów promieniotwórczych
otrzymanych sztucznie.
Reguła przesunięć Fajansa-Soddy’ego
W wyniku emisji cząstki α masa jądra ulega zmniejszeniu o 4 jednostki, a ładunek zmniejszeniu
o 2 ładunki elementarne:
W wyniku przemiany β¯ liczba masowa jądra nie ulega zmianie, natomiast ładunek wzrasta o 1:
Szeregi promieniotwórcze
Wśród pierwiastków występujących w przyrodzie wyróżnia się 3 szeregi promieniotwórcze:
uranowo-radowy wywodzący się od izotopu uranu 238U,
uranowo-aktynowy wywodzący się od izotopu uranu 235U,
torowy wywodzący się od izotopu toru 232Th.
Każdy szereg promieniotwórczy rozpoczyna się stosunkowo trwałym nuklidem (zanikającym
znacznie wolniej niż nuklidy stanowiące ogniwa szeregu), a kończy trwałym izotopem ołowiu
(206Pb, 207Pb, 208Pb).
Otrzymany sztucznie promieniotwórczy pierwiastek neptun również tworzy szereg
promieniotwórczy, który kończy się trwałym izotopem bizmutu 209B.
Typy reakcji jądrowych
Proste reakcje jądrowe – cząstki bombardujące mają energię kilkudziesięciu MeV, a
wchłonięcie ich przez jądro skutkuje emisją jednej lub dwóch cząstek elementarnych.
Kruszenie jąder — rozpad pod wpływem bombardowania cząstkami o energii rzędu kilkuset
MeV (utrata znacznej części masy, do 40%).
Rozszczepienie jąder — rozpad na duże fragmenty o podobnych masach oraz 2-3 neutrony.
Reakcje termojądrowe — łączenie najmniejszych jąder w bardzo wysokich temperaturach
(107-108 K).
Przykłady prostych reakcji jądrowych
Pierwsza reakcja jądrowa (John D. Cockroft i Ernest T. Walton, 1932 r) zrealizowana za
pomocą wytworzonego strumienia rozpędzonych protonów:
.
Reakcja jądrowa pod wpływem neutronów:
.
Reakcje jądrowe realizowane za pomocą cięższych pierwiastków:
,
.
Sztuczna promieniotwórczość
Sztuczna promieniotwórczość to proces wytwarzanie pierwiastków promieniotwórczych w
reakcjach jądrowych. Pierwsze takie reakcje zostały przeprowadzone w 1934 roku przez
Fryderyka Joliot-Curie i Irenę Joliot-Curie:
,
,
,
.
Sztuczne pierwiastki promieniotwórcze są nietrwałe, ich rozpad odbywa się zwykle z
wydzieleniem pozytonu (przemiana β+).
Obecnie izotopy promieniotwórcze uzyskuje się w akceleratorach (urządzeniach
przyspieszających cząstki bombardujące) oraz w reaktorach jądrowych.
Działanie promieniowania jądrowego
Wpływ promieniowania na organizmy zależy od jego rodzaju (α, β, γ) oraz energii.
Promieniowanie β, emitowane np. przez tryt (o energii 18 keV) czy węgiel 14 (o energii 155
keV) należy do najsłabszych rodzajów promieniowania.
Promieniowanie α ma bardzo wysoką energię (rzędu kilku MeV), ale ze względu na dużą masę i
ładunek jest mało przenikliwe (jego zasięg w powietrzu wynosi kilka centymetrów).
Promieniowanie jądrowe jest promieniowaniem jonizującym. Przechodząc przez środowisko
wodne powoduje tworzenie jonów oraz rodników
H2O → H• + OH• H• + O2 → HO2•
•
•
Rodniki OH oraz HO2 są bardzo silnymi utleniaczami.
Reagują ze składnikami błon komórkowych, cząsteczkami kwasów nukleinowych i białek,
powodując ich uszkodzenia.
Jonizacja powodująca powstawanie wolnych rodników często wywołuje zmiany w strukturze
genów — mutacje, które mogą prowadzić do powstawania nowotworów. Liczba mutacji zależy
od ilości pochłoniętego promieniowania.
Zagrożenie skutkami promieniowania jonizującego zależy od:
energii promieniowania,
odległości od źródła promieniowania,
czasu ekspozycji.
Czynniki te mają wpływ na wielkość dawki pochłoniętej (D), której jednostką jest grej (Gy,
J/kg).
1Gy — energia 1 J pochłonięta przez masę 1 kg materii.
Uszkodzenia biologiczne zależą nie tylko od energii promieniowania, ale również od jego
rodzaju. Dlatego wprowadzono współczynnik jakości promieniowania (QF — quality factor),
który pozwala przeliczać pochłoniętą dawkę wyrażoną w grejach na jej równoważnik — siwert
(D x QF).
Zastosowanie izotopów promieniotwórczych
Wskaźniki promieniotwórcze (badanie procesów dyfuzji, przepływów, zużywalności
materiałów, rozpuszczalności osadów, określanie mechanizmów reakcji chemicznych i
biochemicznych).
Radioterapia chorób nowotworowych (wykorzystanie kobaltu-60, intensywnego emitera
promieniowania γ).
Diagnostyka medyczna (J-131 w badaniu czynności tarczycy, Pu-238 w bateriach zasilających
stabilizatory rytmu serca).
Datowanie obiektów archeologicznych, geologicznych, biologicznych (wykorzystanie C-14 o
okresie półtrwania 5600 lat).
Wytwarzanie energii jądrowej (budowa reaktorów jądrowych).