Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu www.szkolnictwo.pl mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA

Spis treści Budowa jądra atomowego Siły jądrowe Defekt masy Trwałość jąder Samorzutne przemiany jądrowe Prawo przesunięć (reguła Soddy’ego i Fajansa) Przykłady Wychwyt K Cechy promieniowania wysyłanego przez izotopy radioaktywne Szybkość rozpadu promieniotwórczego. Szeregi promieniotwórcze Pomiar promieniowania

Budowa jądra atomowego Liczba ładunku jądra atomu Z (liczba porządkowa) równa jest liczbie protonów w jądrze. Liczba nukleonów w jądrze równa jest liczbie neutronów N i protonów Z i nazywa się liczbą masową A = Z + N Jądro atomowe (nuklid) opisuje się przez podanie symbolu pierwiastka, liczbę porządkową Z oraz liczbę masową A. Liczba masowa Liczba protonów Liczba neutronów 13 6C 13 6 7 20080Hg 200 80 120 Izotopy pierwiastka Nuklidy o takiej samej liczbie porządkowej Z ( tej samej ilości protonów) lecz różnej ilości neutronów N.

Siły jądrowe Defekt masy Z prawa Coulomba wynikałoby, że cząstki (protony, neutrony) nigdy nie powinny tworzyć układów trwałych, lecz samorzutnie oddalać się od siebie. Z tego wynika wniosek, że w jądrach atomowych muszą działać siły przyciągania się cząstek składowych, które przeciwdziałają odpychaniu się protonów. Ten rodzaj sił określa się jako siły jądrowe. Są one znacznie potężniejsze od sił elektrycznych, magnetycznych czy grawitacyjnych, mają zasięg działania rzędu promienia jądra i nie są zależne od ładunku. Defekt masy Masa jądra jest nieco mniejsza od sumy mas tworzących go nukleonów, ponieważ w trakcie tworzenia jądra z pojedynczych nukleonów wydziela się znaczna ilość energii powodując równoważny ubytek masy ( E = mc2 ). Różnica między obliczoną poprzez sumowanie mas cząstek Σm, a masą atomową nuklidu wyznaczoną doświadczalnie nosi nazwę defektu masy. Δm =Σ m ─ A Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy energii wiązania jądra E = m  c2.

Trwałość jąder Im większy jest defekt masy, im większa jest energia wiązania tym bardziej stabilne jest powstałe jądro atomowe. Siły jądrowe, które są dominujące, nie dają się ująć prostymi formułami i dlatego nie da się podać prostego przepisu na liczby protonów i neutronów tworzące trwały układ. Aby jądro było trwałe muszą być w nim zachowane odpowiednie proporcje między liczbą neutronów i protonów N : Z. Trwałe izotopy lekkich pierwiastków mają takie same lub niewiele różniące się liczby neutronów i protonów N : Z ≈1.Jest jednak wiele wyjątków, np. technet, promet i protaktyn nie mają żadnego trwałego izotopu. Za nuklid trwały uznaje się taki, którego czas połowicznego rozpadu wynosi więcej niż 1 × 109 lat.

Łączna liczba trwałych nuklidów jest równa 272 Najcięższym trwałym nuklidem jest bizmut (20983Bi). Jądra z Z > 83 nie są już trwałe (wszystkie pierwiastki za bizmutem mają tylko izotopy promieniotwórcze). Ciekawostka Spośród 272 trwałych nuklidów 161 jest zbudowanych z parzystej liczby protonów i parzystej liczby neutronów, 105 zawiera parzystą liczbę jednego z nukleonów, natomiast jedynie w 6 przypadkach jądro jest zbudowane z nieparzystej liczby protonów i nieparzystej liczby neutronów. Szczególną trwałością charakteryzują się jądra o liczbach protonów lub neutronów równych; 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (są to tzw. liczby magiczne) nazywane magicznymi jądrami; pośród nich najtrwalsze są jądra podwójne magicznie, np. 42He, 168O, 4020Ca, 20882Pb

Jądra atomowe niektórych izotopów ulegają samoistnym przemianom w jądra innych izotopów lub pierwiastków w celu osiągnięcia trwałości. Aby to osiągnąć wypromieniowują one rozmaite cząstki i fale elektromagnetyczne. Niestabilność jąder niektórych pierwiastków wynika ze zbyt dużej lub zbyt małej liczby neutronów w jądrze. Siły wzajemnego przyciągania się nukleonów (siły jądrowe) są wtedy mniejsze niż siły odpychania się protonów i jądro ulega samorzutnemu rozpadowi. Nadmiar neutronów lekkich izotopów objawia się promieniowaniem β−, zaś ich niedomiar promieniowaniem β+. Cięższe izotopy zawsze α-promieniują. Przemiany jądrowe to procesy zachodzące w jądrach atomowych. W ich wyniku powstają jądra atomowe innych pierwiastków, innych izotopów tego samego pierwiastka lub jądra tego samego izotopu w innym stanie energetycznym. Izotopy promieniotwórcze, radioizotopy – pierwiastki lub odmiany pierwiastków (izotopy), których jądra atomów są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej. Pierwiastki promieniotwórcze to pierwiastki chemiczne, których wszystkie izotopy są radioaktywne (promieniotwórcze).

Znanych jest około 2300 nuklidów promieniotwórczych, tylko kilkadziesiąt spośród nich występuje w przyrodzie. Naturalne pierwiastki promieniotwórcze to przede wszystkim nuklidy o liczbie atomowej Z > 83. Ze względu na pochodzenie izotopy radioaktywne możemy podzielić na 4 kategorie: A Izotopy pierwotne, których czas półrozpadu ma wartość przekraczającą 0,5 mld lat,. Powstały wraz z materią tworzącą Ziemię. Najbardziej rozpowszechnione to - : 40K, 238U, 232Th B Izotopy wtórne, powstałe w wyniku rozpadów promieniotwórczych izotopów należących do pierwszej kategorii. Najważniejsze to - 226Ra, 228Ra, 222Rn, 220Rn, 210Pb. C Izotopy kosmogeniczne, tworzące się pod wpływem promieniowania kosmicznego, jak również w reakcjach jądrowych. Radionuklidy kosmogeniczne 10Be, 26Al, 36Cl, 80Kr, 32Si, 39Ar, 22Na, 35S, 37Ar, 33P, 32P, 38Mg, 24Na, 38S, 31Si, 18F, 39Cl, 38Cl, 34mCl D Radioizotopy sztuczne

Samorzutne przemiany jądrowe Cząstki emitowane z jąder w trakcie rozpadu promieniotwórczego tworzą promieniowanie jądrowe uwalniane na zewnątrz. Wyróżniamy trzy podstawowe naturalne przemiany jądrowe: α, β i γ. Przemiana β- Polega na emisji elektronu pochodzącego z rozpadu neutronu w jądrze pierwiastka, który ulega przemianie. Przemianie tej ulegają jądra, w których znajduje się więcej neutronów niż protonów. Podczas przemiany β- neutron ulega przemianie w proton, elektron i antyneutrino. Przemiana β+ Polega na emisji pozytonu pochodzącego z rozpadu protonu w jądrze pierwiastka, który ulega przemianie. Przemianie tej ulegają jądra, w których znajduje się więcej protonów niż neutronów. Podczas przemiany typu β+ proton ulega rozpadowi na neutron, pozyton i neutrino:

Promieniowanie γ Przemiana α Polega na wysłaniu cząstek α, czyli jąder helu ( 42He2+) , pochodzących z jąder pierwiastków ulegających przemianie. Przemianie tej ulegają głównie ciężkie pierwiastki o liczbie atomowej od 83 Promieniowanie γ Ponieważ rozpad α oraz oba rozpady β prowadzą do wzbudzonego stanu konfiguracji elektronowej, to aby przejść ze stanu wzbudzonego na mniej wzbudzony, lub podstawowy atom musi pozbyć się nadmiaru energii. W tym celu emituje on kwant energii, w postaci fali elektromagnetycznej (hν), co nazywamy promieniowaniem γ właśnie. Jest to kolejny typ promieniowania jądrowego, który towarzyszy prawie wszystkim pozostałym procesom promieniotwórczym.

Prawo przesunięć (reguła Soddy’ego i Fajansa ) Opisuje ono w jaki sposób określony typ przemiany izotopu promieniotwórczego wpływa na rodzaj wytworzonego nuklidu: W przypadku przemiany α powstaje izotop o liczbie masowej mniejszej o cztery i liczbie atomowej mniejszej o dwa (przesunięcie w układzie okresowym o dwa miejsca w lewo) W przypadku rozpadu β- powstaje nuklid izobaryczny o takiej samej liczbie masowej i o liczbie atomowej większej o jeden (przesunięcie w układzie okresowym o jedno miejsce w prawo) W przypadku przemiany β+ powstaje nuklid izobaryczny czyli jądro pierwiastka o liczbie atomowej mniejszej o jeden oraz tej samej liczbie masowej (przesunięcie w układzie okresowym o jedno miejsce w lewo)

Przykłady A = 239 -4; Z = 94 - 2 A = 14 – 0; Z = 6 + 1 = 7 p → n A = 13 – 0; Z= 7 – 1 = 6 n →p

Wychwyt K Przemiany jądrowe mogą zachodzić także przy współudziale elektronów ze strefy pozajądrowej. Wychwyt K polega na tym, że elektron z powłoki najbliższej jądru zobojętnia jeden proton w jądrze (p + e--› n), więc liczba masowa atomu nie zmienia się, a liczba atomowa zmniejsza się o jeden.

Cechy promieniowania wysyłanego przez izotopy radioaktywne Papier Aluminium Ołów

Cząstki α (alfa) Cząstki α oddziaływają z polem elektrycznym (są przyciągane do elektrody ujemnej) i magnetycznym (odchylają się w kierunku prostopadłym do linii pola magnetycznego i kierunku ruchu). Cząstki α są, w porównaniu z innymi cząstkami emitowanymi w procesach promieniotwórczych, obdarzone dużą masą. Są naładowane elektrycznie ładunkiem dodatnim o wartości podwójnego ładunku elektronu. Bardzo chętnie oddziałują z materią (jonizują atomy i cząsteczki). Ich zasięg jest bardzo ograniczony (w powietrzu sięga kilku centymetrów, w ciałach stałych i cieczach jest rzędu ułamków milimetra). Pochłanianie cząstek α przez materię polega na wychwytywaniu przez nie elektronów i tworzeniu obojętnych atomów helu, po wcześniejszym ich spowolnieniu w wyniku zderzeń.

Cząstki β (beta) Po odkryciu w 1932 roku przez Carla Andersona pozytonu, cząstki podobnej do elektronu, lecz o przeciwnym znaku, i przemian jądrowych z jej udziałem, zaczęto różnicować cząstki β na znane wcześniej elektrony (cząstki β-) i nowe pozytony (określane jako cząstki β+). Cząstki β+ Następuje rozpadu protonu na neutron, pozyton (β+) i neutrino elektronowe. Jego skutkiem jest utrata protonu, pozyskanie neutronu oraz wydzielanie strumienia pozytonów (e+). p+ → n0 + e+ + νe Cząstki β- Są to elektrony, identyczne co do właściwości i natury z tymi znajdującymi się na orbitalach wokół jąder atomów. W naturalnych przemianach jądrowych powstają jako efekt rozpadu neutronu na proton, antyneutrino elektronowe i właśnie elektron. n0 → p+ + e− + νe Cząstki β ulegają odchyleniu w polu elektrycznym (przyciągane do elektrody o przeciwnym znaku) i magnetycznym (wskutek działania siły elektrodynamicznej, w kierunku prostopadłym do pola magnetycznego i toru ruchu). Chętnie oddziałują z materią (wyłapywane jako swobodne elektrony przez atomy i cząsteczki; przenikanie do jąder atomów, inicjując przemianę jądrową odwrotną do rozpadu β). Przenikliwość promieniowania β nie jest wysoka, zasięg w powietrzu jest rzędu kilku - kilkudziesięciu centymetrów.

Promieniowanie γ ( gamma) Jest to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie γ ma energię biliony razy wyższą niż fale radiowe! Przy tak wysokich energiach, promieniowanie zachowuje się bardziej jak cząstka niż fala. Tak więc promieniowanie γ, składa się z wysokoenergetycznych fotonów - kwantów γ. Kwanty γ nie mają ładunku elektrycznego, również nie mają masy spoczynkowej. Jako neutralne elektrycznie, bez masy spoczynkowej, ale o wielkiej energii, kwanty γ są niezwykle przenikliwe (bez trudu przenikają przez ciała stałe, nawet o grubości liczonej w metrach). Promieniowanie γ (podobnie jak α i β) ma charakter jonizujący

Szybkość rozpadu promieniotwórczego Proces samorzutnego rozpadu jąder pierwiastków radioaktywnych przebiega z szybkością, którego nie umiemy żadnym działaniem fizycznym ani chemicznym zmienić. Czas połowicznego zaniku (okres półtrwania, półrozpadu) Dla każdego pierwiastka promieniotwórczego charakterystyczny jest tzw. okres półtrwania (T1/2), czyli przedział czasu, w którym pierwotna liczba jąder No maleje do połowy, tj. gdy: N = No/2. W układzie SI jednostką aktywności jest bekerel (Bq) zdefiniowany jako jedna przemiana na sekundę. Dla 21084Po czas połowicznego rozpadu wynosi 138 dni to znaczy, że po upływie tego czasu pozostanie tylko połowa pierwotnej liczby jąder polonu. Po upływie dalszych 138 dni pozostanie połowa z tej połowy itd.. Dla m = 10 g radonu o T1/2 = 4 dni

m = 10mg × 2-34 / 8,5 Przykłady m = 10mg × 2-4 W czasie 34 h przechowywano izotop Sr-81 o okresie półtrwania τ½ = 8,5 h. Początkowa ilość izotopu wynosiła 10 mg. Ile izotopu pozostało po upływie czasu przechowywania? Dane: t = 34h; mo = 10 mg; T1/2= 8,5h; m = ? Rozwiązanie 1: 34 godziny przechowywania oznacza czterokrotny czas półtrwania. Następuje więc czterokrotny (34 : 8,5 = 4) połówkowanie próbki strontu czyli kolejno – 1) 10:2=5; 2) 5:2=1,25; 3) 2,5:2=1,25; 4) 1,25:2=0,625 mg Sr. Po okresie przechowywania pozostało 0,625 mg Sr Rozwiązanie 2 m = 10mg × 2-34 / 8,5 m = 10mg × 2-4 m = 10mg × 1/16 = 0,625 mg

Okres półtrwania izotopu 24Na ulegającego rozpadowi  β, wynosi 14,8 godziny. Jaka ilość 24Mg powstanie z 12 g 24Na: a/ po upływie 10 h; b/ po całkowitym rozpadzie promieniotwórczym tej ilości izotopu sodu. Dane: T1/2 = 14,8 godzin  mNa = 12 g  t1= 10 h  Jako, że rozpad beta nie wiąże się ze zmianą masy, z rozpadu 12g sodu powstanie 12 g magnezu. Uwzględniając wartość czasu połowicznego rozpadu, przy założeniu liniowej zależności ilości powstałego sodu z czasem, można obliczyć ilość powstałego magnezu: po upływie  14,8 h powstaje 0,5 · 12g = 6 g Mg po upływie  10   h powstaje        x  g Mg                                x = 4,05 g magnezu Po upływie 10 godzin powstanie 4,05 g magnezu

Szeregi promieniotwórcze Bardzo często w przyrodzie procesy promieniotwórcze zachodzą w pewnym określonym porządku. Serię sekwencyjnych przemian promieniotwórczych α i β prowadzących do powstania stabilnego izotopu nazywamy szeregiem promieniotwórczym. Jest to szereg dziedzicznie powiązanych izotopów w którym każdy powstaje w wyniku rozpadu poprzedniego Wyróżniamy cztery ważne szeregi promieniotwórcze: Uranowy – radowy (zaczyna się izotopem uranu 238U, a kończy trwałym izotopem ołowiu) Torowy (zaczyna się izotopem technetu  232Th, a kończy trwałym izotopem ołowiu) Uranowo – aktynowy (zaczyna się izotopem uranu 235U, a kończy trwałym izotopem ołowiu) Neptunowy (zaczyna się izotopem neptunu, a kończy trwałym izotopem bizmutu) Trzy z nich - szereg uranowy, torowy i aktynowy - występują w środowisku naturalnym. Czwarty szereg promieniotwórczy, neptunowy, występował we wczesnym okresie istnienia Ziemi (czas połowicznego zaniku 237Np równy jest 2,2 mln lat) - pojawił się jednak ostatnio ponownie na skutek skażeń promieniotwórczych izotopem 241Pu (rozpada się on na 241Am, a następnie 237Np, co zapoczątkowuje wspomniany szereg).

Szereg uranowy Izotop uranu, 238U, ośmiokrotnie rozpada się na drodze rozpadu α i sześciokrotnie na drodze rozpadu β zanim stanie się stabilnym izotopem ołowiu-206Pb.

Szereg torowy Szereg rozpoczyna się rozpadem izotopu toru 232Th o okresie półtrwania 14 miliardów lat a kończy na stabilnym ołowiu 208Pb. Szereg jest opisanym wzorem 4n + 0 i należy do niego 12 nuklidów.

Szereg aktynowy Szereg rozpoczyna się rozpadem izotopu uranu 235U o okresie półtrwania wynoszącym 700 milionów lat a kończy na stabilnym ołowiu 207Pb.

Pomiar promieniowania Licznik Geigera Detektor lub układ do zliczania cząstek lub fotonów promieniowania jonizującego. Zazwyczaj jest to wypełniony gazem cylinder, wewnątrz którego umieszczono cienki drut spolaryzowany wysokim napięciem (anoda). Jonizując gaz wewnątrz cylindra cząstka powoduje wyładowanie elektryczne, które można zarejestrować. Spadek napięcia anodowego przerywa wyładowanie i powoduje powrót po upływie określonego czasu martwego do stanu wyjściowego.

Licznik scyntylacyjny Przyrząd do wykrywania i pomiaru promieniowania jonizującego metodą zliczania błysków światła w niektórych materiałach, tzw. scyntylatorach.

Literatura: Chemia 1 – podręcznik ( zakres rozszerzony) S. Hejwowska, R. Marcinkowski,J. Staluszka 2. „ Szkolny słownik chemiczny”K. Pazdro 3. „ Chemia nieorganiczna z zasadami chemii ogólnej” Tołłoczko Strony www: http://portalwiedzy.onet.pl/ http://www.ipj.gov.pl/pl/szkolenia/matedu/nupex/ http://www.chemmix.artnet.pl/ Wykorzystane ilustracje: http://commons.wikimedia.org http://www.bcm.edu/bodycomplab/Images/pntrtn.gif. http://www.ipj.gov.pl/pl/szkolenia/matedu/nupex