R1Xds5htVYXNT1

Zdjęcie przedstawia fragment Słońca podczas zjawiska koronalnego wyrzutu masy. Po prawej stronie kadru prezentowana jest tarcza słoneczna w postaci wycinka czerwonożółtej kuli. W górnej części kadru na tej kuli znajduje się ogromna eksplozja w postaci białej plamy, a poniżej jej podłużny obłok rozżarzonej materii wyrzucany jest w przestrzeń kosmiczną. Wszystkiemu towarzyszą zakłócenia wyglądu powierzchni Słońca w tym obszarze, turbulencje i jaśniejsze plamy.

1. Jądro atomu

RaVDOlwHS0V1e1

Symbol atomu

1. Jądrem atomowym nazywamy element znajdujący się w centralnej części atomu.

2. Jądro atomowe jest bardzo małe (kilkadziesiąt tysięcy razy mniejszy od atomu).

3. Jądro atomowe skupia praktycznie całą masę atomu.

4. Jądro atomowe obdarzone jest ładunkiem dodatnim.

5. Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, czyli nukleonów. Protony obdarzone są ładunkiem dodatnim, a neutrony są elektrycznie obojętne. Masy tych cząstek mają zbliżoną wartość.

6. Skład jądra atomowego zapisujemy jako:

gdzie:
$X$ – symbol chemiczny pierwiastka;
$Z$ – liczba porządkowa zawierająca informację, o liczbie protonów w jądrze;
$A$ – liczba masowa równa liczbie nukleonów w jądrze;
$A-Z$ – liczba neutronów w jądrze.

2. Izotopy

R1HRsiwZd6WFm1

Izotopy wodoru

Izotopami nazywamy odmiany atomów tego samego pierwiastka różniące się masą.

1. Jądra izotopów mają taką samą liczbę protonów (liczba $Z$), różną liczbę neutronów, a tym samym różną liczbę masową ($A$).

2. Izotopy danego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne, ale różne właściwości fizyczne.

3. Pierwiastki naturalnie występujące w przyrodzie są mieszaniną wielu izotopów, choć poszczególne izotopy mogą mieć różny udział w tej mieszaninie. Przykładowo: w naturalnie występującym wodorze, będącym mieszaniną trzech izotopów: ${}_1{}^1\mathrm{H}$, ${}_1{}^2\mathrm{H}$, ${}_1{}^3\mathrm{H}$, pierwszy z nich stanowi $\mathrm{99,9}\%$ składu tego pierwiastka.

3. Defekt masy

RMW0176ocIKt31

Waga

Defektem (deficytem) masy nazywamy różnicę między sumą mas nukleonów (gdy są one poza jądrem) tworzących jądro a masą tego jądra.
$M_j$ oznacza masę jądra o liczbie masowej $A$ i liczbie porządkowej $Z$.
Suma mas jego składników to:

Defekt masy to:

4. Energia wiązania

RYyLf2ymQSkZH1

E=mc2

1. Między nukleonami działają siły jądrowe. Siły te:

   • nie zależą od ładunku elektrycznego;

   • mają dużą wartość (znacznie większą od sił grawitacyjnych i elektrostatycznych);

   • mają krótki zasięg (działają na małych odległościach).

2. W wyniku działania sił jądrowych nukleony są ze sobą związane. O tym, jak silne jest to wiązanie, mówi nam energia wiązania – jest ona równa pracy, jaką należy wykonać, aby rozłożyć jądro na pojedyncze nukleony.

3. Obliczenie energii wiązania umożliwia zasada równoważności masy i energii:
   $E =m·c^2$

   ,
   gdzie:
   $m$ – masa;
   $c$ – prędkość światła w próżni;
   $E$ – energia, jaką można uzyskać z masy $m$.

4. Energia wiązania jest równa energii równoważnej deficytowi masy: $E_{\mathrm{wiązania}}=∆m·c^2$

5. Energia wiązania jądra rośnie wraz z liczbą masową atomuiZjKAjlcbI_d950e178Energia wiązania jądra rośnie wraz z liczbą masową atomu.

6. Ważną charakterystyką jądra każdego izotopu dowolnego pierwiastka jest energia wiązania przypadająca na jeden nukleoniZjKAjlcbI_d950e185Ważną charakterystyką jądra każdego izotopu dowolnego pierwiastka jest energia wiązania przypadająca na jeden nukleon.

iZjKAjlcbI_d950e178

R1Pm5aVqINI6V1

Energia wiązania jądra

iZjKAjlcbI_d950e185

RDjju3e64WP1t1

Średnia (właściwa) energia wiązania

5. Promieniowanie jądrowe

Promieniowanie emitowane przez substancje zawierające niestabilne jądra izotopów naturalnych podzielono na trzy kategorie: $\mathrm{\alpha }$, $\mathrm{\beta }$ i $\mathrm{\gamma }$.

1. Promieniowanie $\alpha$ to strumień cząstek, składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów (a więc tak samo jak jądra helu). Ładunek cząstki $\alpha$ wynosi +2 e (e – ładunek elementarny). Charakteryzuje się niską przenikliwością – jego zasięg w powietrzu nie przekracza 10 cm. Promieniowane $\alpha$ ma właściwości jonizujące i jego kontakt z żywą tkanką prowadzi do jej uszkodzeń.

2. Promieniowanie $\beta$ to strumień elektronów, którego przenikliwość jest większa niż cząstek alfa – rozchodzi się na odległość nawet do kilku metrów. Ma własności jonizujące, podobnie jak promienie $\alpha$.

3. Promieniowanie $\gamma$ jest falą elektromagnetyczną o długości mniejszej lub równej długości fal promieniowania rentgenowskiego. Jest to promieniowanie najbardziej przenikliwe; w powietrzu rozchodzi się na odległość od kilku do kilkunastu metrów, a w wodzie – na ponad 1 metr. Jest promieniowaniem jonizującym.

RCgdvafv7EOOt1

Grafika przedstawiająca symbol promieniotwórczości

Ponadto jądra sztucznie wytworzonych izotopów mogą emitować:

1. Cząstki ${\beta }^{+}$ – pozytony, czyli dodatnie elektrony. Zasięg ich nie jest duży, ale pozytony w wyniku zderzania się z elektronami ulegają anihilacji i powstaje wtedy promieniowanie gamma.

2. Neutrony – przenikliwe, obojętne elektrycznie cząstki. Neutrony łączą się z jądrami atomów i przekształcają je w niestabilne jądra promieniotwórcze.

3. Protony (p) – dodatnio naładowane cząstki o właściwościach zbliżonych do promieniowania $\alpha$, jednak znacznie bardziej od nich przenikliwe.

6. Dawka promieniowania

Aby określić parametry promieniowania i skalę efektów wywołanych przez promieniowanie w ośrodku materialnym, wprowadzono następujące definicje:

1. Aktywność preparatu promieniotwórczego ($\mathbf{A}$) – liczba jąder promieniotwórczych ulegających przemianom jądrowym w ciągu sekundy. Jednostką aktywności preparatu promieniotwórczego jest bekerel ($\mathrm{Bq }=1\mathrm{/}\mathrm{s}$). $A=1 \mathrm{Bq}$ oznacza jeden rozpad jądra w ciągu sekundy.

2. Dawka pochłonięta ($\mathbf{D}$) – energia promieniowania pochłonięta przez jednostkę masy substancji. Jednostką dawki pochłoniętej jest grej (Gy); $D=\frac{E}{m}\left[\mathrm{Gy}=\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}\right]$.

3. Równoważnik dawki ($\mathbf{H}$) – iloczyn dawki pochłoniętej ($D$) i współczynnika jakości promieniowania ($Q$). Służy do oceny wpływu promieniowania na układy biologiczne. Jednostką równoważnika dawki jest siwert ($\mathrm{Sv})$; $H=\mathrm{ Q}·\mathrm{D }\left[\mathrm{Sv}\right]$.

4. Współczynnik jakości ($\mathbf{Q}$) jest definiowany przez porównanie skutków danego rodzaju promieniowania ze skutkami promieniowania wzorcowego o tej samej dawce pochłoniętej. Wartość współczynnika jakości mieści się w zakresie od 1 do 25.

7. Okres połowicznego rozpadu

R8unLIDhriUTj1

Okres

1. Okres (czas) połowicznego rozpadu (zaniku) – czas, po którym z początkowej liczby jąder promieniotwórczych pozostanie połowa z nich.

2. Okres połowicznego rozpadu oznaczany jest symbolem $T_{1/2}$ lub $T$. Jest wielkością charakterystyczną dla konkretnego izotopu pierwiastka.

3. Okres połowicznego rozpadu może przyjmować wartości od ułamków mikrosekundy do miliardów lat.

4. Przykładowo: okres połowicznego rozpadu radonu ${}^{222}\mathrm{Rn}$ wynosi 4 dni. Oznacza to, że po upływie 4 dni zostanie tylko połowa początkowej liczby jąder tego gazu, po upływie kolejnych 4 dni – połowa z połowy, czyli jedna czwarta, a po następnych 4 dniach – połowa z jednej czwartej itd.

8. Prawo rozpadu promieniotwórczego

RchemTucqTDlu1

uproszczony rysunek krzywej rozpadu promieniotwórczego

Rozpad jąder promieniotwórczych ma charakter przypadkowy i podlega prawom statystyki. Oznacza to, że jeśli znamy okres połowicznego zaniku, możemy oszacować, jaka liczba jąder rozpadnie się w pewnym przedziale czasu. Nie możemy jednak przewidzieć, które z tych jader się rozpadną i kiedy rozpadnie się jedno konkretne jądro. Poniższe równanie, zwane prawem rozpadu promieniotwórczego, pozwala obliczyć liczbę jąder promieniotwórczych, które pozostały po upływie czasu ($t$):

gdzie:
$N_0$ – początkowa liczba jąder;
$T_{1\mathrm{/}2}$ – okres połowicznego zaniku.

9. Przemiany jądrowe

RzE1OozuB5UjK1

rysunek jądra atomowego, z którego wystrzeliwana jest cząstka

Emisja promieniowania jądrowego jest następstwem przemian zachodzących w jądrach atomów. Przemiany te opisuje się za pomocą równań podobnych do równań reakcji chemicznych, choć rozpady promieniotwórcze nie są reakcjami chemicznymi, lecz procesami fizycznymi.
Wszystkie przemiany jądrowe odbywają się z zachowaniem następujących zasad:

1. Zasada zachowania liczby nukleonów – suma liczby nukleonów we wszystkich produktach rozpadu jest równa liczbie nukleonów przed rozpadem.

2. Zasada zachowania ładunku – suma ładunków w produktach rozpadu jest po rozpadzie taka sama jak przed rozpadem.

3. Zasada masy i energii – suma mas i energii po rozpadzie jest taka sama jak przed rozpadem.

Rozpad $\alpha$ polega na wyrzuceniu z wnętrza jądra cząstki złożonej z dwóch protonów i dwóch neutronów. Tę cząstkę nazywamy cząstką $\alpha$. W efekcie powstaje jądro innego pierwiastka, którego liczba masowa jest mniejsza o 4, a liczba porządkowa – o 2.

Rozpad ${\beta }^{-}$ polega na emisji elektronu z wnętrza jądra. Związane jest to z przekształceniem się jednego z neutronów w proton. W rezultacie proton pozostaje w jądrze, którego liczba porządkowa wzrasta o 1, a jądro jednocześnie zachowuje poprzednią wartość liczby masowej. Jądro ulega przemianie w nowe jądro.

Rozpad ${\beta }^{+}$ polega na emisji pozytonu (antyelektronu) z wnętrza jądra. Związane to jest z przekształceniem się jednego protonu w neutron, który pozostaje w jądrze.

Rozpad $\gamma$ przemiana, której podlega jądro znajdujące się w stanie wzbudzonym. W takim jądrze znajduje się nadmiar energii; aby się go pozbyć, jądro wysyła foton promieniowania $\gamma$. W wyniku tej przemiany skład jądra się nie zmienia. Przemiana ta często następuje po wcześniejszej przemianie $\beta$.

10. Reakcje jądrowe

Bombardowanie jąder atomów strumieniem cząstek alfa, protonów lub neutronów (a obecnie często jądrami innych atomów) oraz promieniowaniem gamma prowadzi do przekształcenia tych cząstek w jądra innych pierwiastków. Temu procesowi towarzyszy emisja promieniowania. Takie sprowokowane przemiany jądrowe nazywamy reakcjami jądrowymi. Można je zapisać za pomocą wzoru:

gdzie:
$a$ – cząstka (pocisk) padającego promieniowania;
$X$ – atom bombardowany (tarcza);
$Y$ – powstałe jadro;
$b$ – promieniowanie emitowane.

Przykłady:

lub

Takie reakcje wykorzystywane są do produkcji syntetycznych nuklidów promieniotwórczych wykorzystywanych w przemyśle, medycynie i technice. Dzięki drugiej z pokazanych reakcji wytworzono nowy pierwiastek – kopernik (Cn).

11. Rozszczepienie jądra atomowego

Rozszczepienie jąder ciężkich (w praktyce są to jądra uranu lub plutonu) na dwa lżejsze jądra to jeden ze sposobów wyzwalania energii jądrowej. Proces ten inicjowany jest bombardowaniem jąder ciężkich neutronami termicznymi. Neutron dołączony do jądra sprawia, że staje się ono niestabilne i w efekcie prowadzi do rozerwania jądra na dwa mniejsze. Podczas takiego procesu uwalniana jest energia oraz 2 lub 3 neutrony, które mogą inicjować rozszczepienie kolejnych jąder.
Przykładowy proces rozszczepienia jądra plutonu wygląda następująco:
${}_{94}{}^{239}\mathrm{Pu}+{}_0{}^{1}n\to {}_{56}{}^{144}\mathrm{Ba}+{}_{38}{}^{94}\mathrm{Sr}+2{}_0{}^{1}n$

R1VWpt3Dx5S4B1

rysunek rozszczepienia jądra atomowego

12. Reakcja łańcuchowa

1. Reakcja łańcuchowa zachodzi samorzutnie; składają się na nią zachodzące kolejno reakcje rozszczepienia. Każda reakcja rozszczepienia wytwarza co najmniej dwa neutrony; cząstki te bombardują sąsiednie jądra. Neutrony zostają pochłonięte przez jądra, które się rozpadają i wytwarzają następne neutrony. Proces zachodzi lawinowo w całej objętości substancji.

2. Reakcji łańcuchowej towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii będącej skutkiem deficytu masy. W wyniku reakcji rozszczepienia jednego jądra uranu wydziela się energia wynosząca około 200 MeV.

3. Reakcja łańcuchowa nie zachodzi w każdych warunkach. Materiał rozszczepialny musi przekroczyć masę krytyczną. Jej istnienie jest spowodowane ucieczką neutronów poza objętość substancji; masa krytyczna zależy więc od rozmiarów i kształtu substancji.

R1GbqMx1y7JWf1

schemat reakcji łańcuchowej

13. Elektrownia jądrowa

RAb5PI9NjTlcQ1

uproszczony schemat reaktora

1. Elektrownie jądrowe działają podobnie jak konwencjonalne elektrownie cieplne; różnica polega na sposobie uzyskiwania energii.

2. Energię cieplną wytwarzaną przez reaktor elektrownie jądrowe wykorzystują do zamiany wody w parę wodną. Ta napędza wirniki turbin i tak powstaje prąd elektryczny.

3. Reaktor jądrowy (zwany też dawniej stosem atomowym) jest urządzeniem przeznaczonym do sterowania przebiegiem reakcji jądrowych.

14. Synteza termojądrowa

Synteza termojądrowa to jeden ze sposobów wyzwalania energii jądrowej. Polega na łączeniu się lekkich jąder atomów w jądra cięższe. Aby zapoczątkować taki proces, należy jądra lekkie zbliżyć do siebie na tak małą odległość, aby zaczęły działać siły jądrowe. Aby pokonać siły elektrostatycznego odpychania, które się wytworzyły w wyniku zbliżania jąder, trzeba rozpędzić lekkie jądra i zderzyć je ze sobą. Taki proces zachodzi wyłącznie w bardzo wysokiej temperaturze (ponad milion kelwinów) – dlatego w nazwie reakcji znajduje się przedrostek „termo”.
Procesy syntezy termojądrowej zachodzą:

– we wnętrzach gwiazd, również w naszym Słońcu;
– w bombach wodorowych;
– w reaktorach termojądrowych (jak dotąd tylko eksperymentalnych, niemających zastosowań przemysłowych).

RNKxmuCZoIUJn1

Schemat przedstawiający Słońce jako reaktor termojądrowy

15. Detekcja promieniowania

R1DjC83YG59K41

Licznik Geigera

Urządzenia służące do wykrywania i rejestrowania promieniowania jądrowego (jonizującego) nazywamy detektorami cząstek. Najczęściej są to urządzenia wykorzystujące:

– jonizację gazu (komora jonizacyjna, komora Wilsona, komora pęcherzykowa, licznik Geigera‑Müllera);
– pobudzanie pewnych substancji do świecenia (licznik scyntylacyjny);
– reakcje chemiczne (emulsja fotograficzna).

16. Promieniotwórczość w technice i medycynie

Rj20EJ2Cuz8fD1

Zdjęcie obiektu, gdzie wykorzystuje się promieniowanie w medycynie

Sztuczna promieniotwórczość znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach:

1. Energetyka – elektrownie, baterie jądrowe (używane np. do rozruszników serca).

2. Medycyna – radioizotopy, znaczniki do badań diagnostycznych, leczenie chorób nowotworowych (bomba kobaltowa), akceleratory.

3. Nauka – określanie wieku znalezisk archeologicznych metodą datowania radiowęglowego (datowanie izotopem Indeks górny 14¹⁴C), analiza aktywacyjna (bardzo czuła metoda badania składu pierwiastkowego próbki).

4. Technika – silniki atomowe okrętów i statków kosmicznych, precyzyjne grubościomierze, świecące farby, czujniki dymu.

5. Przemysł – wykrywanie defektów w elementach silników samolotowych, sterylizacja żywności i sprzętu medycznego, kontrola terminu ważności produktów.

Test

Zadania