Przeczytaj
Reakcje chemiczne a reakcje jądrowe
Reakcje chemiczne zazwyczaj obejmują tworzenie lub rozkład różnych związków. Utworzenie cząsteczki produktu z cząsteczki substratu przebiega wówczas, gdy rozerwane jest przynajmniej jedno z wiązań chemicznych pomiędzy atomami substratów bądź zostaje utworzone przynajmniej jedno nowe wiązanie.
Podział reakcji chemicznych
Istnieje również inna klasa reakcji. Obejmują one zmiany zachodzące w jądrze atomowymjądrze atomowym i są nazywane przemianami jądrowymiprzemianami jądrowymi. Opisuje się je za pomocą równań, z tą różnicą, że rozpady promieniotwórcze są procesami fizycznymi, a nie reakcjami chemicznymi.
Podział przemian jądrowych
Równania reakcji jądrowych zapisujemy następująco: po lewej stronie równania znajdują się jądra pierwiastków i cząstki, które biorą udział w reakcji jako substraty, natomiast po stronie lewej produkty.
Przykład:
W tabeli poniżej zestawiono podstawowe cząstki oraz ich symbole, pojawiające się w sztucznych i naturalnych przemianach jądrowych.
Nazwa | Symbol | Liczba | Ładunek |
---|---|---|---|
alfa, helion | , | ||
beta, beta minus, | , , | -1 | |
beta plus, pozyton | betaIndeks górny ++ | ||
deuteron | , | ||
gamma | |||
neutron | |||
proton | , , | ||
tryton | , |
Kiedy reakcja chemiczna dopiero się zaczyna - można ją zazwyczaj jeszcze przerwać. W przypadku reakcji spalania – pożaru – ogień zatrzymuje się gaśnicą. Jednak procesów rozpadu jądrowego nie da się zatrzymać. Takim przykładem jest rozszczepienie jądrowe, które występuje wtedy, gdy bardzo niestabilny izotopizotop rozpada się na mniejsze cząstki. Rozszczepienie jądra zwykle musi być wywołane w akceleratorze cząstek. Tutaj atom pochłania strumień wysokoenergetycznych cząstek takich jak neutrony, co powoduje podział atomu na mniejsze fragmenty.
Zasady uzgadniania i zapisu równań
W reakcjach jądrowych obowiązują tzw. reguły wyborureguły wyboru, zgodnie z którymi:
Suma liczb masowych (zapisanych jako indeks górny) po lewej i prawej stronie równania musi być jednakowa. Jest to tzw. zasada zachowania liczby nukleonów.
Suma liczb atomowych (zapisanych w indeksach dolnych) po lewej i prawej stronie równania musi być jednakowa.
Pęd (energia) przed reakcją jest równa pędowi (energii) po reakcji. Jest to tzw. zasada zachowania pędu.
Ładunek reakcji przed i po reakcji zostaje zachowany. Jest to tzw. zasada zachowania ładunku elektrycznego.
Gdy absorbuje neutron o wysokiej energii, to jądro ulega rozszczepieniu w następujący sposób:
Jak rozpoznać brakującą cząstkę/jądro pierwiastka w powyższym równaniu? Uzupełnij zapis.
Jakiego zapisu można się spodziewać w przemianach przedstawionych poniżej? Jakie cząstki są emitowane w reakcji? Spróbuj prześledzić kolejne karty.
Jakiego zapisu można się spodziewać w przemianach przedstawionych poniżej? Jakie cząstki są emitowane w reakcji?
(wymuszone)
(samorzutne)
REAKCJA JĄDROWA | |
ROZPAD β- | |
ROZPAD β+ | |
FUZJA JĄDROWA | |
(wymuszone) |
|
(samorzutne) |
W powyższych przykładach zapisano reakcje jądrowe w formie pełnego zapisu. Czy można ten zapis uprościć? Jak w zapisie uproszczonym uwzględnić wszystkie jądra i cząstki?
Hel z gwiazdy
Ciekawym przykładem reakcji jądrowych są te zachodzące w gwiazdach. Ich energia pochodzi z procesów syntezy jądrowej. W przypadku gwiazd takich jak Słońce, dominującym procesem fuzji jest fuzja proton‑proton. W przypadku gwiazd bardziej masywnych, które mogą osiągnąć wyższe temperatury, fuzja cyklu węglowego staje się mechanizmem dominującym. W przypadku starszych gwiazd, zapadających się w środku, temperatura może przekroczyć sto milionów Kelwinów i zainicjować proces fuzji helu.
Główne źródło energii gwiazdy Syriusza A to reakcje jądrowe oparte na zamianie wodoru w hel. Przykłady równań zapisano poniżej.
Spróbujmy zatem przedstawić równania przemian jądrowych, zachodzących na Syriuszu A w formie uproszczonej.
Równanie można zapisać w postaci pełnego zapisu:
oraz w formie uproszczonej
gdzie:
– jądro „bombardowane” (ulega przemianie spontanicznej lub wymuszonej);
– cząstka bombardująca (wywołe reakcję wymuszoną);
– jądro (lub kilka jąder) powstałe po przemianie lub reakcji;
– cząstka (cząstki) emitowane w czasie przemiany lub reakcji.
Przed nawiasem umieszcza się jądro, które ulega przemianie spontanicznej lub jest bombardowane innymi cząstkami. Następnie wewnątrz nawiasu, na pierwszym miejscu umieszcza się cząstkę bombardującą, a w przypadku przemian samorzutnych, zamiast niej umieszcza się kreskę. Na drugim miejscu, wewnątrz nawiasu umieszcza się cząstkę emitowaną podczas przemiany lub reakcji jądrowej. Poza nawiasem znajdują się jądra emitowane.
Pełny zapis reakcji jądrowej upraszcza się zatem do formy:
Zapisz równanie w formie uproszczonej.
Dlaczego z jądra emitowane są cztery nukleonynukleony?
We wnętrzu jąder atomowych nukleony nie występują pojedynczo, ale grupują się w podukłady. Im bardziej masywne jądro, tym grupowanie zachodzi chętniej. Przykładem podukładu w jądrze jest cząstka , której powstanie jest korzystne energetycznie, co wynika z dużej energii wiązania pojedynczego (około na nukleon). W masywnym jądrze atomowym mamy do czynienia z wyodrębnionymi cząstkami . Każda z nich oddziałuje z pozostałymi nukleonami, z których jakaś część też jest pogrupowana w czwórki. Przemiana zachodzi bez ingerencji z zewnątrz i podlegają jej głównie jądra atomowe o dużej liczbie masowej (czyli o dużej liczbie nukleonów), zdecydowanie przekraczającej .
Słownik
proces, w którym następuje zmiana składu lub stanu jądra atomowego
centralna część atomu, o rozmiarach ok. razy mniejszych od rozmiarów atomu, skupiająca prawie całą jego masę
wspólna nazwa protonów i neutronów
zbiór warunków określających, które z energetycznie możliwych przejść między stanami układu kwantowego (np. jądra, atomu, cząsteczki) mogą być zrealizowane
wychwyt elektronu; przemiana jądrowa, która polega na absorpcji przez jądro atomu elektronu z powłoki elektronowej (najczęściej K) tego atomu i jednoczesnej emisji neutrina
(gr. ísos „równy”, tópos „miejsce”) nuklidy o tej samej liczbie atomowej i różnych liczbach masowych (tj. o tej samej liczbie protonów i różnych liczbach neutronów)
inaczej kolaps grawitacyjny; zjawisko kurczenia się ciał (w praktyce obiektów astronomicznych) pod wpływem własnego ciążenia przy znikomym udziale innych oddziaływań
pierwszy cykliczny akcelerator cząstek (protonów, jonów); akcelerator cząstek naładowanych (akceleratory cykliczne)
Bibliografia
Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.
Encyklopedia PWN
Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t.1‑2, PWN, Warszawa 2010.
Pazdro K.M, Rola‑Noworyta A., Akademicki zbiór zadań z chemii ogólnej, Oficyna Edukacyjna Krzysztof Pazdro, Warszawa 2013.