Przeczytaj

Warto przeczytać

Jądro atomowe symbolicznie zapisujemy w następujący sposób:

$_{Z}^{A}\textrm{X}$

W zapisie tym X to symbol chemiczny pierwiastka, którego jądro opisujemy, $Z$ – liczba atomowa równa liczbie protonów w jądrze, $A$ – liczba masowa równa liczbie protonów i neutronów (które wspólnie nazywa się nukleonami) w jądrze.

Przemianami promieniotwórczymi nazywa się zazwyczaj naturalne rozpady masywnych jąder atomowych. Zachodzą one, ponieważ jądra, jak wszystkie układy fizyczne, dążą do stanu o jak najmniejszej energii. Dla jąder atomowych zmniejszenie energii opisuje się najczęściej energią wiązania przypadającą na jeden nukleon. Energia wiązania na nukleon jest równa energii, którą należałoby włożyć, aby oderwać nukleon z danego jądra. Warto zwrócić uwagę, że im większa energia wiązania, tym mniejsza energia jądra. Energię wiązania przypadającą na nukleon dla niektórych jąder przedstawia Rys. 1.

RPzx0qHw6lhD7

Rys. 1. Wykres przedstawia energię wiązania przypadającą na nukleon w jądrze, w zależności od liczby nukleonów. Na osi poziomej przedstawiono liczbę nukleonów w jądrze, w zakresie od zera do dwustu siedemdziesięciu z krokiem trzydzieści. Na osi pionowej przedstawiono średnią energię wiązania na nukleon, podaną w megaelektronowoltach. Podziałkę przygotowano od zera do dziewięciu z dokładnością do jednego megaelektronowolta. Od początku układu współrzędnych, blisko osi pionowej, rozpoczynając od zera, zaznaczono małymi kwadracikami kolejno między innymi: wodór jeden dla zera MeV, wodór dwa dla 1 MeV, hel trzy dla 2,5 MeV, wodór trzy poniżej 3 MeV, lit sześć powyżej 5 MeV, lit siedem dla 5,5 MeV, hel cztery dla 7 MeV, węgiel dwanaście dla 7,5 MeV, tlen szesnaście dla 8 MeV. Wszystkie te punkty, a między nimi jeszcze kilka nieopisanych, zaznaczono blisko pionowej osi, poniżej trzydziestu nukleonów w jądrze. Następnie wykres punktowy odchyla się gwałtownie w prawo i delikatnie opada. Poniżej 9 MeV i dla około 60 nukleonów zaznaczono żelazo 56. Natomiast dla 8 MeV i 240 nukleonów zaznaczono uran 235 oraz, na prawo od niego, uran 238. — Rys. 1. Energia wiązania przypadająca na nukleon w jądrze w zależności od liczby nukleonów

Z wykresu widać, że największą energię wiązania mają jądra żelaza o liczbie masowej 56. Wynika z tego, że korzystne energetycznie jest łączenie się jąder lżejszych od żelaza – te reakcje nazywa się reakcjami syntezy jądrowej. Natomiast jądra masywne mogą zamieniać się w lżejsze. Takimi przemianami są przemiany promieniotwórcze $\alpha$ (alfa) i $\beta$ Indeks górny - (beta minus) oraz rozszczepienie jądra. W przemianach $\alpha$ i $\beta$ z jąder emitowane są cząstki powodując zmianę składu nukleonów w jądrze. Ponadto zachodzi jeszcze przemiana $\gamma$ , przy której z jądra jest emitowany foton gammafotony gammafoton gamma.

Samorzutne przemiany $\alpha$ i $\beta$ Indeks górny - zachodzą zazwyczaj dla jąder masywniejszych niż jądro ołowiu $_{82}^{208} P b$ – jest to jądro o największej liczbie atomowej, dla którego nie stwierdzono przemian promieniotwórczych.

Przemiany $\alpha$ polegają na wyemitowaniu z jądra promieniotwórczego cząstki alfa – czyli jądra helu 4 (Rys. 2.).

RrZPeqmlgBhYP

Rys. 2. Rysunek przedstawia schemat przemiany alfa. Wyjściowe jądro, które przedstawiono jako kulkę uformowaną z kilku żółtych i kilku zielonych mniejszych kulek, można zapisać jako indeks dolny, wielkie Z, indeks górny, wielkie A. Z tego jądra wyprowadzono czarną strzałkę, która rozgałęzia się na dwie. Jądro to emituje bowiem jądro złożone z dwóch żółtych i dwóch zielonych małych kulek, podpisane jako indeks dolny, dwa, indeks górny, cztery, koniec indeksu górnego, grecka litera alfa, zamieniając się w jądro indeks dolny, wielkie Z, minus, dwa, indeks górny, wielkie A, minus, cztery. — Rys. 2. Schemat rozpadu alfa. Wyjściowe jądro, które można zapisać jako $_{Z}^{A} X$ emituje jądro helu $_{2}^{4} H e$ , zamieniając się w jądro $_{Z - 2}^{A - 4} Y$

Cząstkę alfa symbolicznie można zapisać jako $_{2}^{4} α$ , lub jako jądro helu 4, czyli $_{2}^{4} H e$ . Więcej o przemianach alfa możesz przeczytać w e‑materiale „Opisujemy rozpad alfa”.

Rozpad beta minus zachodzi dla jąder, które mają nadmiar neutronów. W takim przypadku dochodzi w jądrze do rozpadu neutronu na proton, elektron i antyneutrino, w wyniku czego, z jądra jest wyemitowany elektron i antyneutrino elektronowe – cząstka o bardzo małej masie i niemająca ładunku elektrycznego (Rys. 3.). Więcej o przemianach beta możesz przeczytać w e‑materiale „Opisujemy rozpady beta-”.

RPXPH08ZUOiWm

Rys. 3. Schemat przedstawia rozpad beta minus. Wyjściowe jądro, złożone z kilku mniejszych żółtych i zielonych kulek opisano jako indeks dolny wielkie Z, indeks górny wielkie A. Z jądra wyjściowego poprowadzono czarną strzałkę, która rozgałęzia się na trzy. Jedna wskazuje na pojedynczą zieloną kulkę opisaną wielkie V z indeksem dolnym e i falką ponad nim, czyli antyneutrino elektronowe. Druga wskazuje na małą zieloną kulkę opisaną indeks dolny minus 1, indeks górny 0, koniec indeksu, e, czyli wyemitowany elektron. Natomiast trzecia wskazuje na kulę złożoną z kilku małych zielonych i żółtych kulek opisaną indeks dolny wielkie Z plus 1, indeks górny wielkie A. — Rys. 3. Schemat rozpadu beta minus. Wyjściowe jądro, $_{Z}^{A} X$ emituje elektron $_{- 1}^{0} e$ , zamieniając się w jądro $_{Z + 1}^{A} Y$

Elektron w schemacie reakcji może być zapisany jako $_{- 1}^{0} e$ , lub jako promieniowanie beta minus $_{- 1}^{0} β$ .

W przemianie gamma obie liczby: atomowa i masowa pozostają niezmienione, zmienia się natomiast energia wzbudzenia jądra.

We wszystkich przemianach jądrowych zachowane są podstawowe prawa fizyki:

zasada zachowania ładunku elektrycznego,
zasada zachowania pędu,
zasada zachowania momentu pędu,

ale nie są zachowane oddzielnie energia i masa, a jest zachowana energia i masa łącznie, przy przeliczeniu jednej na drugą zgodnie ze wzorem Einsteina $E=mc^{2}$ gdzie $m$ – masa, $E$ – odpowiadająca jej energia.

Ponadto w reakcjach jądrowych zachowane są liczby barionowa i leptonowa.

Cząstki elementarne budujące materię można podzielić na dwie grupy:

Bariony to masywne cząstki oddziałujące silnie (jest to odziaływanie, dzięki któremu istnieje jądro atomowe). Barionami są protony i neutrony. Cząstkom tym przypisuje się liczbę barionową 1, a liczbę leptonową 0.

Leptony są to cząstki nieoddziałujące silnie, w większości lżejsze od barionów. Do leptonów zalicza się między innymi elektrony i neutrina elektronowe. Cząstkom tym przypisuje się liczbę leptonową 1, a barionową 0.

Każda z wymienionych cząstek ma swoją antycząstkęantycząstkiantycząstkę, której jako odpowiednią liczbę przypisujemy wartość -1. I tak antyproton ma liczbę barionową -1, a antyelektron, nazywany także pozytonem, liczbę leptonową -1.

Przy zapisie symbolicznym jąder atomowych i cząstek: $_{Z}^{A} X$ , liczbę atomową $Z$ możemy utożsamić z ładunkiem elektrycznym jądra. Natomiast liczba masowa jest równa liczbie barionowej jądra lub cząstki. Dlatego, na przykład, elektron zapisuje się $_{- 1}^{0} e$ , a jego antycząstkę – pozyton: $_{1}^{0} e$ .

Przykładowe zapisy przemian jądrowych

Rozpad alfa jądra toru 232:

_{90}^{232} T h \to_{88}^{228} R a +_{2}^{4} H e

Po obu stronach równania musi być jednakowa suma liczb atomowych (zasada zachowania ładunku elektrycznego) i suma liczb masowych (zasada zachowania liczby barionowej), nie zapisuje się zazwyczaj bezpośrednio liczby leptonowej.

Jeżeli wiemy, że dane jądro ulega rozpadowi alfa, to łatwo możemy ustalić, na jakie jądro się rozpadnie. Na przykład ustalmy, jakie jądro powstanie w wyniku rozpadu alfa jądra radu 228?

Rozpad ten możemy zapisać:

_{88}^{228} R a \to_{2}^{4} H e +_{Z}^{A} X

Ponieważ liczba barionowa (masowa) musi być zachowana w rozpadzie, to

$228=4+A\Longleftrightarrow A=224$

Z zachowania ładunku elektrycznego wynika:

$88=2+Z\Longleftrightarrow Z=86.$

Zatem powstałe jądro zapiszemy: $_{86}^{224} X$ . Sprawdzając w układzie okresowym możemy stwierdzić, że liczbę atomową 86 ma radon i kompletna reakcja wygląda następująco:

_{88}^{228} R a \to_{2}^{4} H e +_{86}^{224} R n .

Rozpad beta minus, to rozpad neutronu w jądrze atomowym lub neutronu swobodnego:

_{0}^{1} n \to_{1}^{1} p +_{- 1}^{0} e + {\tilde{ν}}_{e}

Cząstka $\tilde{\nu}_{e}$ to antyneutrino elektronowe, antycząstka neutrinaneutrinoneutrina elektronowego o liczbie leptonowej -1, barionowej 0 i niemająca ładunku elektrycznego. Jego obecność w rozpadzie jest konieczna ze względu na zachowanie liczby leptonowej. Łącznie z liczbą leptonową elektronu o wartości 1 po prawej stronie otrzymujemy liczbę leptonową 0, tak jak po lewej.

Jak zapiszemy rozpad beta dla konkretnego przypadku, na przykład dla jądra Th 234? Wiemy, że w rozpadzie powstanie elektron i antyneutrino elektronowe i nowe jądro $_{Z}^{A} Y$

_{90}^{234} T h \to_{Z}^{A} Y +_{- 1}^{0} e + {\tilde{ν}}_{e}

Jak widać z zachowania ładunku, powstałe jądro musi mieć liczbę atomową 90 + 1 = 91. Jest to jądro protaktynu.

Zatem reakcja będzie wyglądać następująco:

_{90}^{234} T h \to_{91}^{234} P a +_{- 1}^{0} e + {\tilde{ν}}_{e}

W podobny sposób możemy przewidywać produkty rozpadu beta plus, polegającym na rozpadzie w jądrze protonu na neutron i antyelektron, czyli pozyton. Rozpad ten zachodzi dla jąder z nadmiarem protonów i nie zachodzi dla protonów swobodnych – protony są, zgodnie z dzisiejszym stanem wiedzy, cząstkami trwałymi. Ponieważ pozyton ma liczbę leptonową -1, to w rozpadzie musi powstać także cząstka o liczbie leptonowej 1. Tą cząstką jest neutrinoneutrinoneutrino elektronowe $\nu_{e}$ . Przykładową reakcję rozpadu węgla $_{6}^{11} C$ zapiszemy:

_{6}^{11} C \to_{Z}^{A} Y +_{1}^{0} e + ν_{e}

Jak łatwo zauważyć, powstałe jądro Y musi mieć liczbę masową $A$ = 11, a atomową $Z$ = 6 – 1 = 5. Po sprawdzeniu w układzie okresowym zauważamy, ze powstałym jądrem Y jest bor i ostateczne równanie reakcji ma postać:

_{6}^{11} C \to_{5}^{11} B +_{1}^{0} e + ν_{e}

Słowniczek

Fotony gamma

(ang.: gamma photons) – wysokoenergetyczne fotony promieniowania elektromagnetycznego, o długości fali poniżej 0,1 nm. Towarzyszą zazwyczaj przemianom jądrowym.

Neutrino

(ang.: neutrino) – cząstka elementarna należąca do leptonów. Jest fermionem o spinie równym ½ i zerowym ładunku elektrycznym. Neutrina są cząstkami podstawowymi w modelu standardowym. Doświadczenia przeprowadzone w ostatnich latach wskazują, że neutrina mają bliską zera, ale niezerową, masę spoczynkową (Wikipedia)

Antycząstki

(ang.: antiparticles) – cząstki elementarne różniące się od odpowiadających im cząstek odwrotnym znakiem wszystkich liczb kwantowych (np.: ładunku elektrycznego, liczby barionowej, leptonowej, składowej izospinu, momentu magnetycznego), mające zaś taką samą masę i czas życia.

Wprowadzenie

Film samouczek

Warto przeczytać

Słowniczek