Przeczytaj
Jądro atomowe
Jądro atomowe zbudowane jest z dodatnio naładowanych protonów i obojętnych neutronów. Razem te subatomowe cząsteczkisubatomowe cząsteczki nazywane są nukleonami.
ProtonyProtony elektrycznie się odpychają, ponieważ posiadają ten sam ładunek, jednak silne oddziaływania między wszystkimi cząstkami utrzymują jądro w całości. W wyniku nagromadzenia się znacznej ilości protonów i neutronów w „stosunkowo małej” objętości jądra, staje się ono niestabilne. Im stosunek liczby protonów do liczby neutronów jest bliższy jedności, tym jądro jest stabilniejsze. Wraz ze wzrostem liczby protonów w jądrze o ładunku dodatnim, musi wzrosnąć liczba neutronów, żeby „wyrównać” siłę odpychania elektrostatycznego protonów. Spójrz na poniższy model jądra atomu.
Trwałość jąder atomowych
Poniższy wykres przedstawia trwałość jąder atomowych w odniesieniu do stosunku liczby neutronówneutronów do liczby atomowej .
NuklidyNuklidy, dla których liczba atomowa Z jest większa od , są nietrwałe i promieniotwórcze. By osiągnąć większą trwałość, tracą one protony i neutrony, zmniejszając swoją liczbę atomową. Nukleony są emitowane przez jądra w postaci promieniowania , a elektrony w postaci promieni .
Pierwiastki i izotopy, utworzone ponad miliarda lat temu, nazywane są pierwotnymi, co oznacza, że zostały wygenerowane przez procesy gwiezdne wszechświata. Wszystkie izotopy, których okres połowicznego rozpadu jest krótszy od milionów lat, występują teraz w ilościach śladowych lub całkowicie zniknęły.
Promieniotwórcze nuklidy przekształcają się w inne nuklidy pod wpływem rozpadów promieniotwórczych (alfa i beta), a kończą się na uzyskaniu trwałego izotopu. Tworzą wówczas tzw. szereg promieniotwórczyszereg promieniotwórczy. W przyrodzie występują cztery szeregi promieniotwórcze. O przynależności atomu/izotopu pierwiastka do danego szeregu decyduje jego liczba masowa . Znając liczbę masową atomu lub izotopu pierwiastka, po odjęciu od niej liczby , musi nam wyjść liczba podzielna przez . Na tej właśnie podstawie można przewidzieć przynależność pierwiastka do danego szeregu. Podczas rozpadu promieniotwórczego jest emitowana cząstka alfacząstka alfa, która zmniejsza masę atomową nuklidu o . Zależność tę można przedstawić wzorem:
gdzie:
– liczba całkowita;
– przyjmuje wartości , , , .
Rodzaje szeregów promieniotwórczych
Pochodzenie | Nazwa | Wartość |
---|---|---|
Naturalne | Uranowo‑radowy | |
Uranowo‑aktynowy | ||
Torowy | ||
Sztuczne | Neptunowy |
Nazwy szeregów promieniotwórczych pochodzą od izotopu rozpoczynającego dany ciąg rozpadów. Różnica w nazwach dwóch szeregów uranowych wynika z faktu, że w szeregu uranowo–aktynowym pojawia się zarówno aktyn, jak i rad. Natomiast w szeregu uranowo–radowym nie pojawia się już aktyn.
Szereg uranowo‑radowy
Rozpoczyna się od uranu–, a kończy na ołowiu–. Do tego szeregu należy nuklidów, m.in.: astat, bizmut, polon, protaktyn, rad, radon, tal, tor.
Czas połowicznego rozpaduCzas połowicznego rozpadu trwa miliarda lat. Jest to czas, po którym rozpadowi ulegnie atomów uranu–. Uran, emitując cząstkę , przekształca się w izotop toru–, zgodnie z równaniem:
Czas połowicznego rozpadu toru– wynosi dni. Atomy toru– przekształcają się w kolejny izotop, emitując promieniowanie , wg równania:
Cały szereg promieniotwórczy uranowo–radowy przedstawiony został na schemacie poniżej.
Szereg uranowo‑aktynowy
Szereg uranowo–aktynowy rozpoczyna się od naturalnie występującego uranu–, a kończy na stabilnym ołowiu–. Należy do niego nuklidów, m.in.: aktyn, astat, bizmut, frans, polon, protaktyn, rad, radon tal i tor.
Szereg torowy
Szereg torowy rozpoczyna się od toru–, a kończy na ołowiu–. Należy do niego nuklidów, m.in.: rad, aktyn, radon, polon, tal bizmut. Czas połowicznego rozpadu toru– wynosi milionów lat.
Zwróć uwagę, że w szeregu uranowo–aktynowym powstaje izotop toru–, którego czas połowicznego rozpadu wynosi dni, natomiast w przypadku szeregu torowego trwałość izotopu toru– wynosi aż miliardów lat!
Tor– ulega rozpadowi , w wyniku czego emitowany jest elektron, a liczba atomowa rośnie o . Z kolei tor- podczas rozpadurozpadu emituje cząstkę , zmniejszając swoją liczbę atomową o i liczbę masową o . Wynika to z oddziaływań w jądrze atomowym – dodatnie protony odpychają się wzajemnie, natomiast w przypadku neutronów to odpychanie nie zachodzi. Uczestniczą one w oddziaływaniach silnychoddziaływaniach silnych krótkiego zasięgu, które utrzymują jądro, nie zwiększając przy tym odpychania.
Przewidywanie trwałości nuklidów
Jądra zawierające parzystą liczbę protonów i parzystą liczbę neutronów są zazwyczaj trwalsze od nukleonów, mających nieparzystą liczbę neutronów i nieparzystą liczbę protonów.
Nuklidy są na ogół trwalsze, gdy liczba tworzących je nukleonów jest jedną z liczb magicznych: , , , , i . Ołów– jest podwójnie magicznym nuklidem, ponieważ zawiera protony i neutronów.
Jądra bogate w neutrony mogą osiągnąć trwałość przez wyrzucenie cząsteczki , a jądra bogate w protony mają tendencje do zmniejszania ilości protonów, a co za tym idzie – do zmniejszania jądra atomowego.
Nuklidy są nietrwałe, jeśli ich stosunek liczby neutronów do liczby protonów jest za duży, bądź za mały. Dla trwałych atomów lekkich pierwiastków stosunek ten jest bliski . Natomiast atomy ciężkich pierwiastków potrzebują nadmiaru neutronów, aby utrzymać protony razem – są one stabilne, gdy stosunek jest bliski .
Słownik
jądro atomu helu o liczbie masowej , tj. ; składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów
cząstka mniejsza niż atom, np.: elektron, proton, neutron
(gr. protos „pierwszy”) p; fiz. trwała cząstka zaliczana do grupy barionów, składnik jąder atomowych obdarzony ładunkiem dodatnim
jedne z czterech podstawowych typów oddziaływań między cząstkami elementarnymi
elektrycznie obojętna cząstka z grupy barionów, składnik jąder atomowych
łańcuch powiązanych ze sobą rozpadów i radioaktywnego nuklidu, w wyniku którego otrzymujemy inny radioaktywny nuklid; szereg promieniotwórczy kończy się otrzymaniem stabilnego nuklidu
rozpad promieniotwórczy jądra atomowego połączony z emisją jądra helu (cząstki )
rozpad promieniotwórczy jądra atomowego połączony z emisją elektronu
czas (), w ciągu którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę
atom, którego jądro ma określony stan fizyczny i określony skład, tj. określoną liczbę protonów i neutronów
Bibliografia
Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząstki, materia, reakcje, Warszawa 2018.
Bank zadań CKE, Warszawa 2016.
Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2007.
Encyklopedia PWN