Jądro atomowe zbudowane jest z dodatnio naładowanych protonów i obojętnych neutronów. Razem te subatomowe cząsteczkicząsteczka subatomowasubatomowe cząsteczki nazywane są nukleonami.

ProtonyprotonProtony 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.

Poniższy wykres przedstawia trwałość jąder atomowych w odniesieniu do stosunku liczby neutronówneutronneutronów $N$ do liczby atomowej $Z$.

R16KVGlbuSl5O

Wykres przedstawiający trwałość jąder atomowych w odniesieniu do stosunku liczby neutronów N (oś pionowa) do liczby atomowej Z (oś pozioma). Na osi X są wartości od ) do 128. Na osi Y są wartości od 0 do 144. Od 0 pod kątem około 45 stopni nachylenia do osi Z poprowadzono czarną linię. Po prawej stronie, poniżej linii, jest wzór: $\frac{N}{Z}=1$. Pod linią od wartości 0 do 80 na osi Z oraz od 0 do 80 na osi N jest niebieskie pole z rozpadem beta plus. Od wartości 80 do końca osi Z jest pomarańczowe pole z rozpadem alfa. Takie samo pole jest także nad czarną linią. Powyżej czarnej linii od wartości 0 i 80 na osi Z i 0 do 88 na osi jest wąski fragment niebieskiego pola oznaczającego rozpad beta plus. Powyżej niego jest wąski, biały fragment biegnący od wartości $0$, oznaczający, że powyżej niego, czyli wartości $104 N$, nie występują jądra trwałe. Od <math aria‑label="zera">0 do <math aria‑label="osiemdziesięciu">80 na osi $Z$ i od $0$ do końca osi $N$ powyżej, białego fragmentu, jest pole fioletowe oznaczające rozpad beta minus.

NuklidynuklidNuklidy, dla których liczba atomowa Z jest większa od $83$, 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 $\alpha$, a elektrony w postaci promieni $\beta^-$.

Pierwiastki i izotopy, utworzone ponad $\mathrm{4,5}$ miliarda lat temu, nazywane są pierwotnymi, co oznacza, że zostały wygenerowane przez procesy gwiezdne wszechświata. Wszystkie izotopy, których okres połowicznego rozpadu jest krótszy od $100$ 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 promieniotwórczyszereg promieniotwórczy. W przyrodzie występują cztery szeregi promieniotwórcze. O przynależności atomu/izotopu pierwiastka do danego szeregu decyduje jego liczba masowa $A$. Znając liczbę masową atomu lub izotopu pierwiastka, po odjęciu od niej liczby $m$, musi nam wyjść liczba podzielna przez $4$. Na tej właśnie podstawie można przewidzieć przynależność pierwiastka do danego szeregu. Podczas rozpadu promieniotwórczego jest emitowana cząstka αalfacząstka alfa, cząstka αalfacząstka αalfa, która zmniejsza masę atomową nuklidu o $4$. Zależność tę można przedstawić wzorem:

gdzie:

• $n$ – liczba całkowita;

• $m$ – przyjmuje wartości $0$, $1$, $2$, $3$.

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–$238$, a kończy na ołowiu–$206$. Do tego szeregu należy $16$ nuklidów, m.in.: astat, bizmut, polon, protaktyn, rad, radon, tal, tor.

Czas połowicznego rozpaduczas połowicznego rozpadu TIndeks dolny $\frac{1}{2}$ Indeks dolny koniec_{$\frac{1}{2}$}Czas połowicznego rozpadu ${}^{238}\mathrm{U}$ trwa $\mathrm{4,5}$ miliarda lat. Jest to czas, po którym rozpadowi ulegnie $50\%$ atomów uranu–$238$. Uran, emitując cząstkę $\alpha$, przekształca się w izotop toru–$234$, zgodnie z równaniem:

Czas połowicznego rozpadu toru–$234$ wynosi $24$ dni. Atomy toru–$234$ przekształcają się w kolejny izotop, emitując promieniowanie $\beta^-$, wg równania:

Cały szereg promieniotwórczy uranowo–radowy przedstawiony został na schemacie poniżej.

R1C584bP8wl9B

Zdjęcie przedstawia szereg promieniotwórczy uranowo-radowy. Szereg rozpoczyna się izotopem uranu o liczbie masowej 238 o okresie półtrwania wynoszącym 4,5 miliarda lat, a kończy na stabilnym ołowiu o liczbie masowej 206. Szereg opisuje wzór 4n dodać 2 i należy do niego 16 nuklidów, między innymi: uran o liczbie masowej 238, uran o liczbie masowej 234, rad o liczbie masowej 226, radon o liczbie masowej 222, polon o liczbie masowej 210, ołów o liczbie masowej 206. Zaznaczono typ rozpadu alfa - strzałką zieloną i beta - strzałką niebieską. Strzałki zielone kierują szereg w dół, niebieskie znajdują się miedzy pierwiastkami na jednym poziomie. Uran o liczbie masowej 238 i liczbie atomowej 92 ma okres półtrwania 4,5 mnożone przez 10 do potęgi dziewiątej lat strzałka zielona do toru o liczbie masowej 234 i liczbie atomowej 90 - o okresie półtrwania równym 24,10 dni strzałka niebieska do protaktynu o liczbie masowej 234 i liczbie atomowej 91 o okresie półtrwania 1,18 minut strzałka niebieska do uranu o liczbie masowej 234 i liczbie atomowej 92 o okresie półtrwania wynoszącym 2,44 mnożone przez 10 do potęgi piątej lat strzałka zielona do toru o liczbie masowej 230 i liczbie atomowej 90 - o okresie 7,50 mnożone przez 10 do potęgi czwartej lat strzałka zielona do radu o liczbie masowej 226 i liczbie atomowej 88 - okres półtrwania wynosi 1622 lata. Od radu strzałka zielona do radonu o liczbie masowej 222 i liczbie atomowej 86 - okres półtrwania jest równy 3,823 dni strzałka zielona do polonu o liczbie masowej 218 i atomowej 84 - okres wynosi 3,06 minuty strzałka zielona do ołowiu o liczbie masowej 214 i liczbie atomowej 82 - 26,8 minut strzałka niebieska do bizmutu o liczbie masowej 214 i liczbie atomowej 83 - 19,7 minut strzałka niebieska do polonu o liczbie masowej 214 i liczbie atomowej 84 - 1,62 mnożone przez 10 do potęgi minus czwartej sekundy. Od bizmutu strzałka zielona do talu o liczbie masowej 210 i atomowej 81 - 1,32 minuty, od polonu strzałka zielona biegnie do ołowiu o liczbie masowej 210 i okresie 22,3 lat. Pomiędzy talem i ołowiem jest niebieska strzałka, od ołowiu niebieska strzałka do bizmutu o liczbie masowej 210 i okresie półtrwania 5 dni, od bizmutu niebieska strzałka do polonu o liczbie masowej 210 i okresie równym 138,375 dni. Od polonu zielona strzałka do izotopu trwałego ołowiu o liczbie masowej 206.

Szereg uranowo‑aktynowy

Szereg uranowo–aktynowy rozpoczyna się od naturalnie występującego uranu–$235$, a kończy na stabilnym ołowiu–$207$. Należy do niego $14$ nuklidów, m.in.: aktyn, astat, bizmut, frans, polon, protaktyn, rad, radon tal i tor.

R1PT0Cc9vMEOj

Zdjęcie przedstawia szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy. Szereg rozpoczyna się izotopem uranu o liczbie masowej 235 o okresie półtrwania wynoszącym 700 milionów lat, a kończy na stabilnym ołowiu o liczbie masowej 207. Szereg opisuje wzór 4n dodać 3 i należy do niego 14 nuklidów, między innymi: uran o licznie masowej 235, protaktyn o liczbie masowej 231, rad o liczbie masowej 223. Zaznaczono typ rozpadu alfa - strzałką zieloną i beta- strzałką niebieską. Strzałki zielone kierują szereg w dół, niebieskie znajdują się miedzy pierwiastkami na jednym poziomie. Uran o liczbie masowej 238 i liczbie atomowej 92 ma okres półtrwania równy 6,96 mnożone przez 10 do potęgi ósmej lat strzałka zielona do toru o liczbie masowej 231 i liczbie atomowej 90 - okres półtrwania wynosi 25,64 godziny, od toru strzałka niebieska do protaktynu o liczbie masowej 231 i liczbie atomowej 91 - okres jest równy 3,25 mnożone przez 10 do potęgi czwartej lat strzałka zielona do aktynu o liczbie masowej 227 i atomowej 89 - okres wynosi 21,772 lat strzałka niebieska do toru o liczbie masowej 227 i okresie 18,72 dni. Od aktynu strzałka zielona do fransu o liczbie masowej 223 i liczbie atomowej 87 - okres jest równy 21,8 minut, a od aktynu strzałka do radu o liczbie masowej 223 i liczbie atomowej 88 i okresie półtrwania równym 11,434 dni. Pomiędzy fransem i radem jest niebieska strzałka. Od radu zielona strzałka do radonu o liczbie masowej 219, liczbie atomowej 86 i okresie półtrwania 3,920 sekund. Od radonu strzałka zielona do polonu o liczbie masowej 215 i liczbie atomowej 84, okres wynosi 1,78 mnożone przez 10 do potęgi minus trzeciej sekundy. Od polonu strzałka zielona do ołowiu o liczbie masowej 211, atomowej 84 i okresie 36,1 minut, strzałka niebieska do bizmutu o liczbie masowej 211, atomowej 83 i okresie 2,15 minut strzałka niebieska do polonu o liczbie masowej 211 i okresie 5 mnożone przez 10 do potęgi minus trzeciej sekundy. Od bizmutu strzałka zielona do talu o liczbie masowej 207 i okresie 4,79 minuty. Od polonu strzałka zielona do ołowiu o liczbie masowej 207, który jest izotopem trwałym. Pomiędzy talem a ołowiem jest niebieska strzałka.

Szereg torowy

Szereg torowy rozpoczyna się od toru–$232$, a kończy na ołowiu–$208$. Należy do niego $12$ nuklidów, m.in.: rad, aktyn, radon, polon, tal bizmut. Czas połowicznego rozpadu toru–$232$ wynosi $14$ milionów lat.

RLQxcRLD1Lb0z

Zdjęcie przedstawia szereg promieniotwórczy torowy. Szereg rozpoczyna się izotopem toru o liczbie masowej 232 o okresie półtrwania wynoszącym 14 miliardów lat, a kończy stabilnym ołowiem o liczbie masowej 208. Szereg jest opisanym wzorem 4n dodać 0, należy do niego 12 nuklidów, między innymi: tor o liczbie masowej 232, tor o liczbie masowej 228, rad 228, radon 220. Zaznaczono typ rozpadu alfa - strzałką zieloną i beta - strzałką niebieską. Strzałki zielone kierują szereg w dół, niebieskie znajdują się miedzy pierwiastkami na jednym poziomie. Tor o liczbie masowej 232 i liczbie atomowej 90 ma okres półtrwania równy 1,4 mnożone przez 10 do potęgi dziesiątej. Od toru zielona strzałka do radu o liczbie masowej 228, atomowej 88 i okresie półtrwania 5,75 lat niebieska strzałka do aktynu o liczbie masowej 228 i liczbie atomowej 89, okres wynosi 6,13 godzin strzałka niebieska do toru o liczbie masowej 228 i okresie 1,913 lat. Od toru strzałka zielona do radu o liczbie masowej 224 i okresie 3,64 dni strzałka zielona do radonu o liczbie masowej 220, atomowej 54,50 sekund strzałka zielona do polonu o liczbie masowej 216, atomowej 84 i okresie 0,158 sekundy. Od polonu strzałka zielona biegnie do ołowiu o liczbie masowej 212, atomowej 82 i okresie półtrwania równym 10,64 godzin strzałka niebieska do bizmutu o liczbie masowej 212, atomowej 83 i okresie 60,55 minut strzałka niebieska do polonu o liczbie masowej 212, okres półtrwania wynosi 3 mnożone przez 10 do potęgi minus siódmej. Od bizmutu strzałka zielona do talu o liczbie masowej 208, atomowej 81 i okresie półtrwania wynoszącym 3 minuty. Od polonu strzałka do ołowiu o liczbie masowej 208, który jest izotopem trwałym. Pomiędzy tale a ołowiem znajduje się niebieska strzałka.

• 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: $2$, $8$, $20$, $50$, $82$ i $126$. Ołów–$208$ jest podwójnie magicznym nuklidem, ponieważ zawiera $82$ protony i $126$ neutronów.

• Jądra bogate w neutrony mogą osiągnąć trwałość przez wyrzucenie cząsteczki $\beta^-$, 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 $1$. Natomiast atomy ciężkich pierwiastków potrzebują nadmiaru neutronów, aby utrzymać protony razem – są one stabilne, gdy stosunek jest bliski $\mathrm{1,5}$.

Słownik

czas połowicznego rozpadu TIndeks dolny $\frac{1}{2}$ Indeks dolny koniec_{$\frac{1}{2}$}

czas połowicznego rozpadu TIndeks dolny $\frac{1}{2}$ Indeks dolny koniec_{$\frac{1}{2}$}

czas ($t$), w ciągu którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę

RlY7NlWpvLpem

Wykres przedstawia czas połowicznego rozpadu. Na wykresie jest krzywa. Jest ona wklęsła w stosunku do osi pionowej oznaczonej jako N i poziomej oznaczonej jako t. Współrzędne krzywej są następujące: po czasie T 1/2 pozostaje jedna ósma jąder początkowych, po czasie 2 mnożone przez T 1/2 pozostaje jedna czwarta jąder początkowych, po czasie 3 mnożone przez T 1/2 pozostaje połowa jąder początkowych, po czasie 4 mnożone przez T 1/2 ${\mathit{N}}_{\mathit{\theta }}$. Na Wykresie jest wzór: $N(t)={\left(\frac{1}{2}\right)}^{\frac{t}{T}}\cdot N_0$.

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