Przeczytaj

bg‑red

Reakcje jądrowe w kosmosie

Wielki WybuchWielki Wybuch Wielki Wybuch zapoczątkował proces nukleosyntezy, w wyniku czego powstały atomy pierwszych pierwiastków (wodór i hel) poprzez fuzję kwarkówkwarki kwarków i nukleonównukleonynukleonów.

RKnOtNwwWYnq4

Ilustracja przedstawia równanie: jądro deuteru o liczbie masowej 2 i liczbie atomowej 1 (jedna szara kulka połączona z jedną czerwoną kulką) dodać jądro trytu o liczbie masowej 3 i liczbie atomowej 1 (dwie szare kulki połączone z jedną czerwoną kulką), strzałka w prawo, jądro helu o liczbie masowej 4 i liczbie atomowej 2 (dwie szare kulki połączone z dwiema czerwonymi kulkami) dodać neutron o liczbie masowej 1 i liczbie atomowej 0 (jedna szara kulka). — Reakcja powstawania atomów helu z izotopów wodoru: deuteru i trytu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W wyniku reakcji jądrowychreakcja jądrowareakcji jądrowych, we wnętrzach gwiazd powstały wszystkie inne pierwiastki występujące na Ziemi. Podczas syntez termojądrowychtermojądrowych, w gwiazdach o małej masie wytwarzają się atomy helu z atomów wodoru, następnie zostają zsyntezowane atomy: węgla, azotu, tlenu, neonu, magnezu, niklu. Końcowym produktem przemiany są atomy żelaza.

R18jzc1kylBv11

Zdjęcie przedstawia Słońce jako wielką, rozżarzoną, czerwoną kulę. — Słońce jest gwiazdą – gorącą kulą świecących gazów – w sercu naszego Układu Słonecznego.
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

Istnieją takie pierwiastki, które praktycznie nie występują na Ziemi – są to np. technet czy promet. Mają jednak swoje miejsce we Wszechświecie, w gwiazdach. Śladowe ilości naturalnego technetu zostały wykryte w rudach uranu, gdzie atomy tego pierwiastka powstają jako produkt samorzutnych reakcji rozszczepieniarozszczepienie jądra rozszczepienia uranu. Jest on niestabilny, a jego atomy ulegają rozpadom promieniotwórczym (okres połowicznego rozpadu wynosi sześć godzin). Żaden z pierwiastków, powyżej liczby atomowej $92$ , nie występuje w przyrodzie. Wynika to z niestabilności ich jąder. W celu otrzymania atomów tych pierwiastków, należy użyć bardzo dużej energii – ponieważ właśnie takie warunki panują we wnętrzach gwiazd neutronowychgwiazdy neutronowegwiazd neutronowych czy podczas wybuchu supernowychsupernowasupernowych. Aby doszło do reakcji jądrowych, dodatnio naładowana cząstka (jądro atomujądro atomowe jądro atomu uderzającego) musi poruszać się tak szybko, aby pokonać odpychanie pola elektrycznego atakowanego jądra i dostać się do wnętrza atomu. Dzięki zderzeniu owej cząsteczki z jądrem atomowym powstaje atom nowego pierwiastka.

RHupDSjiGxO2A

Ilustracja przedstawia połączone ze sobą w kulistą formę zielone i pomarańczowe kulki - to jądro atomu. Nad nim znajduje się napis: odpychające pole elektryczne. Po prawej stronie kuli jest strzałka skierowana w jej stronę z napisem rozpędzony proton, obok jest czerwona kulka. Poniżej kuli jest strzałka skręcająca w dół z czerwoną kulką z napisem: powolny proton. — Warunki zajścia reakcji jądrowej, które ukazują, jak w jądro atomu uderza powolny proton (część dolna rysunku) i prędka protonu (część górna).
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑red

Przykłady reakcji jądrowych

W $1919$ roku Rutherford [ruˈtɛrfɔrt] poddał atom azotu działaniu cząsteczek $\alpha$ , w wyniku zderzenia otrzymał atom izotopu tlenu– $17$ oraz proton (jądro protuprot protu).

R1LzgIMKLWO7U

Portret Ernesta Rutherforda. Zdjęcie ukazuje dojrzałego mężczyznę. Ma krótkie włosy i krótki wąs. Ubrany jest w koszulę, krawat i marynarkę. — Ernest Rutherford (<math aria‑label='od trzydziesty sierpnia tysiąc osiemset siedemdziesiątego roku do dziewiętnastego października tysiąc dziewięćset trzydziestego siódmego roku'>30.08.1871-19.10.1937). Potwierdził istnienie jądra atomowego. W <math aria‑label='tysiąc dziewięćset ósmym'>1908 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.
Źródło: dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, domena publiczna.

Proste reakcje jądrowereakcja jądrowareakcje jądrowe to takie, w wyniku których jest emitowana jedna cząstka lub emitowane są dwie cząstki (np. neutron, protonprotonproton, elektronelektron elektron). Przykładem tego jest bombardowanie atomu azotu– $14$ cząstkami $\alpha$ , co prowadzi do powstania atomu tlenu– $17$ i jądra protu.

{}_{7}^{14}N + {}_{2}^{4}α \to {}_{8}^{17}O + {}_{1}^{1}H

Podobny proces przebiega w gwiazdach i prowadzi do powstania atomów tlenu– $16$ z atomów węgla– $12$ i jąder helu (cząstek alfacząstka alfa, cząstka alfacząstek alfa).

{}_{6}^{12}C + {}_{2}^{4}α \to {}_{8}^{16}O + γ

Stosując metodę prostych syntez jądrowych, przeprowadzono syntezę innych pierwiastków. W $1937$ roku otrzymano technet dzięki reakcji atomów molibdenu z jądrami deuterudeuterdeuteru.

{}_{42}^{97}{Mo} + {}_{1}^{2}D \to {}_{43}^{97}{Tc} + 2 {}_{0}^{1}n

Technet jest jednym z pierwiastków, stosowanym jako wskaźnik izotopowywskaźnik izotopowy w diagnostyce medycznej. Innym przykładem nukleosyntezynukleosynteza nukleosyntezy jest otrzymanie atomów kobaltu– $60$ , stosowanego w radioterapiiradioterapiaradioterapii, z atomów żelaza– $58$ . Pierwszym etapem reakcji jest naświetlenie strumieniem neutronów jądra żelaza– $58$ , dzięki czemu otrzymujemy izotop żelaza– $59$ .

{}_{26}^{58}{Fe} + {}_{0}^{1}n \to {}_{26}^{59}{Fe}

Jądro izotopu żelaza– $59$ jest jądrem nietrwałym, więc przekształca się w jądro kobaltu– $59$ z emisją elektronu.

{}_{26}^{59}{Fe} \to {}_{27}^{59}{Co} + {}_{- 1}^{0}e

Ostatnim etapem jest ponowne naświetlenie jąder atomu kobaltu– $59$ neutronami, w związku z czym otrzymujemy atomy kobaltu– $60$ .

{}_{27}^{59}{Co} + {}_{0}^{1}n \to {}_{27}^{60}{Co}

Ważne!

Pamiętaj, że podczas zapisywania równań reakcji nukleosyntezy, suma liczb atomowych i masowych cząstek po lewej stronie musi być równa stronie prawej równania.

R19TI9ktIWquo

Ilustracja przedstawia trzy równania. Równanie pierwsze: p (czerwona kulka) dodać n (szara kulka) strzałka w prawo n (szara kulka) połączone z p (czerwona kulka) pod spodem opis: jądro deuteru o symbolu D, liczbie masowej 2, liczbie atomowej 1 dodać promieniowanie gamma. Równanie drugie: n (szara kulka) połączone z p (czerwona kulka) – to jądro deuteru o liczbie masowej 2 i liczbie atomowej 1 dodać n (szara kulka) połączone z p (czerwona kulka) - to jądro deuteru o liczbie masowej 2 i liczbie atomowej 1 strzałka w prawo n (szara kulka) połączone z dwiema p (czerwone kulki) - to jądro helu o symbolu He liczbie masowej 3, liczbie atomowej 2 dodać n szara kulka. Równanie trzecie: n (szara kulka) połączone z p (czerwona kulka) – to deuter o liczbie masowej 2 i liczbie atomowej 1 dodać n (szara kulka) połączone z p (czerwona kulka) - to jądro deuteru o liczbie masowej 2 i liczbie atomowej 1 strzałka w prawo dwa n (szare kulki) połączone z p (czerwona kulka) – to jądro trytu o symbolu T, liczbie masowej 3, liczbie atomowej 1 dodać p (czerwona kulka). — Przykłady nukleosyntez
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie pl.wikipedia.org, licencja: CC BY-SA 3.0.

Łączenie się jąder wodoru (protu) w jądro helu utrudnione jest przez silne odpychanie elektryczne. Dlatego w reakcjach syntezy termojądrowej stosuje się cięższe izotopy wodoru (deuter i tryttryttryt). Wystąpienie dodatkowych neutronów w jądrze atomu ułatwia pokonanie wzajemnego odpychania się między zbliżającymi się do siebie dodatnimi jądrami. Podwyższenie temperatury również korzystnie wpływa na efektywność reakcji jądrowych.

Reakcje jądrowe atomów pierwiastków o większej liczbie atomowej

Do przeprowadzania reakcji jądrowych stosuje się obecnie także jądra atomów pierwiastków o większej liczbie atomowej. Muszą jednak być obdarzone dość dużą energią, aby móc zainicjować reakcję. Do tego mogą posłużyć takie izotopy, jak lit– $6$ , beryl– $9$ czy bor– $11$ . W rezultacie otrzymujemy nowe pierwiastki o odpowiednio wyższych liczbach atomowych. Jeśli natomiast napromieniowaniu zjonizowanymi atomami litu ulegnie atomu niklu, otrzymamy gal– $63$ oraz neutron.

{}_{28}^{58}{Ni} + {}_{3}^{6}{Li} \to {}_{31}^{63}{Ga} + {}_{0}^{1}n

Synteza jądrowa jest trudna do przeprowadzenia w praktyce, ponieważ jądra muszą zderzyć się ze sobą z dużą energią. Stosuje się więc metodę ogrzewania plazmyplazmaplazmy –zjonizowanego gazu – w celu przepuszczenia przez prąd elektryczny. Badania nad kontrolowaną reakcją syntezy jądrowej są prowadzone m.in. w USA w Princeton Plasma Physics Laboratory.

Słownik

kwarki

cząstki elementarne składniki protonów, neutronów

nukleony

wspólna nazwa protonów i neutronów

nukleosynteza

tworzenie pierwiastków w wyniku łączenia się nukleonów: protonów i neutronów.

elektron

(gr. ḗlektron „bursztyn”) cząstka elementarna o masie $m_{e} = 9, 109 \cdot 10^{- 31} kg$ ) i ładunku elektrycznym $e = - 1, 602 \cdot 10^{19} C$ , występująca w dwóch stanach ładunkowych: jako ujemny – negaton – i dodatni – pozyton

proton

trwała cząstka zaliczana do grupy barionów, składnik jąder atomowych (obok neutronów) o ładunku elektrycznym $p = 1, 602 \cdot 10^{- 19} C$

cząstki elementarne

obiekty, których istnienie i wzajemne oddziaływanie pozwala wyjaśnić formy występowania i zachowania się materii, m.in. kwarki, leptony, bozony

jądro atomowe

centralna część atomu zbudowana z nukleonów, o rozmiarach ok. $10^{5}$ razy mniejszych od rozmiarów atomu, skupiająca prawie całą jego masę

Wielki Wybuch

teoria/hipoteza, zgodnie z którą ewolucja Wszechświata rozpoczęła się od stanu osobliwego, po czym nastąpiła trwająca do czasów obecnych faza jego rozszerzania

deuter

(gr. deúteros „drugi”) wodór ciężki, $\text D$ , ${}_{1}^{2}H$ , trwały izotop wodoru o liczbie masowej $2$

prot

najlżejszy izotop wodoru, ${}_{1}^{1}H$

tryt

$T$ lub ${}_{1}^{3}H$ , izotop wodoru o liczbie masowej $3$

reakcja jądrowa

proces polegający na zderzeniu cząstki (np. neutronu) lub niewielkiego jądra z innymi jądrem, na skutek czego jądro bombardowane (ulegające przemianie spontanicznej lub wymuszonej) przekształca się w nowe jądro, a w reakcji wyrzucana jest jedna lub kilka cząstek

cząstka alfa, cząstka

jądro atomu helu o liczbie masowej $A=4$ , tj. ${}^{4}{He}$ ; składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów

radioterapia

jedna z podstawowych (oprócz chirurgii i chemioterapii) metod leczenia chorób nowotworowych, polegająca na wykorzystaniu zdolności promieniowania jonizującego do niszczenia żywych komórek

promieniowanie jonizujące

promieniowanie elektromagnetyczne (rentgenowskie, $\gamma$ ) i korpuskularne (cząstki $\alpha$ , elektrony, neutrony i in.); kiedy przechodzi przez materię, ulega rozpraszaniu lub pochłanianiu, przekazując energię atomom i cząsteczkom ośrodka, przez który przenika (i z którym oddziałuje)

reakcja termojądrowa, reakcja termonuklearna, fuzja jądrowa, synteza termojądrowa

reakcja jądrowa, polegająca na łączeniu się (syntezie) lekkich jąder atomowych w jądra cięższe o większej liczbie atomowej

rozszczepienie jądra

rozpad promieniotwórczy jądra, polegający na podzieleniu się jądra na dwa lub więcej, porównywalnych co do wielkości części (fragmentów rozszczepienia); okres połowicznego rozpadu – czas, w ciągu którego liczba nietrwałych mikroobiektów (np. promieniotwórcze jądro atomu, nietrwała cząstka elementarna), a zatem i aktywność promieniotwórcza, zmniejszają się do połowy; nie zależy od czynników zewnętrznych

gwiazdy neutronowe

obiekty gwiazdowe o niewielkim promieniu (rzędu $10\ \text{km}$ ) i bardzo dużej gęstości (średnio $10^{17} \frac{kg}{m^{3}}$ ), zbudowane z materii składającej się głównie z neutronów; prawdopodobnie końcowy etap ewolucji gwiazd o masach ok. $5 - 30$ mas Słońca

supernowa

gwiazda zmienna, wybuchowa, której jasność w ciągu kilku dni zwiększa się od kilkuset tysięcy do kilku mln razy (o ok. $17 - 20$ wielkości gwiazdowych)

promieniotwórcze pierwiastki, pierwiastki radioaktywne, pierwiastki niestabilne

pierwiastki chemiczne, które nie mają trwałych izotopów; rozpadają się samorzutnie, emitując przy tym cząstki lub promieniowanie

wskaźniki izotopowe, znaczniki izotopowe, atomy znakowane

substancja, w której określony pierwiastek ma różny od naturalnego skład izotopowy, spowodowany domieszką izotopu promieniotwórczego (rzadziej trwałego), zwanego niekiedy atomem znakującym

plazma

zjonizowana materia, tj. taka, w której atomy rozpadają się na dodatnio naładowane jony i swobodne elektrony

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząstki, materia, reakcje, Warszawa 2018.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2007.

Encyklopedia PWN

Wprowadzenie

Symulacja interaktywna

Reakcje jądrowe w kosmosie

Przykłady reakcji jądrowych

Reakcje jądrowe atomów pierwiastków o większej liczbie atomowej

Słownik

Bibliografia