Reakcje jądrowe
Samorzutne przemiany jądrowe to cecha niektórych jąder atomowych. Czy człowiek może sam wywołać takie przemiany? Czy można zamienić rtęć w złoto? Jeśli chcesz wiedzieć więcej, czytaj dalej.
rodzaje promieniowania jądrowego i ich właściwości;
aktywność źródła promieniowania;
jednostka aktywności;
prawo rozpadu promieniotwórczego;
czas połowicznego rozpadu pierwiastków.
Ich opracowanie znajdziesz materiałach Promieniowanie jądrowe alfa, beta i gammaPromieniowanie jądrowe alfa, beta i gamma oraz Przemiany jądrowePrzemiany jądrowe.
opisywać reakcje jądrowe jako efekt bombardowania jąder atomów poruszającymi się cząstkami.
Pierwszą reakcję jądrową przeprowadził Ernest Rutherford [ernest radefed] w r. – bombardował gazy cząsteczkami alfa, których źródłem był izotop polonu . Podczas eksperymentu z azotem zaobserwował, że na skutek takich zderzeń pojawiają się protony i śladowe ilości tlenu. Rutherford zinterpretował wyniki swoich pomiarów następująco: kiedy cząstka alfa uderza w jądro atomu azotu, bierze udział w reakcji jądrowej, dzięki której zamienia się ono w tlen, czemu towarzyszy emisja protonu.
Reakcję jądrową najczęściej przedstawiamy schematycznie:
gdzie:
– jądro bombardowanego pierwiastka, tzw. tarcza;
– cząstka bombardująca;
– jądro powstałe w czasie reakcji;
– cząstka powstała w czasie reakcji.
Reakcję zaobserwowaną przez Rutherforda możemy zapisać następująco:
Jak widać, liczby i są takie same po obu stronach reakcji.
Precyzyjne badania nad omawianą reakcją jądrową wykazały, że nie zachodzi ona jednoetapowo, tzn. reakcja ma swoją fazę pośrednią, którą najczęściej pomija się w formalnym zapisie. Zanim utworzy się stabilne jądro izotopu tlenu Indeks górny Indeks górny koniec, powstaje niestabilne jądro fluoru Indeks górny Indeks górny koniec, które się rozpada i wyrzuca proton, jak na poniższej animacji.
Należy pamiętać, że w reakcjach jądrowych (podobnie jak w zjawiskach rozpadu promieniotwórczego) obowiązują zasady zachowania ładunku elektrycznego i liczby nukleonów. Na przykładzie powyższej reakcji:
Przed zderzeniem
liczba nukleonów wynosiła ( od jądra azotu i od cząstki alfa),
liczba protonów wynosiła ( w jądrze azotu i w cząsteczce alfa),
ładunek wynosił .
Po zderzeniu
liczba nukleonów wynosiła ( od jądra tlenu i proton swobodny),
liczba protonów wynosiła ( w jądrze azotu i proton swobodny),
ładunek wynosił .
Podobnym reakcjom jądrowym ulegają także inne pierwiastki, które bombardowane są lekkimi cząstkami, takimi jak proton czy neutron. W wyniku takich reakcji mogą powstać sztuczne izotopy promieniotwórcze, niewystępujące w przyrodzie. Sztuczne pierwiastki promieniotwórcze podlegają takim samym prawom jak naturalne; jedyna różnica polega na tym, że jądro takiego pierwiastka zostało sztucznie pobudzone do emisji promieniowania. Przykładowo: jesteśmy w stanie wytworzyć radioaktywny izotop fosforu, jeśli atomy glinu zbombardujemy cząsteczkami . Reakcję tę można zapisać następująco:
Izotop fosforu Indeks górny Indeks górny koniec jest nietrwały i zachodzi w nim rozpad , jednak cząstka, która jest emitowana, to nie elektron, ponieważ ma ona ładunek dodatni. Mówimy wówczas, że zaszedł rozpad , a cząstkę tę nazywamy pozytonempozytonem, który jest antycząstką elektronu. Czas połowicznego rozpadu niestabilnego izotopu wynosi ok. sekund. Izotop ten rozpada się na stabilne jądro krzemu i wspomniany już pozyton:
Reakcja powstawania sztucznego izotopu fosforu odkryta została w r. przez FryderykaFryderyka i Irenę Joliot‑CurieIrenę Joliot‑Curie – córkę Marii Skłodowskiej-Curie. Małżeństwo badało także inne reakcje, podczas których cząstkami alfa bombardowano atomy boru i magnezu, na skutek czego otrzymano niestabilne promieniotwórcze izotopy azotu i krzemu. Oba te izotopy podlegają następnie rozpadowi .
W jednej z reakcji jądrowych odkryto neutron. Chadwick [czadłyk] w r. bombardował jądra berylu cząstkami i jako produkt tej reakcji zidentyfikował cząstkę, która nie zawierała ładunku. Tą cząstką był neutron. Reakcję tę można zapisać następująco:
Odwiecznym marzeniem alchemików była przemiana (transmutacja) jednych substancji w inne, zwłaszcza rtęci w złoto. Czy jest to możliwe z punktu widzenia dzisiejszej nauki?
Obecnie możemy uzyskać złoto przez bombardowanie izotopu rtęci neutronami:
Jednak tak powstałe złoto jest nietrwałe (promieniotwórcze) i szybko ulega rozpadowi:
Jedynym niepromieniotwórczym izotopem złota, który występuje w przyrodzie, jest . Czy ten izotop można otrzymać sztucznie?
Otrzymamy go, kiedy zbombardujemy izotop neutronami. Ale i tu pojawia się problem: izotop musielibyśmy wytworzyć w reaktorze, a do tego celu niezbędny jest izotop , którego w przyrodzie jest bardzo mało.
A co z izotopem ? Po pochłonięciu neutronu przekształci się on w rtęć , a nie w oczekiwaną „złototwórczą” rtęć .
Jak widać, marzenia alchemików spełniły się tylko częściowo. Moglibyśmy jeszcze spróbować otrzymać trwałe złoto z platyny, ale czy okazałoby się to opłacalne?
Koszty uzyskania złota z innych pierwiastków w stosunku do jego ceny rynkowej są w przybliżeniu razy wyższe!
Tablica MendelejewaTablica Mendelejewa początkowo zawierała pierwiastki do liczby porządkowej (). Badanie reakcji jądrowych doprowadziło jednak do wniosku, że istnieją jeszcze cięższe jądra. Nazywamy je transuranowcamitransuranowcami. Pierwszym pierwiastkiem otrzymanym po uranie był neptun (jego nazwa pochodzi od planety Układu Słonecznego – kolejnej po Uranie). W sumie odkryto izotopy neptunu; wszystkie one są promieniotwórcze. Najtrwalszy izotop neptunu to , którego okres połowicznego zaniku wynosi ok. lat. Izotop ten powstaje w wyniku bombardowania jąder uranu neutronami. Następny pierwiastek, pluton, uzyskano w wyniku bombardowania jąder uranu jądrami deuteru . Pluton – podobnie jak neptun – nie zawiera trwałych izotopów. Okres połowicznego zaniku najtrwalszego z nich wynosi ok. mln lat. Łatwo się domyślić, że dalsze pierwiastki uzyskiwano w podobny sposób: ciężkie jądra bombardowano jądrami coraz to cięższych pierwiastków. Jednym z transuranowców jest kopernikkopernik . Powstał on w przebiegu następującej reakcji:
Jego najstabilniejszym znanym izotopem jest obecnie . Okresy połowicznego zaniku wszystkich izotopów kopernika są krótsze niż minut.
Zadanie
Atomy azotu bombardowane deuterem tworzą węgiel . Zapisz równanie tej reakcji jądrowej. Jakie cząstki są emitowane podczas tej reakcji?
Podsumowanie
Sformułowanie „sztuczny pierwiastek promieniotwórczy” odnosi się do izotopów promieniotwórczych powstałych w reakcjach wywołanych przez człowieka (sztucznie).
Pierwsza reakcja jądrowa została przeprowadzona przez Ernesta Rutherforda w wyniku bombardowania atomów azotu cząstkami alfa.
Eksperyment Rutherforda przebiegał według poniższego schematu:
Jądro atomu azotu na skutek przemiany jądrowej przekształciło się w izotop tlenu, czemu towarzyszyła emisja protonu.
Sztuczne izotopy promieniotwórcze były przedmiotem badań Fryderyka i Ireny Joliot‑Curie.
Reakcje jądrowe można przedstawić według następującego schematu:
gdzie:
– jądro bombardowanego pierwiastka, tzw. tarcza;
– cząstka bombardująca;
– jądro powstałe w czasie reakcji;
– cząstka powstała w czasie reakcji.Okazało się, że jeśli bombardujemy jądra atomów pierwiastków cząsteczkami lekkimi (protony, neutrony), możemy doprowadzić do rozpadu tych jąder na inne lżejsze jądra, czemu zwykle towarzyszy emisja promieniowania jonizującego.
W r. Fryderyk i Irena Joliot‑Curie zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Nagrodę otrzymali za badania nad sztucznymi pierwiastkami i za odkrycie powstawania par elektron‑pozyton.
Zadania podsumowujące moduł
Które zdania są prawdziwe, a które fałszywe?
Prawda | Fałsz | |
W reakcjach jądrowych obowiązuje zasada zachowania masy. | □ | □ |
W reakcjach jądrowych obowiązuje zasada zachowania ładunku elektrycznego. | □ | □ |
W reakcjach jądrowych obowiązuje zasada zachowania masy – energii. | □ | □ |
W reakcjach jądrowych obowiązuje zasada zachowania liczby nukleonów. | □ | □ |
Atomy siarki , bombardowane neutronami, przekształcają się w atomy fosforu . Zapisz równanie tej reakcji.
Zidentyfikuj cząstki lub pierwiastki , i w poniższym zapisie reakcji jądrowej:
W wyniku zderzenia dwóch jąder deuteru możemy otrzymać albo izotop helu , albo izotop wodoru (tryt). Zapisz równania obu reakcji.
Słownik
cząstka, która w stosunku do danej cząstki różni się jedną cechą, np. znakiem ładunku (elektron i pozyton ).
sztucznie wytworzony pierwiastek należący do grupy transuranowców; jego najstabilniejszy izotop to .
antycząstka elektronuelektronu; ma taką samą masę co elektron i taką samą wartość ładunku o przeciwnym znaku.
pierwiastek będący wynikiem reakcji jądrowych wywołanych sztucznie przez bombardowanie jąder pierwiastków cząstkami alfa, beta, neutronami itd.
patrz: układ okresowy pierwiastkówukład okresowy pierwiastków.
pierwiastki promieniotwórcze, których liczba atomowa , a więc w układzie okresowym zajmujące miejsca za uranem (). Zazwyczaj są uzyskiwane sztucznie w wyniku reakcji jądrowych (wyjątek stanowią neptun i pluton – ich śladowe ilości znaleziono w rudach uranowych).
trwała cząstka elementarna o ujemnym ładunku elektrycznym wynoszącym .
tabela będąca zestawieniem wszystkich znanych pierwiastków chemicznych, uporządkowanych zgodnie z rosnącą wartością ich liczby atomowej.
Fryderyk Joliot‑Curie
[żolju‑kiuri] Francuski fizyk, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Nagrodę otrzymał za odkrycie powstawania par elektron – pozyton i za badania nad sztuczną promieniotwórczością.
Irena Joliot‑Curie
[żolju‑kiuri] Córka Marii Skłodowskiej‑CurieMarii Skłodowskiej‑Curie. Wraz z mężem FryderykiemFryderykiem otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii (za odkrycie powstawania par elektron – pozyton oraz za badania nad sztuczną promieniotwórczością).