RDkWKIxftGd7d1

Zdjęcie przedstawia fragment sztaby złota ułożonej w otoczeniu monet. Na złocie widoczne są liczne grawerunki, choć w pełni wyraźna jest tylko liczba 9976 naniesiona w pobliżu krawędzi sztabki.

Pierwszą reakcję jądrową przeprowadził Ernest Rutherford w 1919 r. – bombardował gazy cząsteczkami alfa, których źródłem był izotop polonu ${}_{84}{}^{214}\mathrm{Po}$. 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:
$X$ – jądro bombardowanego pierwiastka, tzw. tarcza;
$a$ – cząstka bombardująca;
$Y$ – jądro powstałe w czasie reakcji;
$b$ – cząstka powstała w czasie reakcji.

Reakcję zaobserwowaną przez Rutherforda możemy zapisać następująco:

Jak widać, liczby A i Z 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 17¹⁷O, powstaje niestabilne jądro fluoru Indeks górny 18¹⁸F, które się rozpada i wyrzuca proton:

R1ZsPKzyqy22H1

Na ekranie pojawia się jądro azotu : 7 kulek czerwonych i 7 kulek szarych ułożonych w koło, wymieszane). Z lewej strony nadlatuje cząstka alfa: 2 kulki czerwone i 2 szare. Cząstka alfa zbliża się do jądra azotu i wlatuje w środek. Teraz w kole – jądrze o 4 kulki więcej (2 czerwone i 2 szarozielone). Przetasowują się: nowe jądro przybiera kształt lekkiej elipsy to pionowej, to poziomej. Po chwili z drgającego jądra wylatuje w prawo czerwona kulka. Znika poza kadrem. Teraz jądro ma 8 kulek czerwonych i 9 szarych.

Na ekranie pojawia się jądro azotu : 7 kulek czerwonych i 7 kulek szarych ułożonych w koło, wymieszane). Z lewej strony nadlatuje cząstka alfa: 2 kulki czerwone i 2 szare. Cząstka alfa zbliża się do jądra azotu i wlatuje w środek. Teraz w kole – jądrze o 4 kulki więcej (2 czerwone i 2 szarozielone). Przetasowują się: nowe jądro przybiera kształt lekkiej elipsy to pionowej, to poziomej. Po chwili z drgającego jądra wylatuje w prawo czerwona kulka. Znika poza kadrem. Teraz jądro ma 8 kulek czerwonych i 9 szarych.

Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D8AxKErDX

Na ekranie pojawia się jądro azotu : 7 kulek czerwonych i 7 kulek szarych ułożonych w koło, wymieszane). Z lewej strony nadlatuje cząstka alfa: 2 kulki czerwone i 2 szare. Cząstka alfa zbliża się do jądra azotu i wlatuje w środek. Teraz w kole – jądrze o 4 kulki więcej (2 czerwone i 2 szarozielone). Przetasowują się: nowe jądro przybiera kształt lekkiej elipsy to pionowej, to poziomej. Po chwili z drgającego jądra wylatuje w prawo czerwona kulka. Znika poza kadrem. Teraz jądro ma 8 kulek czerwonych i 9 szarych.

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 – $18 (14+4)$; liczba protonów – $9 (7+2)$; ładunek – $9 e$.
Po zderzeniu: liczba nukleonów – $18 (17+1)$; liczba protonów – $9 (8+1)$; ładunek – $9 e$.

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 $\mathrm{\alpha }$. Reakcję tę można zapisać następująco:

Izotop fosforu Indeks górny 30³⁰P jest nietrwały i zachodzi w nim rozpad $\mathrm{\beta }$, jednak cząstka, która jest emitowana, to nie elektron, ponieważ ma ona ładunek dodatni. Mówimy wówczas, że zaszedł rozpad ${\mathrm{\beta }}^{+}$, a cząstkę tę nazywamypozytonempozytonpozytonem, który jest antycząstką elektronu. Czas połowicznego rozpadu niestabilnego izotopu Indeks górny 30³⁰P wynosi ok. 150 sekund. Izotop ten rozpada się na stabilne jądro krzemu i wspomniany już pozyton:

Reakcja powstawania sztucznego izotopu fosforu odkryta została w 1934 r. przezFryderykaFrédéric Joliot‑CurieFryderyka iIrenę Joliot‑CurieIrena 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 ${\mathrm{\beta }}^{+}$.

Ciekawostka

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 ${}_{80}{}^{198}\mathrm{Hg}$ neutronami:

${}_{+80}{}^{198}\mathrm{Hg}+{}_0{}^1\mathrm{n}\to {}_{+79}{}^{198}\mathrm{Au}+{}_{+1}{}^1\mathrm{p}.$

Jednak tak powstałe złoto jest nietrwałe (promieniotwórcze) i szybko ulega rozpadowi:

${}_{+79}{}^{198}\mathrm{Au}\to {}_{+80}{}^{198}\mathrm{Hg}+{}_{-1}{}^0\mathrm{e}.$

Jedynym niepromieniotwórczym izotopem złota, który występuje w przyrodzie, jest Indeks górny 197¹⁹⁷Au. Czy ten izotop można otrzymać sztucznie?

Otrzymamy go, kiedy zbombardujemy izotop Indeks górny 197¹⁹⁷Hg neutronami. Ale i tu pojawia się problem: izotop Indeks górny 197¹⁹⁷Hg musielibyśmy wytworzyć w reaktorze, a do tego celu niezbędny jest izotop Indeks górny 196¹⁹⁶Hg, którego w przyrodzie jest bardzo mało.

R18ioaXC1bUAt1

Ilustracja przedstawia wykres kołowy. Tło białe. Nad wykresem widnieje napis: „Skład izotopowy rtęci występującej w naturze”. Na wykresie różnymi kolorami zaznaczono 7 wycinków. Na każdym z nich znajduje się oznaczenie izotopu rtęci wraz z podaną procentową zawartością. Wycinek największy – pomarańczowy – Hg-202 (29,86%). Kolejny wycinek – niebieski – Hg-200 (23,1%). Wycinek żółty – Hg-199 (16,87%). Wycinek zielony – Hg-201 (13,18%). Wycinek fioletowy – Hg-198 (9,97%). Wycinek granatowy – Hg-204 (6,87%). Ostatni, najmniejszy – czerwony – Hg-196 (0,15%).

A co z izotopem Indeks górny 199¹⁹⁹Hg? Po pochłonięciu neutronu przekształci się on w rtęć Indeks górny 200²⁰⁰Hg, a nie w oczekiwaną „złototwórczą” rtęć Indeks górny 197¹⁹⁷Hg.

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 5000 razy wyższe!

Tablica Mendelejewatablica układu MendelejewaTablica Mendelejewa początkowo zawierała pierwiastki do liczby porządkowej 92 (${}_{92}\mathrm{U}$). Badanie reakcji jądrowych doprowadziło jednak do wniosku, że istnieją jeszcze cięższe jądra. Nazywamy jetransuranowcamitransuranowcetransuranowcami. Pierwszym pierwiastkiem otrzymanym po uranie był neptun (jego nazwa pochodzi od planety Układu Słonecznego – kolejnej po Uranie). W sumie ma on odkryte 22; wszystkie one są promieniotwórcze. Najtrwalszy izotop neptuna to ${}_{93}{}^{237}\mathrm{Np}$, którego okres połowicznego zaniku wynosi ok. $\mathrm{2,2}·{10}^6$ lat. Izotop ten powstaje w wyniku bombardowania jąder uranu ${}_{92}{}^{238}\mathrm{U}$ neutronami. Następny pierwiastek, pluton, uzyskano w wyniku bombardowania jąder uranu jądrami deuteru ${}_1{}^2\mathrm{H}$. Pluton – podobnie jak neptun – nie zawiera trwałych izotopów. Okres połowicznego zaniku najtrwalszego z nich wynosi ok. 80 mln lat. Łatwo się domyślić, że dalsze pierwiastki uzyskiwano w podobny sposób: ciężkie jądra bombardowano jądrami coraz to cięższych pierwiastków. Jednym z transuranowców jestkopernikkopernikkopernik (${}_{112}{}^{277}\mathrm{Cn}$). Powstał on w następującej reakcji:

Jego najstabilniejszym izotopem jest obecnie Indeks górny 285²⁸⁵Cn. Okresy połowicznego zaniku wszystkich izotopów kopernika są krótsze niż 9 minut.

Zadanie

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:
$X$ – jądro bombardowanego pierwiastka, tzw. tarcza;
$a$ – cząstka bombardująca;
$Y$ – jądro powstałe w czasie reakcji;
$b$ – 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 1935 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.

Zadanie podsumowujące moduł

Praca domowa

Słowniczek

Fryderyk Joliot-Curie-14Paryż-19Paryż

R1C9K4FUVhZ9A1

Frédéric Joliot-Curie

Fryderyk Joliot-Curie

19.03.1900 Paryż – 14.08.1958 Paryż

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-17Paryż-12Paryż

RQXZ0m9j0K9kD1

Irena Joliot-Curie

Irena Joliot-Curie

12.09.1897 Paryż – 17.03.1956 Paryż

Córka Marii Skłodowskiej‑CurieMaria Skłodowska‑CurieMarii Skłodowskiej‑Curie. Wraz z mężem FryderykiemFryderyk Joliot‑CurieFryderykiem otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii (za odkrycie powstawania par elektron–pozyton oraz za badania nad sztuczną promieniotwórczością).