Reakcje jądrowe - Zintegrowana Platforma Edukacyjna

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.

Rc7GDAuMSy6ZA

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. — Transmutacja metali w złoto, marzenie alchemików od setek lat, stała się faktem dzięki fizyce nuklearnej drugiej połowy XX wieku. Pierwsze udane próby w tym zakresie wywołały nawet pewną panikę na rynkach cennych kruszców, ale na szczęście dla inwestorów i ekonomii okazało się, że produkowanie złota w akceleratorach cząstek i reaktorach nuklearnych jest zbyt kosztowne.
Źródło: Bullion Vault, dostępny w internecie: https://www.flickr.com/ [dostęp 25.05.2022], licencja: CC BY-ND 2.0.

Przed przystąpieniem do zapoznania się z tematem, należy znać poniższe zagadnienia

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 gammaDKUi7BojuPromieniowanie jądrowe alfa, beta i gamma oraz Przemiany jądroweD5AZrZPicPrzemiany jądrowe.

Nauczysz się

opisywać reakcje jądrowe jako efekt bombardowania jąder atomów poruszającymi się cząstkami.

Pierwszą reakcję jądrową przeprowadził Ernest Rutherford [ernest radefed] w $1919$ r. – bombardował gazy cząsteczkami alfa, których źródłem był izotop polonu ${}_{84}^{214}{Po}$ . 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:

a + X \to b + Y

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:

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

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 $17$ Indeks górny koniec $O$ , powstaje niestabilne jądro fluoru Indeks górny $18$ Indeks górny koniec $F$ , które się rozpada i wyrzuca proton, jak na poniższej animacji.

RoaEOOccownp2

Reakcje jądrowe
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o.

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 $18$ ( $14$ od jądra azotu i $4$ od cząstki alfa),
- liczba protonów wynosiła $9$ ( $7$ w jądrze azotu i $2$ w cząsteczce alfa),
- ładunek wynosił $9 e$ .
Po zderzeniu
- liczba nukleonów wynosiła $18$ ( $17$ od jądra tlenu i $1$ proton swobodny),
- liczba protonów wynosiła $9$ ( $8$ w jądrze azotu i $1$ proton swobodny),
- ładunek wynosił $9 e$ .

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 $α$ . Reakcję tę można zapisać następująco:

{}_{13}^{27}{Al} + {}_{2}^{4}α \to {}_{15}^{30}P + {}_{0}^{1}n

Izotop fosforu Indeks górny $30$ Indeks górny koniec $P$ jest nietrwały i zachodzi w nim rozpad $β$ , jednak cząstka, która jest emitowana, to nie elektron, ponieważ ma ona ładunek dodatni. Mówimy wówczas, że zaszedł rozpad $β^{+}$ , a cząstkę tę nazywamy pozytonempozytonpozytonem, który jest antycząstką elektronu. Czas połowicznego rozpadu niestabilnego izotopu ${}^{30}P$ wynosi ok. $150$ sekund. Izotop ten rozpada się na stabilne jądro krzemu i wspomniany już pozyton:

{}_{15}^{30}P \to {}_{14}^{30}{Si} + {}_{1}^{0}β

Reakcja powstawania sztucznego izotopu fosforu odkryta została w $1934$ r. przez FryderykaFryderyk Joliot‑CurieFryderyka i Irenę 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 $β^{+}$ .

Ciekawostka

W jednej z reakcji jądrowych odkryto neutron. Chadwick [czadłyk] w $1932$ r. bombardował jądra berylu cząstkami $α$ i jako produkt tej reakcji zidentyfikował cząstkę, która nie zawierała ładunku. Tą cząstką był neutron. Reakcję tę można zapisać następująco:

{}_{4}^{9}{Be} + {}_{2}^{4}α \to {}_{6}^{12}C + {}_{0}^{1}n

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

{}_{80}^{198}{Hg} + {}_{0}^{1}n \to {}_{79}^{198}{Au} + {}_{1}^{1}p

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

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

Jedynym niepromieniotwórczym izotopem złota, który występuje w przyrodzie, jest ${}^{197}{Au}$ . Czy ten izotop można otrzymać sztucznie?

Otrzymamy go, kiedy zbombardujemy izotop ${}^{197}{Hg}$ neutronami. Ale i tu pojawia się problem: izotop ${}^{197}{Hg}$ musielibyśmy wytworzyć w reaktorze, a do tego celu niezbędny jest izotop ${}^{196}{Hg}$ , którego w przyrodzie jest bardzo mało.

Rx99IoR7ueWtD

Ilustracja przedstawia wykres kołowy. Nad wykresem widnieje napis: Skład izotopowy rtęci występującej w naturze. Na wykresie różnymi kolorami zaznaczono siedem wycinków. Na każdym z nich znajduje się oznaczenie izotopu rtęci wraz z podaną procentową zawartością. Rtęć‑dwieście dwa, dwadzieścia dziewięć i osiemdziesiąt sześć setnych procenta. Rtęć‑dwieście, dwadzieścia trzy i jedna dziesiąta procenta. Rtęć‑sto dziewięćdziesiąt dziewięć, szesnaście i osiemdziesiąt siedem setnych procenta. Rtęć‑dwieście jeden, trzynaście i osiemnaście setnych procenta. Rtęć‑sto dziewięćdziesiąt osiem, dziewięć i dziewięćdziesiąt siedem setnych procenta. Rtęć‑dwieście cztery, sześć i osiemdziesiąt siedem setnych procenta. Rtęć‑sto dziewięćdzisiąt sześć, piętnaście setnych procenta. — Izotop rtęci Hg‑196 to tylko 0,15% ilości wagowej rtęci występującej w naturze
Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, licencja: CC BY 3.0.

A co z izotopem ${}^{199}{Hg}$ ? Po pochłonięciu neutronu przekształci się on w rtęć ${}^{200}{Hg}$ , a nie w oczekiwaną „złototwórczą” rtęć ${}^{197}{Hg}$ .

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 MendelejewaTablica Mendelejewa początkowo zawierała pierwiastki do liczby porządkowej $92$ ( ${}_{92}U$ ). Badanie reakcji jądrowych doprowadziło jednak do wniosku, że istnieją jeszcze cięższe jądra. Nazywamy je transuranowcamitransuranowcetransuranowcami. Pierwszym pierwiastkiem otrzymanym po uranie był neptun (jego nazwa pochodzi od planety Układu Słonecznego – kolejnej po Uranie). W sumie odkryto $22$ izotopy neptunu; wszystkie one są promieniotwórcze. Najtrwalszy izotop neptunu to ${}_{93}^{237}{Np}$ , którego okres połowicznego zaniku wynosi ok. $2, 2 \cdot 10^{6}$ lat. Izotop ten powstaje w wyniku bombardowania jąder uranu ${}_{92}^{238}U$ neutronami. Następny pierwiastek, pluton, uzyskano w wyniku bombardowania jąder uranu jądrami deuteru ${}_{1}^{2}H$ . 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 jest kopernikkopernikkopernik ${}_{112}^{277}{Cn}$ . Powstał on w przebiegu następującej reakcji:

{}_{82}^{208}{Pb} + {}_{30}^{70}{Zn} \to {}_{112}^{277}{Cn} + {}_{0}^{1}n

Jego najstabilniejszym znanym izotopem jest obecnie ${}^{285}{Cn}$ . Okresy połowicznego zaniku wszystkich izotopów kopernika są krótsze niż $9$ minut.

in0uISqRBO_d5e272

Zadanie

Polecenie 1

Atomy azotu ${}_{7}^{14}N$ bombardowane deuterem ${}_{1}^{2}H$ tworzą węgiel ${}_{6}^{12}C$ . Zapisz równanie tej reakcji jądrowej. Jakie cząstki są emitowane podczas tej reakcji?

R1D4dKaFFkObx

${}_{7}^{14}N + {}_{1}^{2}H \to {}_{6}^{12}C + {}_{2}^{4}α$

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:
${}_{7}^{14}N + {}_{2}^{4}α \to {}_{8}^{17}O + {}_{1}^{1}p$
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:
$a + X \to b + Y$
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.

Zadania podsumowujące moduł

R1TDiBIbW1zqa11

Ćwiczenie 1

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.	□	□

Polecenie 2

Atomy siarki ${}_{16}^{32}S$ , bombardowane neutronami, przekształcają się w atomy fosforu ${}_{15}^{32}P$ . Zapisz równanie tej reakcji.

Roqd3oIdlMRdC

${}_{16}^{32}S + {}_{0}^{1}n \to {}_{15}^{32}P + {}_{1}^{1}p$

Polecenie 3

Zidentyfikuj cząstki lub pierwiastki $X$ , $Y$ i $Z$ w poniższym zapisie reakcji jądrowej:

X + {}_{7}^{14}N \to {}_{5}^{11}Y + {}_{2}^{4}Z

RSlIKIrT1YePp

${}_{0}^{1}n + {}_{7}^{14}N \to {}_{5}^{11}B + {}_{2}^{4}α$

Polecenie 4

W wyniku zderzenia dwóch jąder deuteru możemy otrzymać albo izotop helu ${}_{2}^{3}{He}$ , albo izotop wodoru ${}_{1}^{3}H$ (tryt). Zapisz równania obu reakcji.

R1CNmOR59cTBA

${}_{1}^{2}H + {}_{1}^{2}H \to {}_{2}^{3}{He} + {}_{0}^{1}n$
${}_{1}^{2}H + {}_{1}^{2}H \to {}_{1}^{3}H + {}_{1}^{1}p$

Słownik

antycząstka

cząstka, która w stosunku do danej cząstki różni się jedną cechą, np. znakiem ładunku (elektron $β^{-}$ i pozyton $β^{+}$ ).

kopernik

sztucznie wytworzony pierwiastek należący do grupy transuranowców; jego najstabilniejszy izotop to ${}^{285}{Cn}$ .

pozyton

antycząstka elektronuelektronelektronu; ma taką samą masę co elektron i taką samą wartość ładunku o przeciwnym znaku.

sztuczny pierwiastek promieniotwórczy

pierwiastek będący wynikiem reakcji jądrowych wywołanych sztucznie przez bombardowanie jąder pierwiastków cząstkami alfa, beta, neutronami itd.

tablica Mendelejewa

patrz: układ okresowy pierwiastkówukład okresowyukład okresowy pierwiastków.

transuranowce

pierwiastki promieniotwórcze, których liczba atomowa $Z > 92$ , a więc w układzie okresowym zajmujące miejsca za uranem ( $Z = 92$ ). Zazwyczaj są uzyskiwane sztucznie w wyniku reakcji jądrowych (wyjątek stanowią neptun i pluton – ich śladowe ilości znaleziono w rudach uranowych).

elektron

trwała cząstka elementarna o ujemnym ładunku elektrycznym wynoszącym $1, 602 \cdot 10^{- 19} C$ .

układ okresowy

tabela będąca zestawieniem wszystkich znanych pierwiastków chemicznych, uporządkowanych zgodnie z rosnącą wartością ich liczby atomowej.

Fryderyk Joliot‑Curie14.08.1958Paryż19.09.1900Paryż

Rn6cwNEadJQbL

Czarno‑białe zdjęcie, prawy półprofil młodego mężczyzny. Mężczyzna ubrany w sztruksową marynarkę, spod której wystaje kawałek białej koszuli i zawiązanego pod kołnierzem krawata. Włosy ciemne, lśniące, zaczesane do tyłu. — Frédéric Joliot‑Curie
Źródło: Harcourt, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org, licencja: CC BY 4.0.

Fryderyk Joliot‑Curie

1900.09.19 Paryż – 1958.08.14 Paryż

[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‑Curie17.03.1956Paryż12.09.1897Paryż

RcqtsH4TbR5jb

Czarno‑białe zdjęcie - portret kobiety o gęstych brwiach, dużych oczach, wąskich ustach. Długie włosy zaczesane do tyłu i prawdopodobnie spięte, z przedziałkiem po środku. — Irena Joliot‑Curie
Źródło: Nobel foundation, dostępny w internecie: http://commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Irena Joliot‑Curie

1897.09.12 Paryż – 1956.03.17 Paryż

[żolju‑kiuri] 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).