Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Samorzutne przemiany jądrowe to cecha niektórych jąder atomowych. Czy człowiek może sam wywołać takie przemiany? Czy można zamienić rtęć w złoto? Jeśli chcecie wiedzieć więcej, czytajcie dalej.

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.
Już wiesz
  • wymienić rodzaje promieniowania jądrowego i podać ich właściwości;

  • podać definicję aktywności źródła promieniowania;

  • przedstawić definicję jednostki aktywności;

  • przytoczyć treść prawa rozpadu promieniotwórczego;

  • podać definicję czasu połowicznego rozpadu pierwiastków.

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

Pierwszą reakcję jądrową przeprowadził Ernest Rutherford w 1919 r. – bombardował gazy cząsteczkami alfa, których źródłem był izotop polonu Po84214. 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+Xb+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:

N+αO+p+11+817+24+714

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 17O, powstaje niestabilne jądro fluoru 18F, które się rozpada i wyrzuca proton:

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 α. Reakcję tę można zapisać następująco:

Al+αP+n01+1530+24+1327

Izotop fosforu 30P 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 nazywamypozytonem, który jest antycząstką elektronu. Czas połowicznego rozpadu niestabilnego izotopu 30P wynosi ok. 150 sekund. Izotop ten rozpada się na stabilne jądro krzemu i wspomniany już pozyton:

PSi+β+10+1430+1530

Reakcja powstawania sztucznego izotopu fosforu odkryta została w 1934 r. przezFryderyka iIrenę 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. W 1932 r. Chadwick 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:

Be+αC+n01+613+24+49
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 Hg80198 neutronami:

Hg+n01Au+79198+p+11+80198.

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

Au+79198Hg+e-10+80198.

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

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

Izotop rtęci Hg-196 to tylko 0,15% ilości wagowej rtęci występującej w naturze

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

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 Mendelejewa początkowo zawierała pierwiastki do liczby porządkowej 92 (U92). Badanie reakcji jądrowych doprowadziło jednak do wniosku, że istnieją jeszcze cięższe jądra. Nazywamy jetransuranowcami. 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 Np93237, którego okres połowicznego zaniku wynosi ok. 2,2·106 lat. Izotop ten powstaje w wyniku bombardowania jąder uranu U92238 neutronami. Następny pierwiastek, pluton, uzyskano w wyniku bombardowania jąder uranu jądrami deuteru H12. 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 jestkopernik (Cn112277). Powstał on w następującej reakcji:

Pb+82208+Zn+3070Cn+112277+n01

Jego najstabilniejszym izotopem jest obecnie 285Cn. Okresy połowicznego zaniku wszystkich izotopów kopernika są krótsze niż 9 minut.

Zadanie

Polecenie 1

Atomy azotu N714 bombardowane deuterem H12 tworzą węgiel C612. 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:

N+αO+p+11+817+24+714

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+Xb+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.

Zadanie podsumowujące moduł

Ćwiczenie 1

Praca domowa

Praca domowa
Polecenie 2.1

Atomy siarki S1632 bombardowane neutronami przekształcają się w atomy fosforu P1532. Zapisz równanie tej reakcji.

Polecenie 2.2

Zidentyfikuj cząstki lub pierwiastki X, YZ w poniższym zapisie reakcji jądrowej:

+ 714Y511+Z24
Polecenie 2.3

W wyniku zderzenia dwóch jąder deuteru możemy otrzymać albo izotop helu He23, albo izotop wodoru H13 (tryt). Zapisz równania obu reakcji.

Słowniczek

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 285Cn.

pozyton

– antycząstka elektronu; 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 pierwiastków.

transuranowce

– pierwiastki promieniotwórcze (Z > 92); w układzie okresowym zajmują miejsca powyżej uranu; zazwyczaj są uzyskiwane sztucznie w wyniku reakcji jądrowych (wyjątek stanowią neptun i pluton – ich śladowe ilości znaleziono w rudach uranowych).

Fryderyk Joliot-Curie

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

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

elektron

– trwała cząstka elementarna o ujemnym ładunku elektrycznym wynoszącym 1,602·10-19C.

układ okresowy

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