Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

W tym dziale przedstawiliśmy zbiór elementarnych wiadomości dotyczących budowy i właściwości jądra atomowego. Opisaliśmy procesy zwane przemianami promieniotwórczymi – rozpady jądrowe, reakcje jądrowe, rozszczepienia jądra. Przeanalizowaliśmy sposoby wyzwalania energii jądrowej i wyjaśniliśmy pojęcia deficytu masy i energii wiązania. Zdefiniowaliśmy okres połowicznego zaniku i sformułowaliśmy prawo rozpadu promieniotwórczego. Scharakteryzowaliśmy promieniowanie jądrowe i jonizujące. Opisaliśmy również sposoby ich wykrywania oraz to, jak można się przed nimi chronić.

Cały nasz świat istnieje dzięki energii jądrowej, ponieważ Słońce, które w rzeczywistości jest jednym wielkim reaktorem termonuklearnym, stanowi źródło ciepła niezbędnego do podtrzymania i rozwoju całego życia na Ziemi

1. Jądro atomu

  1. Jądrem atomowym nazywamy element znajdujący się w centralnej części atomu.

  2. Jądro atomowe jest bardzo małe (kilkadziesiąt tysięcy razy mniejszy od atomu).

  3. Jądro atomowe skupia praktycznie całą masę atomu.

  4. Jądro atomowe obdarzone jest ładunkiem dodatnim.

  5. Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, czyli nukleonów. Protony obdarzone są ładunkiem dodatnim, a neutrony są elektrycznie obojętne. Masy tych cząstek mają zbliżoną wartość.

  6. Skład jądra atomowego zapisujemy jako:

XZA

gdzie:
X – symbol chemiczny pierwiastka;
Z – liczba porządkowa zawierająca informację, o liczbie protonów w jądrze;
A – liczba masowa równa liczbie nukleonów w jądrze;
A-Z – liczba neutronów w jądrze.

Przykład 1

K1940  – jądro izotopu potasu zawiera 19 protonów i 21 neutronów, czyli razem 40 nukleonów.

2. Izotopy

Izotopy wodoru

Izotopami nazywamy odmiany atomów tego samego pierwiastka różniące się masą.

  1. Jądra izotopów mają taką samą liczbę protonów (liczba Z), różną liczbę neutronów, a tym samym różną liczbę masową (A).

  2. Izotopy danego pierwiastka mają takie same właściwości chemiczne, ale różne właściwości fizyczne.

  3. Pierwiastki naturalnie występujące w przyrodzie są mieszaniną wielu izotopów, choć poszczególne izotopy mogą mieć różny udział w tej mieszaninie. Przykładowo: w naturalnie występującym wodorze, będącym mieszaniną trzech izotopów: H11, H12, H13, pierwszy z nich stanowi 99,9% składu tego pierwiastka.

3. Defekt masy

m

Defektem (deficytem) masy nazywamy różnicę między sumą mas nukleonów (gdy są one poza jądrem) tworzących jądro a masą tego jądra.
Mj oznacza masę jądra o liczbie masowej A i liczbie porządkowej Z.
Suma mas jego składników to:

Z·mprotonu+A-Z·mneutronu

Defekt masy to:

m= Z·mprotonu+A-Z·mneutronu-Mj

4. Energia wiązania

Zasada równoważności masy i energii
  1. Między nukleonami działają siły jądrowe. Siły te:

    • nie zależą od ładunku elektrycznego;

    • mają dużą wartość (znacznie większą od sił grawitacyjnych i elektrostatycznych);

    • mają krótki zasięg (działają na małych odległościach).

  2. W wyniku działania sił jądrowych nukleony są ze sobą związane. O tym, jak silne jest to wiązanie, mówi nam energia wiązania – jest ona równa pracy, jaką należy wykonać, aby rozłożyć jądro na pojedyncze nukleony.

  3. Obliczenie energii wiązania umożliwia zasada równoważności masy i energii:
    E =m·c2

    ,
    gdzie:
    m – masa;
    c – prędkość światła w próżni;
    E – energia, jaką można uzyskać z masy m.

  4. Energia wiązania jest równa energii równoważnej deficytowi masy: Ewiązania=m·c2

  5. Energia wiązania jądra rośnie wraz z liczbą masową atomu.

  6. Ważną charakterystyką jądra każdego izotopu dowolnego pierwiastka jest energia wiązania przypadająca na jeden nukleon.

5. Promieniowanie jądrowe

Promieniowanie emitowane przez substancje zawierające niestabilne jądra izotopów naturalnych podzielono na trzy kategorie: α, βγ.

  1. Promieniowanie α to strumień cząstek, składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów (a więc tak samo jak jądra helu). Ładunek cząstki α wynosi +2 e (e – ładunek elementarny). Charakteryzuje się niską przenikliwością – jego zasięg w powietrzu nie przekracza 10 cm. Promieniowane α ma właściwości jonizujące i jego kontakt z żywą tkanką prowadzi do jej uszkodzeń.

  2. Promieniowanie β to strumień elektronów, którego przenikliwość jest większa niż cząstek alfa – rozchodzi się na odległość nawet do kilku metrów. Ma własności jonizujące, podobnie jak promienie α.

  3. Promieniowanie γ jest falą elektromagnetyczną o długości mniejszej lub równej długości fal promieniowania rentgenowskiego. Jest to promieniowanie najbardziej przenikliwe; w powietrzu rozchodzi się na odległość od kilku do kilkunastu metrów, a w wodzie – na ponad 1 metr. Jest promieniowaniem jonizującym.

Promieniowanie emitowane przez substancje zawierające niestabilne jądra izotopów naturalnych podzielono na trzy kategorie: α, β i γ.

Ponadto jądra sztucznie wytworzonych izotopów mogą emitować:

  1. Cząstki β+ – pozytony, czyli dodatnie elektrony. Zasięg ich nie jest duży, ale pozytony w wyniku zderzania się z elektronami ulegają anihilacji i powstaje wtedy promieniowanie gamma.

  2. Neutrony – przenikliwe, obojętne elektrycznie cząstki. Neutrony łączą się z jądrami atomów i przekształcają je w niestabilne jądra promieniotwórcze.

  3. Protony (p) – dodatnio naładowane cząstki o właściwościach zbliżonych do promieniowania α, jednak znacznie bardziej od nich przenikliwe.

6. Dawka promieniowania

Aby określić parametry promieniowania i skalę efektów wywołanych przez promieniowanie w ośrodku materialnym, wprowadzono następujące definicje:

  1. Aktywność preparatu promieniotwórczego (A) – liczba jąder promieniotwórczych ulegających przemianom jądrowym w ciągu sekundy. Jednostką aktywności preparatu promieniotwórczego jest bekerel (Bq =1/s). A=1 Bq oznacza jeden rozpad jądra w ciągu sekundy.

  2. Dawka pochłonięta (D) – energia promieniowania pochłonięta przez jednostkę masy substancji. Jednostką dawki pochłoniętej jest grej (Gy); D=EmGy=Jkg.

  3. Równoważnik dawki (H) – iloczyn dawki pochłoniętej (D) i współczynnika jakości promieniowania (Q). Służy do oceny wpływu promieniowania na układy biologiczne. Jednostką równoważnika dawki jest siwert (Sv); H= Q·Sv.

  4. Współczynnik jakości (Q) jest definiowany przez porównanie skutków danego rodzaju promieniowania ze skutkami promieniowania wzorcowego o tej samej dawce pochłoniętej. Wartość współczynnika jakości mieści się w zakresie od 1 do 25.

7. Okres połowicznego rozpadu

T1/2
  1. Okres (czas) połowicznego rozpadu (zaniku) – czas, po którym z początkowej liczby jąder promieniotwórczych pozostanie połowa z nich.

  2. Okres połowicznego rozpadu oznaczany jest symbolem T1/2 lub T. Jest wielkością charakterystyczną dla konkretnego izotopu pierwiastka.

  3. Okres połowicznego rozpadu może przyjmować wartości od ułamków mikrosekundy do miliardów lat.

  4. Przykładowo: okres połowicznego rozpadu radonu Rn222 wynosi 4 dni. Oznacza to, że po upływie 4 dni zostanie tylko połowa początkowej liczby jąder tego gazu, po upływie kolejnych 4 dni – połowa z połowy, czyli jedna czwarta, a po następnych 4 dniach – połowa z jednej czwartej itd.

8. Prawo rozpadu promieniotwórczego

Rozpad promieniotwórczy

Rozpad jąder promieniotwórczych ma charakter przypadkowy i podlega prawom statystyki. Oznacza to, że jeśli znamy okres połowicznego zaniku, możemy oszacować, jaka liczba jąder rozpadnie się w pewnym przedziale czasu. Nie możemy jednak przewidzieć, które z tych jader się rozpadną i kiedy rozpadnie się jedno konkretne jądro. Poniższe równanie, zwane prawem rozpadu promieniotwórczego, pozwala obliczyć liczbę jąder promieniotwórczych, które pozostały po upływie czasu (t):

Nt=N0·2-tT1/2

gdzie:
N0 – początkowa liczba jąder;
T1/2 – okres połowicznego zaniku.

9. Przemiany jądrowe

Emisja cząstki α

Emisja promieniowania jądrowego jest następstwem przemian zachodzących w jądrach atomów. Przemiany te opisuje się za pomocą równań podobnych do równań reakcji chemicznych, choć rozpady promieniotwórcze nie są reakcjami chemicznymi, lecz procesami fizycznymi.
Wszystkie przemiany jądrowe odbywają się z zachowaniem następujących zasad:

  1. Zasada zachowania liczby nukleonów – suma liczby nukleonów we wszystkich produktach rozpadu jest równa liczbie nukleonów przed rozpadem.

  2. Zasada zachowania ładunku – suma ładunków w produktach rozpadu jest po rozpadzie taka sama jak przed rozpadem.

  3. Zasada masy i energii – suma mas i energii po rozpadzie jest taka sama jak przed rozpadem.

Rozpad α polega na wyrzuceniu z wnętrza jądra cząstki złożonej z dwóch protonów i dwóch neutronów. Tę cząstkę nazywamy cząstką α. W efekcie powstaje jądro innego pierwiastka, którego liczba masowa jest mniejsza o 4, a liczba porządkowa – o 2.

α24+YZ-2A-4ZA

Rozpad β- polega na emisji elektronu z wnętrza jądra. Związane jest to z przekształceniem się jednego z neutronów w proton. W rezultacie proton pozostaje w jądrze, którego liczba porządkowa wzrasta o 1, a jądro jednocześnie zachowuje poprzednią wartość liczby masowej. Jądro ulega przemianie w nowe jądro.

e-10+p11+ν~e01
e-10+YZ+1A+ν~eZA

Rozpad β+ polega na emisji pozytonu (antyelektronu) z wnętrza jądra. Związane to jest z przekształceniem się jednego protonu w neutron, który pozostaje w jądrze.

e10+n01+νe01
e10+YZ-1A+νeZA

Rozpad γ przemiana, której podlega jądro znajdujące się w stanie wzbudzonym. W takim jądrze znajduje się nadmiar energii; aby się go pozbyć, jądro wysyła foton promieniowania γ. W wyniku tej przemiany skład jądra się nie zmienia. Przemiana ta często następuje po wcześniejszej przemianie β.

X* γ00+YZAZA

10. Reakcje jądrowe

Bombardowanie jąder atomów strumieniem cząstek alfa, protonów lub neutronów (a obecnie często jądrami innych atomów) oraz promieniowaniem gamma prowadzi do przekształcenia tych cząstek w jądra innych pierwiastków. Temu procesowi towarzyszy emisja promieniowania. Takie sprowokowane przemiany jądrowe nazywamy reakcjami jądrowymi. Można je zapisać za pomocą wzoru:

a+X b+Y

gdzie:
a – cząstka (pocisk) padającego promieniowania;
X – atom bombardowany (tarcza);
Y – powstałe jadro;
b – promieniowanie emitowane.

Przykłady:

Przykład 2
He24+Al1327P+n011530

lub

Przykład 3
Pb+ZnCn+n01112277307082208

Takie reakcje wykorzystywane są do produkcji syntetycznych nuklidów promieniotwórczych wykorzystywanych w przemyśle, medycynie i technice. Dzięki drugiej z pokazanych reakcji wytworzono nowy pierwiastek – kopernik (Cn).

11. Rozszczepienie jądra atomowego

Rozszczepienie jąder ciężkich (w praktyce są to jądra uranu lub plutonu) na dwa lżejsze jądra to jeden ze sposobów wyzwalania energii jądrowej. Proces ten inicjowany jest bombardowaniem jąder ciężkich neutronami termicznymi. Neutron dołączony do jądra sprawia, że staje się ono niestabilne i w efekcie prowadzi do rozerwania jądra na dwa mniejsze. Podczas takiego procesu uwalniana jest energia oraz 2 lub 3 neutrony, które mogą inicjować rozszczepienie kolejnych jąder.
Przykładowy proces rozszczepienia jądra plutonu wygląda następująco:
Pu+n0194239Ba+Sr+2n01389456144

12. Reakcja łańcuchowa

  1. Reakcja łańcuchowa zachodzi samorzutnie; składają się na nią zachodzące kolejno reakcje rozszczepienia. Każda reakcja rozszczepienia wytwarza co najmniej dwa neutrony; cząstki te bombardują sąsiednie jądra. Neutrony zostają pochłonięte przez jądra, które się rozpadają i wytwarzają następne neutrony. Proces zachodzi lawinowo w całej objętości substancji.

  2. Reakcji łańcuchowej towarzyszy wydzielanie olbrzymich ilości energii będącej skutkiem deficytu masy. W wyniku reakcji rozszczepienia jednego jądra uranu wydziela się energia wynosząca około 200 MeV.

  3. Reakcja łańcuchowa nie zachodzi w każdych warunkach. Materiał rozszczepialny musi przekroczyć masę krytyczną. Jej istnienie jest spowodowane ucieczką neutronów poza objętość substancji; masa krytyczna zależy więc od rozmiarów i kształtu substancji.

13. Elektrownia jądrowa

  1. Elektrownie jądrowe działają podobnie jak konwencjonalne elektrownie cieplne; różnica polega na sposobie uzyskiwania energii.

  2. Energię cieplną wytwarzaną przez reaktor elektrownie jądrowe wykorzystują do zamiany wody w parę wodną. Ta napędza wirniki turbin i tak powstaje prąd elektryczny.

  3. Reaktor jądrowy (zwany też dawniej stosem atomowym) jest urządzeniem przeznaczonym do sterowania przebiegiem reakcji jądrowych.

Elementy budowy reaktora jądrowego

Nazwa

Funkcja

Najczęściej stosowane materiały

paliwo

materiał rozszczepialny

wzbogacony uran, pluton

moderator

spowalnia neutrony bez ich pochłaniania

woda, ciężka woda, grafit, beryl

reflektor

kieruje neutrony ponownie do rdzenia

grafit

chłodziwo

odprowadza ciepło z rdzenia reaktora

woda, powietrze, ciekły sód

pręty kontrolne i pręty bezpieczeństwa

silnie pochłaniają neutrony

kadm, bor

osłona biologiczna

chroni otoczenie przed promieniowaniem

beton zawierający dużo boru

14. Synteza termojądrowa

Synteza termojądrowa to jeden ze sposobów wyzwalania energii jądrowej. Polega na łączeniu się lekkich jąder atomów w jądra cięższe. Aby zapoczątkować taki proces, należy jądra lekkie zbliżyć do siebie na tak małą odległość, aby zaczęły działać siły jądrowe. Aby pokonać siły elektrostatycznego odpychania, które się wytworzyły w wyniku zbliżania jąder, trzeba rozpędzić lekkie jądra i zderzyć je ze sobą. Taki proces zachodzi wyłącznie w bardzo wysokiej temperaturze (ponad milion kelwinów) – dlatego w nazwie reakcji znajduje się przedrostek „termo”.
Procesy syntezy termojądrowej zachodzą:

– we wnętrzach gwiazd, również w naszym Słońcu;
– w bombach wodorowych;
– w reaktorach termojądrowych (jak dotąd tylko eksperymentalnych, niemających zastosowań przemysłowych).

15. Detekcja promieniowania

Urządzenia służące do wykrywania i rejestrowania promieniowania jądrowego (jonizującego) nazywamy detektorami cząstek. Najczęściej są to urządzenia wykorzystujące:

– jonizację gazu (komora jonizacyjna, komora Wilsona, komora pęcherzykowa, licznik Geigera‑Müllera);
– pobudzanie pewnych substancji do świecenia (licznik scyntylacyjny);
– reakcje chemiczne (emulsja fotograficzna).

16. Promieniotwórczość w technice i medycynie

Sztuczna promieniotwórczość znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach:

  1. Energetyka – elektrownie, baterie jądrowe (używane np. do rozruszników serca).

  2. Medycyna – radioizotopy, znaczniki do badań diagnostycznych, leczenie chorób nowotworowych (bomba kobaltowa), akceleratory.

  3. Nauka – określanie wieku znalezisk archeologicznych metodą datowania radiowęglowego (datowanie izotopem 14C), analiza aktywacyjna (bardzo czuła metoda badania składu pierwiastkowego próbki).

  4. Technika – silniki atomowe okrętów i statków kosmicznych, precyzyjne grubościomierze, świecące farby, czujniki dymu.

  5. Przemysł – wykrywanie defektów w elementach silników samolotowych, sterylizacja żywności i sprzętu medycznego, kontrola terminu ważności produktów.

Test

Ważne!

Przed rozpoczęciem rozwiązywania testu przygotuj kartkę i przybory do pisania.

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6
Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8
Ćwiczenie 9
Ćwiczenie 10
Ćwiczenie 11
Ćwiczenie 12
Ćwiczenie 13
Ćwiczenie 14
Ćwiczenie 15

Zadania

Polecenie 1

Oblicz energię wiązania jądra litu Li37. Przyjmij, że jego masa wynosi 11,647·10-27 kg,
masa protonu jest równa 1,673·10-27 kg, a masa neutronu to 1,675·10-27 kg. Prędkość światła w próżni wynosi 3·108 m/s.

Polecenie 2

Okres połowicznego zaniku izotopu jodu stosowanego do badania tarczycy wynosi 8 dni. Oblicz, po ilu dniach aktywność preparatu podanego badanej osobie zmaleje 8 razy. Pomiń ubytek preparatu związany z jego wydalaniem go z organizmu.

Polecenie 3

Drewniany posążek znaleziony przez archeologów zawierał 4 razy mniej węgla C14 niż próbka drewna pobrana z rosnącego obecnie drzewa. Oblicz wiek drewna, z którego wykonano posążek. Czas połowicznego zaniku węgla znajdź w dostępnych ci źródłach.

Polecenie 4

W opisie atomów i cząstek mniejszych od atomu masę wyraża się nie w kilogramach, ale w jednostkach masy atomowej (po angielsku unit), oznaczanych literą „u” (1 u=1,66·10-27 kg). Oblicz deficyt masy jądra sodu Na1123. Masa tego jądra wynosi 22,9898 u, masa protonu jest równa 1,0073 u, a masa neutronu ma wartość 1,0087 u. Obliczoną wartość deficytu masy podaj w kilogramach.

Polecenie 5

Tytoń, z którego produkuje się papierosy, zawiera dwa podstawowe izotopy promieniotwórcze: ołów  Pb82210 i polon Po84210.

  1. Podczas palenia papierosa polon, ulega sublimacji i prawie w całości przechodzi w dym papierosowy (popiół nie wykazuje aktywności promieniotwórczej). Aktywność promieniotwórcza dymu powstałego ze spalenia paczki papierosów wynosi około 200 mBq. Ile cząstek alfa emituje taki dym średnio w ciągu minuty?

  2. Wymień, jakie narządy palacza narażone są na działanie tego promieniowania.

  3. Gdyby aktywność dymu zmniejszyć czterokrotnie, to dawka promieniowania pochłaniana w ciągu roku przez osobę wypalającą dwie paczki papierosów dziennie osiągnęłaby wartość porównywalną z tą, jaką pochłonęli mieszkańcy wschodnich terenów Polski po katastrofie w Czarnobylu. Oblicz czas, po którym aktywność dymu zmalałaby cztery razy (zakładamy, że dym nie ulatnia się z pojemnika, w którym go przetrzymujemy do celów badawczych). Czas połowicznego zaniku dla izotopu  Po84210 wynosi T1/2= 138,4 dnia.