Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Diagram N‑Z (neutronowo‑protonowy)

jest graficzną prezentacją składu jąder atomowych oraz ich podstawowych cech na tle dwóch osi. Oś pozioma wskazuje liczbę neutronów N, zaś pionowa liczbę protonów Z, z których „planujemy” utworzyć jądro atomowe.

Kolorowy obszar na diagramie obejmuje wszystkie znane dziś jądra atomowe (około 3500), stabilne (252) i niestabilne. W przyjętym zakresie N (do niecałych 180) oraz Z (do 118 - taką liczbę atomową ma ostatni zatwierdzony pierwiastek w układzie okresowym) jest jednak miejsce na ponad 21 tysięcy kombinacji (N; Z). Oznacza to, że ogromna większość tych kombinacji (niemal 85%) nie odpowiada jądrom atomowym.

1
Polecenie 1

Zapoznaj się z opisem każdego z siedmiu obszarów, na jaki schematycznie podzielony został diagram. Zwróć uwagę na kryteria zastosowane do dokonania tego podziału.

Przemyśl różnicę pomiędzy jądrami atomowymi stabilnymi, niestabilnymi (promieniotwórczymi) oraz układami protonów i neutronów, niebędącymi jądrami atomowymi. Pomocne mogą w tym być materiały: „Opisujemy rozpady alfa”, „Opisujemy przemianę beta ” oraz „Opisujemy przemianę beta + ”.

RUob1gDNTKYPe
Na rysunku jest wykres, zwany diagramem neutronowo-protonowym. Na osi poziomej zaznaczona jest liczba neutronów N, na osi pionowej liczba protonów Z. Cały obszar wykresu zajmuje barwny prostokąt, którego bokami są osie - pozioma i pionowa. Prostokąt podzielony jest na obszary w różnych kolorach. Trzy obszary to pasy zbiegające się w punkcie przecięcia osi. Pasy biegną łagodnym łukiem, opadającym w prawo w dół, w pobliżu przekątnej prostokąta. Pasy zwężają się w miarę zbliżania się do punktu przecięcia osi.

Po środku jest zielony pas zaczynający się w punkcie przecięcia osi, a kończący się nieco dalej niż środek prostokąta. Na pasie zielonym jest cyfra 1. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Ścieżka stabilności”: Zielony obszar na rysunku to tak zwana ścieżka stabilności. Leżą na niej 252 jądra atomowe, które są stabilne; nie podlegają żadnym samoistnym przemianom. Obszar jąder stabilnych jest ograniczony wartością Z = 82 (izotopy ołowiu). Jądra atomowe o Z > 82 są wszystkie niestabilne.

Kontynuacją pasa zielonego jest krótki pas żółty zaczynający się tam, gdzie kończy się zielony pas i biegnący do wierzchołka prostokąta leżącego naprzeciwko punktu przecięcia osi. Na pasie żółtym jest cyfra 4. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Na przedłużeniu ścieżki stabilności”: Występują tu jądra niestabilne, ale nie tylko za względu na przemiany β , jak w obszarach 2. (czerwonym) i 3. (niebieskim). Żółty obszar pokazuje jądra podlegające przemianie α . Czasy połowicznego zaniku jąder w obszarze 4. są bardzo różne. Znamy obecnie dwie "wyspy stabilności” – leżą one na przedłużeniu zielonego obszaru, w okolicach Z = 90 oraz Z = 112. Nazwa może być nieco myląca, bo zawierają one jądra atomowe niestabilne. Jednak czasy połowicznego ich zaniku bywają zaskakująco długie: w pierwszej wyspie nawet do miliardów lat, zaś w drugiej do niecałej godziny.

Poniżej pasa zielonego jest pas granatowy zaczynający się w punkcie przecięcia osi, a kończący się na prawej krawędzi prostokąta. Na pasie granatowym jest cyfra 3. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Poniżej ścieżki stabilności”: Jeśli jądro zawiera niewielką nadwyżkę neutronów w porównaniu z wymogami stabilności (obszar zielony), to odnajdziemy je w obszarze 3. (niebieskim). Takie jądra są niestabilne, podlegają przemianie β . Nazywamy je jądrami neutrononadmiarowymi.

Powyżej pasa zielonego jest pas czerwony zaczynający się w punkcie przecięcia osi, a kończący się na górnej krawędzi prostokąta. Na pasie czerwonym jest cyfra 2. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Powyżej ścieżki stabilności”: Jeśli jądro zawiera niewielką nadwyżkę protonów w porównaniu z wymogami stabilności (obszar zielony), to odnajdziemy je w obszarze 2. (czerwonym). Takie jądra są niestabilne, podlegają przemianie β + . Nazywamy je jądrami protononadmiarowymi.

Obszar nad pasami, sąsiadujący z lewym górnym wierzchołkiem prostokąta, jest pomarańczowy. Znajduje się na nim cyfra 6. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst” Układy niezwiązane - za dużo protonów”: Zdecydowana większość kombinacji (N; Z) nie prowadzi do powstania jądra atomowego. Nukleony w zupełnie niedobranych proporcjach nie tworzą nawet niestabilnych układów związanych, jak w obszarze 2. Gdybyśmy spróbowali je upakować, to rozsypałyby się one.

(Znamy jeden wyjątek od tej zasady – to powstanie gwiazdy neutronowej – więcej o tym piszemy przy obszarze 7.) W obszarze 6. stan związany nie powstaje ze względu na skrajny nadmiar protonów.

Obszar pod pasami, sąsiadujący z prawym dolnym wierzchołkiem prostokąta, jest niebieski. Znajduje się na nim cyfra 7. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Układy niezwiązane - za dużo neutronów”: Zdecydowana większość kombinacji (N; Z) nie prowadzi do powstania jądra atomowego. Nukleony w zupełnie niedobranych proporcjach, gdy panuje wśród nich nadmiar neutronów, nie tworzą nawet niestabilnych układów związanych, jak w obszarze 3. Jest jednak niezmiernie ciekawy wyjątek od tej zasady. Gdy w jądrze gwiazdy brakuje już paliwa na reakcje termojądrowe, to zapada się ono pod własnym ciężarem. Jeśli dodatkowo jest ono wystarczająco masywne, to może przekroczyć próg tzw. neutronizacji materii. Proces ten polega na wymuszonym łączeniu się protonów z elektronami, wskutek czego masowo powstają neutrony (te pozostają w jądrze gwiazdy) oraz neutrina (te ulatują z wnętrza gwiazdy). W efekcie powstaje obiekt zwany gwiazdą neutronową. Składa się on niemal w 100% z neutronów, z niewielką domieszką protonów i elektronów. Jego stabilność wynika jednak z dominującego w tych warunkach oddziaływania grawitacyjnego między neutronami.

Jeszcze dalej za ścieżką stabilności: Jest to obszar niezbadany eksperymentalnie. Istnieją w nim jądra atomowe – tak teoretycznie przypuszczamy. Wszystkie one powinny być niestabilne, podlegając przede wszystkim przemianom α oraz β .
Przewidujemy także istnienie kolejnych wysp stabilności, ale ich odkrycie, zbadanie i udokumentowanie to sprawa dla Twojego pokolenia...
Diagram neutronowo‑protonowy pokazuje podział układów nukleonów, w tym jąder atomowych, na charakterystyczne grupy.
Służy m.in. do uszeregowania wszystkich zbadanych eksperymentalnie jąder atomowych

Na rysunku jest wykres, zwany diagramem neutronowo‑protonowym. Na osi poziomej zaznaczona jest liczba neutronów N, na osi pionowej liczba protonów Z. Cały obszar wykresu zajmuje barwny prostokąt, którego bokami są osie - pozioma i pionowa. Prostokąt podzielony jest na obszary w różnych kolorach. Trzy obszary to pasy zbiegające się w punkcie przecięcia osi. Pasy biegną łagodnym łukiem, opadającym w prawo w dół, w pobliżu przekątnej prostokąta. Pasy zwężają się w miarę zbliżania się do punktu przecięcia osi.

Po środku jest zielony pas zaczynający się w punkcie przecięcia osi, a kończący się nieco dalej niż środek prostokąta. Na pasie zielonym jest cyfra 1. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Ścieżka stabilności”: Zielony obszar na rysunku to tak zwana ścieżka stabilności. Leżą na niej 252 jądra atomowe, które są stabilne; nie podlegają żadnym samoistnym przemianom. Obszar jąder stabilnych jest ograniczony wartością Z = 82 (izotopy ołowiu). Jądra atomowe o Z > 82 są wszystkie niestabilne.

Kontynuacją pasa zielonego jest krótki pas żółty zaczynający się tam, gdzie kończy się zielony pas i biegnący do wierzchołka prostokąta leżącego naprzeciwko punktu przecięcia osi. Na pasie żółtym jest cyfra 4. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Na przedłużeniu ścieżki stabilności”: Występują tu jądra niestabilne, ale nie tylko za względu na przemiany β , jak w obszarach 2. (czerwonym) i 3. (niebieskim). Żółty obszar pokazuje jądra podlegające przemianie α . Czasy połowicznego zaniku jąder w obszarze 4. są bardzo różne. Znamy obecnie dwie „wyspy stabilności” – leżą one na przedłużeniu zielonego obszaru, w okolicach Z = 90 oraz Z = 112. Nazwa może być nieco myląca, bo zawierają one jądra atomowe niestabilne. Jednak czasy połowicznego ich zaniku bywają zaskakująco długie: w pierwszej wyspie nawet do miliardów lat, zaś w drugiej do niecałej godziny.

Poniżej pasa zielonego jest pas granatowy zaczynający się w punkcie przecięcia osi, a kończący się na prawej krawędzi prostokąta. Na pasie granatowym jest cyfra 3. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Poniżej ścieżki stabilności”: Jeśli jądro zawiera niewielką nadwyżkę neutronów w porównaniu z wymogami stabilności (obszar zielony), to odnajdziemy je w obszarze 3. (niebieskim). Takie jądra są niestabilne, podlegają przemianie β . Nazywamy je jądrami neutrononadmiarowymi.

Powyżej pasa zielonego jest pas czerwony zaczynający się w punkcie przecięcia osi, a kończący się na górnej krawędzi prostokąta. Na pasie czerwonym jest cyfra 2. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Powyżej ścieżki stabilności”: Jeśli jądro zawiera niewielką nadwyżkę protonów w porównaniu z wymogami stabilności (obszar zielony), to odnajdziemy je w obszarze 2. (czerwonym). Takie jądra są niestabilne, podlegają przemianie β + . Nazywamy je jądrami protononadmiarowymi.

Obszar nad pasami, sąsiadujący z lewym górnym wierzchołkiem prostokąta, jest pomarańczowy. Znajduje się na nim cyfra 6. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst” Układy niezwiązane - za dużo protonów”: Zdecydowana większość kombinacji (N; Z) nie prowadzi do powstania jądra atomowego. Nukleony w zupełnie niedobranych proporcjach nie tworzą nawet niestabilnych układów związanych, jak w obszarze 2. Gdybyśmy spróbowali je upakować, to rozsypałyby się one.

(Znamy jeden wyjątek od tej zasady – to powstanie gwiazdy neutronowej – więcej o tym piszemy przy obszarze 7.) W obszarze 6. stan związany nie powstaje ze względu na skrajny nadmiar protonów.

Obszar pod pasami, sąsiadujący z prawym dolnym wierzchołkiem prostokąta, jest niebieski. Znajduje się na nim cyfra 7. Gdy na nią kliknąć, ukazuje się tekst „Układy niezwiązane - za dużo neutronów”: Zdecydowana większość kombinacji (N; Z) nie prowadzi do powstania jądra atomowego. Nukleony w zupełnie niedobranych proporcjach, gdy panuje wśród nich nadmiar neutronów, nie tworzą nawet niestabilnych układów związanych, jak w obszarze 3. Jest jednak niezmiernie ciekawy wyjątek od tej zasady. Gdy w jądrze gwiazdy brakuje już paliwa na reakcje termojądrowe, to zapada się ono pod własnym ciężarem. Jeśli dodatkowo jest ono wystarczająco masywne, to może przekroczyć próg tzw. neutronizacji materii. Proces ten polega na wymuszonym łączeniu się protonów z elektronami, wskutek czego masowo powstają neutrony (te pozostają w jądrze gwiazdy) oraz neutrina (te ulatują z wnętrza gwiazdy). W efekcie powstaje obiekt zwany gwiazdą neutronową. Składa się on niemal w 100% z neutronów, z niewielką domieszką protonów i elektronów. Jego stabilność wynika jednak z dominującego w tych warunkach oddziaływania grawitacyjnego między neutronami.

Jeszcze dalej za ścieżką stabilności: Jest to obszar niezbadany eksperymentalnie. Istnieją w nim jądra atomowe – tak teoretycznie przypuszczamy. Wszystkie one powinny być niestabilne, podlegając przede wszystkim przemianom α oraz β .
Przewidujemy także istnienie kolejnych wysp stabilności, ale ich odkrycie, zbadanie i udokumentowanie to sprawa dla Twojego pokolenia...

Polecenie 2

Na diagram neutronowo‑protonowy naniesiono linię „Z = N”. Na tej linii znajdują się jądra atomowe, w których liczba protonów i neutronów jest jednakowa.
Naniesione zostały także cztery numerowane linie o charakterystycznym przebiegu. Przechodzą one przez losowo wybrane, stabilne jądro atomowe ZAXN.

R12Ku2aWAtiX7
Diagram neutronowo‑protonowy z naniesionymi charakterystycznnymi liniami
R2Y7wkIdyjYjK
Linia nr 1 Możliwe odpowiedzi: 1. przedstawia jądra atomowe izobaryczne z , 2. przedstawia jądra atomowe - izotony., 3. nie przedstawia żadnej specyficznej klasy jąder atomowych., 4. przedstawia jądra atomowe będące izotopami Linia nr 2 Możliwe odpowiedzi: 1. przedstawia jądra atomowe izobaryczne z , 2. przedstawia jądra atomowe - izotony., 3. nie przedstawia żadnej specyficznej klasy jąder atomowych., 4. przedstawia jądra atomowe będące izotopami Linia nr 3 Możliwe odpowiedzi: 1. przedstawia jądra atomowe izobaryczne z , 2. przedstawia jądra atomowe - izotony., 3. nie przedstawia żadnej specyficznej klasy jąder atomowych., 4. przedstawia jądra atomowe będące izotopami Linia nr 4 Możliwe odpowiedzi: 1. przedstawia jądra atomowe izobaryczne z , 2. przedstawia jądra atomowe - izotony., 3. nie przedstawia żadnej specyficznej klasy jąder atomowych., 4. przedstawia jądra atomowe będące izotopami