Przeczytaj

bg‑azure

Czym jest promieniotwórczość?

Promieniotwórczość (radioaktywność) jest procesem, w którym jądro niestabilnego atomu traci energię, emitując promieniowanie – w tym cząstki alfa, cząstki beta, promieniowanie gamma i elektrony konwersjielektrony konwersjielektrony konwersji.

Ogólnie, radioaktywność można podzielić na dwie kategorie:

radioaktywność naturalną – jeśli substancja sama emituje promieniowanie, to mówi się, że posiada naturalną radioaktywność;
radioaktywność sztuczną (indukowaną) – jeśli substancja nie wykazuje radioaktywności, ale zaczyna emitować promieniowanie przy ekspozycji na promieniowanie z naturalnej substancji radioaktywnej. Wówczas mówi się, że posiada radioaktywność indukowaną lub sztuczną.

Poniżej przedstawiono podział naturalnych i sztucznych przemian jądrowych wraz z przykładami.

RiFTafLGH0zJk1

Grafika przedstawia podział przemian jądrowych na naturalne i sztuczne. Naturalne dzielimy na: rozpad alfa, rozpad beta i inne, na przykład gamma. Przykład rozpadu alfa: 226 88 R a → 222 86 R n + 4 2 H e . Przykład rozpadu beta: 226 88 R a → 226 89 R n + 0 1 e . Sztuczne dzielimy na: rozszczepianie jąder, fuzje jądrowe i inne reakcje jądrowe. Przykład reakcji jądrowej: 4 2 H e + 92 238 U → 94 241 P u + 1 0 n . Przykład fuzji jądrowej: 1 2 H + 1 3 H → 1 4 H + 0 1 n . Przykład rozszczepienia jądrowego: 1 0 n + 235 92 U → 141 56 B a + 92 36 K r + 3 0 1 n . — Podział przemian jądrowych
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie: www.pomoceszkolnenina.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

W tabeli poniżej zestawiono podstawowe cząstki oraz ich symbole, pojawiające się w sztucznych i naturalnych przemianach jądrowych.

Nazwa cząsteczki	Symbol	Liczba masowa	Ładunek elektryczny $\left[\text e\right]$
alfa, helion	$\alpha$ , $He$	$4$	$2$
beta, beta minus, elektron, negaton	$\beta$ , $\beta^-$ , $\text e$ , $\text e^-$	$0$	$-1$
beta plus, pozyton	$\beta^+$	$0$	$+1$
deuteron	$\text d$ , $\text D$	$2$	$+1$
gamma	$\gamma$	$0$	$0$
neutron	$\text n$	$1$	$0$
proton	$\text p$ , $\text p^+$ , $\text H$	$1$	$+1$
tryton	$\text t$ , $\text T$	$3$	$+1$

R1BFGP5xkag4S1

bg‑azure

Pierwsza sztuczna reakcja jądrowa

Poprzez bombardowanie cząstkami alfa jąder azotu, Rutherford wytworzył
tlen ${}^{17}O$ i protony (schemat poniżej). Dzięki tej obserwacji Rutherford doszedł do wniosku, że atomy jednego konkretnego pierwiastka mogą powstawać z atomów innego pierwiastka. Jeśli otrzymany element jest radioaktywny, wówczas proces ten nazywany jest sztucznie wywołaną promieniotwórczością.

R10sn1X9gl3jy1

Grafika przedstawia powstawanie tlenu i protonów. Od helu o liczbie masowej 4 i liczbie atomowej 2 biegnie strzałka w kierunku azotu o liczbie masowej 14 i liczbie atomowej 7, od niego strzałka do fluoru o liczbie masowej 18 i liczbie atomowej 9. Tu rozgałęzienie na tlen o liczbie masowej 17 i liczbie atomowej 8 oraz na proton o liczbie masowej 1 i liczbie atomowej 1. — Powstawanie tlenu i protonów w efekcie bombardowania jądra azotu cząstkami alfa
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Rutherford był pierwszym badaczem, który otrzymał z innych jąder protony i izotop tlenu ${}^{17}O$ , który jest nieradioaktywny.

bg‑azure

Odkrycie neutronu

Okazało się, że inne jądra (podobnie jak azot), bombardowane cząstkami alfa, mogą generować nowe stabilne bądź radioaktywne jądra. James Chadwick w $1932$ roku wykorzystał cząstkę $\alpha$ i dokonał bombardowania jąder atomu berylu. Rezultatem tej przemiany było otrzymanie nieznanej wówczas cząstki – neutronu.

R20wRoFRkeT2z1

Grafika przedstawia efekt bombardowania jądra atomowego berylu cząstkami alfa. Zaprezentowano równanie: żółta kulka z napisem alfa o liczbie masowej 4 i liczbie atomowej 2 ma po lewej stronie strzałki skierowane w lewo, w stronę kulki, dodać atom berylu o liczbie masowej 9 i liczbie atomowej 4 oznaczony jako szara kulka daje atom węgla o liczbie masowej 12 i liczbie atomowej 6 przedstawiony za pomocą pomarańczowej kulki dodać neutron o liczbie masowej 1 i liczbie atomowej 0. Równanie reakcji: 2 4 α + 4 9 B e ⟶ 6 12 C + 0 1 n . — W wyniku bombardowania jądra atomowego berylu (Be) cząstkami alfa powstaje węgiel (C) oraz neutron (n).
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Powstawanie sztucznych izotopów

W $1934$ roku Irena Joliot‑Curie i Fryderyk Joliot‑Curie ogłosili pierwszą syntezę sztucznego izotopu promieniotwórczego. Bombardowali cienki kawałek folii aluminiowej ( ${}^{27}{Al}$ ) cząstkami alfa wytwarzanymi przez rozpad polonu. Odkryli wtedy, że fragment aluminiowy stał się radioaktywny. Analiza chemiczna wykazała, że produktem tej reakcji był m.in. izotop fosforu.

Polecenie 1

Na podstawie fragmentu, dotyczącego odkrycia sztucznych izotopów przez Irenę i Fryderyka Joliot‑Curie, zidentyfikuj cząstkę, która powstała w tej przemianie. Zapisz równanie reakcji jądrowej.

R183MT3rUBRP7

Równania zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

RyvbMQ4TuF1xt

Naukowcy bombardowali cienki kawałek folii aluminiowej ( ${}^{27}{Al}$ ) cząstkami alfa zgodnie z równaniem:

$_{13}^{27}\text{Al}+_2^4\text{He}\rightarrow\dots+\dots$

$_{13}^{27}\text{Al}+_2^4\text{He}\rightarrow _{15}^{30}\text P+ _0^1\text n$

Cząstką, która powstała w tej reakcji, jest neutron.

Przed odkryciem sztucznej promieniotwórczości powszechne było przekonanie, że atomy materii są niezmienne i niepodzielne. Po pierwszych odkryciach dokonanych przez Ernesta Rutherforda, Irene Joliot‑Curie i jej męża Frederica Joliot, przyjęto nowy punkt widzenia. Zakładał on, że chociaż atomy wydają się być stabilne, można je przekształcić w nowe atomy o różnych właściwościach chemicznych.

bg‑azure

Sztuczne przemiany jądrowe

Reakcje jądrowe, stosowane do syntezy sztucznych radionuklidów, charakteryzują się ogromnymi energiami aktywacji. Trzy urządzenia są wykorzystywane do pokonania tych energii aktywacji: akceleratoryakcelerator cząstek naładowanychakceleratory liniowe, cyklotronycyklotroncyklotrony i reaktory jądrowe. Chociaż liczba możliwych reakcji jądrowych jest ogromna, reakcje jądrowe można sortować według typów. Oto kilka przykładów:

R1I4ApjUyq9CY1

Rozszczepienie jądra atomowego Przemiana jądrowa, której podlegają pierwiastki ciężkie. W wyniku tego procesu jądra atomu ulegają rozdzieleniu na fragmenty o zbliżonych masach. Reakcje rozszczepienia mogą być zainicjowane poprzez bombardowanie jąder atomów pierwiastków ciężkich neutronami. Grafika przedstawia reakcję rozszczepienia atomu uranu-236 zainicjowaną poprzez bombardowanie jądra atomu neutronami. W efekcie powstaje jądro atomu kryptonu 92, jądro atomu baru 141 oraz trzy neutrony. Na skutek zderzenia atomu uranu (

{}^{235}U

) z neutronem następuje wymuszone rozszczepienie jego jądra atomowego. W wyniku rozpadu powstaje atom kryptonu (

{}^{89}{Kr}

) i baru (

{}^{144}{Ba}

) oraz trzy neutrony., Fuzja jądra atomowego Przemiana jądrowa, w wyniku której z dwóch lżejszych jąder powstaje jedno cięższe, a także uwolnione mogą zostać wolne neutrony, protony, cząstki elementarne czy cząstki alfa. Grafika przedstawia reakcje fuzji. W efekcie fuzji jądra trytu i jądra deuteru powstaje jądro helu i uwolniony zostaje neutron. W wyniku fuzji termojądrowej deuteru (

{}^{2}H

) i trytu (

{}^{3}H

) zostaje uwolniona energia oraz powstaje neutron (

n

) i jądro helu (

He

)., Syntezy pierwiastków transuranowych Przemiany zachodzące w wyniku naświetlania neutronami, reakcji z neutronami lub cząstką alfa lub reakcji z użyciem ciężkich jonów.

$_{94}^{239} Pu +_{2}^{4} α \to_{96}^{242} Cm +_{0}^{1} n$

$_{94}^{239} Pu +_{2}^{4} α \to_{95}^{241} Am +_{1}^{1} p +_{0}^{1} n$

$_{99}^{253} Es +_{2}^{4} α \to_{101}^{256} Md +_{0}^{1} n$

$_{92}^{238} U +_{6}^{12} C \to_{98}^{246} Cf + 4_{0}^{1} n$

$_{98}^{252} Cf +_{5}^{10} B \to_{103}^{256} Lr + 6_{0}^{1} n$

Źródło: GroMar Sp. z o.o., oprac. na podst. www.ilf.fizyka.pw.edu.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciekawostka

Jednym z ciekawszych przedsięwzięć w zakresie promieniotwórczości sztucznej jest projekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). W $2006$ roku zaplanowano budowę reaktora, który miał zbadać możliwości produkcji energii za pomocą fuzji termojądrowej. Taka sama reakcja jest źródłem energii w gwiazdach i na Słońcu. W ciągu $10$ lat miał powstać na południu Francji reaktor, którego działanie oszacowano na $20$ lat. Celem projektu ITER jest opracowanie metody radzenia sobie z wysokoenergetycznymi neutronami, a badanie silnego ich strumienia jest możliwe jedynie przy użyciu reagującej plazmy. Wykorzystanie mocy syntezy jądrowej jest celem ITER. Reaktor został zaprojektowany jako kluczowy krok eksperymentalny między dzisiejszymi maszynami do badań nad syntezą jądrową a przyszłymi elektrowniami termojądrowymi. Dzięki stworzeniu reaktora termojądrowego możliwa będzie całkowita rezygnacja z elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi. W projekcie bierze udział większość państw z całego świata, w tym również Polska.

Słownik

elektrony konwersji

elektrony emitowane z atomu; są to elektrony orbitalne, którym zostaje przekazana energia wzbudzenia jądra atomowego;

promieniowanie

promieniowanie elektromagnetyczne o długości fal na ogół mniejszej od $10^\ \text m$ , emitowane przez promieniotwórcze lub wzbudzone jądra atomowe podczas przemian jądrowych (promieniotwórczość, reakcja jądrowa)

cyklotron

pierwszy cykliczny akcelerator cząstek (protonów, jonów)

akcelerator cząstek naładowanych

urządzenie do przyspieszania naładowanych mikrocząstek, czyli do nadawania im wielkich energii kinetycznych

pierwiastki transuranowe

pierwiastki, których liczba atomowa $Z$ jest większa od $92$

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, 5th Edition, New York 2009.

Encyklopedia PWN

Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy ósmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.

Kulawik J., Kulawik T., Litwin M., Podręcznik do chemii dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Warszawa 2020.

Łasiński D., Sporny Ł., Strutyńska D., Wróblewski P., Podręcznik dla klasy siódmej szkoły podstawowej, Mac edukacja 2020.

Wprowadzenie

Symulacja interaktywna

Czym jest promieniotwórczość?

Pierwsza sztuczna reakcja jądrowa

Odkrycie neutronu

Powstawanie sztucznych izotopów

Sztuczne przemiany jądrowe

Słownik

Bibliografia