Atomy i widma
Jądro atomowe.
Po odkryciu neutronu przez Chadwicka, fizyk niemiecki Werner Heisenberg przedstawił protonowo – neutronowy model budowy jądra. Model ten został potwierdzony przez kolejne badania przemian jądrowych i we współczesnej fizyce uważany jest za jedynie słuszny. Zgodnie z tą teorią, jądra składają się z dwóch rodzajów cząsteczek elementarnych: protonów i neutronów. Liczba protonów w jądrze równa się liczbie porządkowej Z pierwiastka z tablicy Mendelejewa i równa jest liczbie elektronów w elektronowej powłoce atomu, i atom jako całość jest elektrycznie obojętny. Liczbę Z nazywamy również liczbą atomową. Liczbą masową A nazywamy sumę liczby protonów Z i liczby neutronów N w jądrze:
Neutron, proton i ich własności.
Neutron , odkryty przez Chadwicka w 1932r proton są dwoma stanami jednej i tej samej cząstki elementarnej – nukleonu. Neutron jest cząstką elektrycznie obojętną o masie mn = 1,00898 ajm = 1838 me (me – masa elektronu). Neutrony wchodzą w skład wszystkich jąder atomowych, obpócz wodoru . Neutron swobodny jest cząsteczką nietrwałą, rozpada się przez oddziaływanie stałe na proton, elektron i antyneutrino:
Średni czas życia neutronu wynosi 932 14 s. Ze względu na brak oddziaływania kulombowskiego, neutrony odgrywają ogromną rolę w fizyce i technice jako cząstki inicjujące reakcje jądrowe, zwłaszcza reakcje rozszczepienia jąder atomowych.
Proton jest cząstką elementarną o masie mp = 1,00758 ajm = 1836 me i dodatnim ładunku elementarnym. Protony wchodzą w skład wszystkich jąder atomowych i są cząstkami trwałymi. Ze względu na trwałość, powszechność występowania i niezerowy ładunek elektryczny, proton nadaje się najlepiej z hadronów do przyśpieszania w akceleratorach.
Niedobór masy. Energia wiązania.
Energia wiązania nukleonu w jądrze równa się pracy potrzebnej do usunięcia danego nukleonu z jądra bez nadania mu energii kinetycznej
Całkowitą energię wiązania określa się jako pracę potrzebną do rozłożenia jądra na składowe nukleony bez nadania im energii kinetycznej.
Defektem (ubytkiem lub niedoborem) masy nazywamy różnicę między sumą mas cząsteczek elementarnych (t.j. nukleonów), a nieco mniejszą masą powstającego z nich jądra.
Dm – defekt masy
mp – masa protonu
mn – masa neutronu
N – liczba neutronów
A – liczba masowa
Defekt masy Dm jest miarą energii wiązania, która jest równa:
W wyniku podstawienia wartości C = 3 * 108 m/s otrzymamy:
1ajm = 1,491*10-10 = 931,48 MeV
W 1g substancji znajduje się liczba n atomów równa:
Metody wykrywania cząstek.
- Komora Wilsona (1911r.)
Jest to zamknięte naczynie, w którym znajduje się powietrze nasycone parą wodną, spirytusu lub innej cieczy. Podczas rozprężania gazu następuje ochłodzenie powietrza (proces adiabatyczny) i przesycenie pary wodnej. Wpadająca do komory cząsteczka naładowana wytwarza na swej drodze jony, które stanowią centra kondensacji pary, ujawniając tor cząsteczki. Zastosowanie komory Wilsona pozwala zmierzyć zasięg cząstki, (a na podstawie zasięgu) energię cząstki, określić właściwości cząstki.
- Komora pęcherzykowa (Glaser 1952r.)
Wykorzystano tu własności cieczy przegrzanej powyżej temperatury wrzenia, w której cząstki naładowane wywołują powstanie drobnych pęcherzyków, dających się fotografować podobnie jak kropelki w komorze Wilsona. Przewaga komory pęcherzykowej nad komorą Wilsona polega na tym, że w gęstszym od gazowego ośrodku ciekłym zderzenia są częstsze, cząstki przebiegają drogę znacznie krótszą. Nadaje się ona do śledzenia całej drogi cząstek nawet o dużych energiach kinetycznych.
- Metoda klisz jądrowych
W tym przypadku cząstki jądrowe zderzają się na swej drodze ze specjalnie rozdrobnionymi ziarnami bromku srebra (AgBr) emulsji fotograficznej wyzwalając ogromne ilości srebra. Po wywołaniu i utrwaleniu emulsji fotograficznej w przezroczystej błonie uwidaczniają się mikroskopijne ziarenka srebra, znacząc tor biegu cząstki.
Za pomocą wyżej opisanych metod możemy ocenić:
- masę cząstki na podstawie struktury śladu,
- energię cząstki z odchylenia toru w polu magnetycznym,
znak ładunku elektrycznego i jego wielkość.
Promieniotwórczość naturalna.
Promieniotwórczością naturalną nazywa się samorzutną przemianę jednych jąder atomowych w inne, połączoną z wysyłaniem określonego rodzaju promieniowania. Zjawisko zostało odkryte w 1876r. Przez francuskiego fizyka A.H. Becquerela, który w doświadczeniach wykorzystał związki uranu. W roku 1898 we Francji Maria Skłodowska Curie w raz z innymi fizykami odkryła promieniowanie toru, a następnie ze swym mężem Piotrem odkryła polon, a później rad. Promieniotwórczość naturalną obserwuje się z reguły u pierwiastków ciężkich, leżących przy końcu układu okresowego. Stwierdzono, że promieniotwórczość jest samorzutna i stała, nie zależy od warunków zewnętrznych: oświetlenia, ciśnienia i temperatury. Oznacza to, że promieniotwórczość jest wewnętrzną właściwością atomów pierwiastka promieniotwórczego.
Promieniowanie radioaktywne przechodząc przez pole magnetyczne lub elektryczne, rozdziela się na trzy strumienie a, b, γ. Promieniowanie radioaktywne jest bardzo szkodliwe dla organizmów żywych, a ponad to powoduje zaczernienie klisz fotograficznych, jonizuje gaz lub materię skondensowaną, przez którą przechodzi. Te własności leżą u podstaw metod rejestracji i badania promieniowania radioaktywnego.
Promienie a.
Są to jądra helu i składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Odchylają się w polach elektrycznym i magnetycznym, a w powietrzu mają zasięg od 2, cm do 8,6 cm . Cząstki te mają prędkość rzędu 14000 - 20000 km/s i energię rzędu 4 - 10,5 MeV. Promienie a charakteryzują się najmniejszą przenikliwością, nie przechodzą już przez papier o grubości 0,1 mm.
Promienie b.
Promienie b są elektronami poruszającymi się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Energie tych promieni obejmują dość szeroki zakres wartości – od energii rzędu 104 eV do 3,15 MeV (są to wartości dla danych pierwiastków maksymalne), dla sztucznej promieniotwórczości energie tych promieni mogą sięgać 16 MeV. Ponieważ masa elektronów jest bardzo mała, ich energia spoczynkowa wynosi zaledwie 0,51MeV. Wynika stąd, że już elektrony o energii rzędu 104 MeV wykazują wyrażony wzrost masy, a więc zachowują się relatywistycznie. Dla promieni b obowiązuje zatem mechanika relatywistyczna, a zatem:
Zasięg promieni b jest znacznie większy aniżeli promieni a, a ponieważ są elektronami, więc odchylają się w polach elektrycznym i magnetycznym w stronę przeciwną niż promienie a.
Promienie γ.
Pod względem właściwości fizycznych promieniowanie γ jest bardzo podobne do promieniowania rentgenowskiego. Jest ono falą elektromagnetyczną o długości bardzo małej, zawierającej się w granicach od 5 * 10-13m do 4 * 10-11m. W widmie fal elektromagnetycznych promieniowanie γ leży bezpośrednio za promieniowanie rentgenowskim, a szybkość rozchodzenia się jest równa prędkości światła.
Promieniowanie b+
Podczas sztucznych przemian jądrowych mogą powstawać izotopy, wysyłające promieniowanie b+, które składa się z pozytonów, tzn. cząstek elementarnych różniących się od elektronów jedynie rodzajem ładunku. Są one czasami nazywane „dodatnimi elektronami.”
Prawo rozpadu promieniotwórczego.
Rozpad jąder odbywa się zgodnie z prawami statystycznymi. W grę wchodzą tu duże ilości atomów, zawartych w danej próbce materiału, wobec czego można ustalić prawo rozpadu. W przeciągu określonego czasu Dt rozpada się DN jąder; ilości DN rozpadających się jąder jest proporcjonalna do liczby jąder, z których składa się ciała promieniotwórcze, oraz czasu Dt :
Z powyższego:
Stała rozpadu promieniotwórczych l określa względną liczbę rozpadających się w czasie D t, jeśli ich ogólna liczba wynosi N0.
Rozwiązując pierwsze równanie, otrzymamy:
N = N0 * e – l t
W którym:
N0 – początkowa ilość jąder, z jakich składa się ciało promieniotwórcze,
N – ilość jąder, z jakich składa się ciało promieniotwórcze po czasie t,
t – czas trwania procesu rozpadu,
l - stała rozpadu,
e – podstawa logarytmów naturalnych.
Okresem połowicznego zaniku nazywamy czas T w którym rozpada się połowa istniejących atomów pierwiastka promieniotwórczego.
Podstawowe prawo rozpadu można przedstawić również w tej postaci:
lub
a aktywność:
Jednostką aktywności jest 1 kiur (1Ci) 1Ci = 3,7*1010 1/s
Ciało ma aktywność 1Ci gdy w ciągu 1–ej sekundy dokona się 3,7*1010 aktów rozpadu.
1 eman = 10-10 Ci
Prawa zachowania masy i ładunku.
Suma mas przed rozpadem równa jest sumie mas po rozpadzie.
Suma ładunków przed rozpadem równa jest sumie ładunków po rozpadzie.
Rozpad a.
Rozpad taki jest możliwy jedynie w przypadku jąder ciężkich, o dużej liczbie masowej A (A>200) Przemiana ta polega na wyrzuceniu z jądra cząstki a; wskutek tego liczba masowa A atomu zmniejsza się o 4, liczba porządkowa Z natomiast o 2; atom pierwiastka X1 przechodzi w atom innego pierwiastka X2 ; proces ten można zapisać symbolicznie:
Wskutek tej przemiany nowopowstały atom przesuwa się o dwa miejsca ku początkowi układu okresowego.
Przykład:
Rozpad b-
Przemiana ta zachodzi w przypadku jąder o znacznej liczbie neutronów w porównaniu z liczbą protonów, tzn. przy dużej wartości stosunku N / Z. Wyrzucany w tym procesie elektron powstał w skutek przemiany neutronu w proton:
neutron à proton + elektron + antyneutrino
Antyneutrino, podobnie jak neutrino, nie ma masy spoczynkowej ani ładunków; wiąże ono jedynie część energii rozpadu.
Podczas rozpadu b- wyrzucany jest elektron, wobec tego w wyniku tej przemiany nie zmienia się liczba masowa A, wzrasta natomiast liczba porządkowa Z o jedność; proces ten zapisujemy następująco:
Wskutek tej przemiany nowopowstały atom przesuwa się dalej o jedno miejsce w kładzie okresowym Mendelejewa.
Przykłady:
Rozpad b+
Przemiana taka zachodzi wtedy, gdy jądro zawiera przewagę protonów. Wyrzucany z jądra pozyton powstaje w wyniku przemiany protonu w neutron.
Proton à neutron + pozyton + neutrino
Neutrino nie ma masy ani ładunku; wiąże jedynie część energii rozpadu. Przy rozpadzie b+ wyrzucany jest pozyton. Wobec tego jądro powstające w wyniku ter przemiany ma taką samą liczbę atomową A jak jądro pierwotne, natomiast liczbę porządkową Z mniejszą o jedność; proces zapisujemy symbolicznie:
W skutek tej przemiany nowopowstały atom przesuwa się o jedno miejsce bliżej początku układu okresowego Mendelejewa.
Promieniowanie to (elektromagnetyczne) jest zjawiskiem towarzyszącym rozpadowi a bądź b. Wskutek tych rozpadów zachodzą w jądrze procesy w wyniku których przechodzi ono ze stanu wzbudzonego do stanu niższej energii. Nie zmienia się przy tym liczba masowa, ani liczba porządkowa.
Sztuczne przemiany jądrowe.
Trwałość jądra jest scharakteryzowana proporcją liczby protonów i neutronów w nim zawartych. Jeśli w trwałym jądrze, przez napromieniowanie go jakimikolwiek cząstkami, zostanie naruszona proporcja równowagi między ilością protonów i neutronów, jądro stanie się sztucznie promieniotwórcze. Najskuteczniejsze są reakcje w których jądro jest bombardowane protonami i neutronami. Obecnie w wyniku sztucznych przemian jądrowych otrzymano już izotopy promieniotwórcze wszystkich pierwiastków. Ogółem otrzymano 1500 izotopów pierwiastków, z czego trzy czwarte wykazują właściwości promieniotwórcze. W wyniku sztucznych reakcji jądrowych otrzymano nie tylko nowe izotopy znanych dotąd pierwiastków naturalnych, ale zsyntezowano wielką liczbę jąder nie występujących w przyrodzie. Zjawisko sztucznej promieniotwórczości zostało odkryte
przez francuskich fizyków Irenę Jaliot – Curie (1897 – 1956) i Frederyka Joliot Curie (1900 – 1960) w czasie badań nad reakcją jąder aluminium napromieniowanych cząstkami a:
Odkrycie pozytonu (1932r).
Masa spoczynkowa me+ = me- . odpowiada jej energia 0,51 MeV; zatem foton, aby mógł przekształcić w parę elektron – pozyton, musi mieć energię h*V E = 2 * 0,51 = 1,02 MeV. Pozytony są właściwie cząstkami trwałymi, ale w warunkach ziemskich istnieją krótko 10-7 s. Zderzając się z elektronem zmieniają się na dwa fotony:
Opisane zjawisko do niedawna nazywano anihilacją materii. Dziś prawidłowiej byłoby mówić o kreacji elektronu i pozytonu lub kreacji fotonów g w jednym z tych procesów.
Izotopy promieniotwórcze i ich zastosowanie.
Izotopami nazywamy atomy, które mają jednakową liczbę protonów, a różnią się liczbą neutronów.
Zastosowanie praktyczne znajdują prawie wyłącznie źródła wysyłające promieniowanie b bądź g. Izotopy promieniotwórcze stosuje się w przemyśle, rolnictwie, medycynie, oraz badaniach naukowych. Stosuje się je w praktyce w bardzo małych ilościach rzędu 10-10 – 10-15 g. Łączy się je z obcą substancją o zbliżonych właściwościach chemicznych. Jednym z bardzo ważnych zastosowań izotopów jest metoda atomów znaczonych, która umożliwia poznawanie mechanizmu wielu procesów chemicznych; biologicznych. Jednym z największych osiągnięć tej metody były badania przeprowadzone nad przemianą materii w organizmach żywych.
Znaczone atomy, wchodzące w skład nawozów sztucznych umożliwiają obserwację przebiegu wykorzystania nawozów mineralnych przez rośliny i opracowanie wydajniejszych metod nawożenia. W medycynie izotopy promieniotwórcze stosowane są przy diagnostyce i w terapii leczniczej. Niewielkie ilości promieniotwórczego sodu, wprowadzone do krwi, pozwalają wykryć jej zmiany. Jod intensywnie odkłada się w tarczycy, szczególnie przy nadczynności tego gruczołu (choroba Basedona); większe dawki tego izotopu częściowo niszczą nieprawidłowo rozwijające się tkanki. Silne promieniowanie γ emitowanie przez kobalt wykorzystywane jest przy leczeniu różnych odmian raka (bomba kobaltowa). Zabójcze działanie promieniowania radioizotopów na żywe organizmy spowodowało ich zastosowanie do sterylizacji i konserwacji artykułów żywnościowych i wyrobów farmaceutycznych. Izotopy promieniotwórcze są także szeroko stosowane w technice. Radioizotopy stosuje się w budowie szeregu samoczynnych przyrządów kontrolnych, pomiarowych i sterujących. Izotopy stosuje się w bezdotykowych metodach pomiaru grubości i gęstości materiałów, w badaniach materiałów (defektoskopia), w wytwarzaniu zaburzeń sieci w ciałach stałych (zmiana struktury tworzyw sztucznych). Izotopy promieniotwórcze pozwalają badać przebieg dyfuzji metali, kontrolować procesy w piecach hutniczych, i.t.d.
Typy reakcji jądrowych.
Reakcje rozpadu – rozszczepienie jąder atomowych jest typem reakcji jądrowych, podczas których jądro ciężkiego pierwiastka rozpada się na dwa lub rzadziej na trzy – cztery części, wysyłając jednocześnie dwa – trzy neutrony, promieniowanie g oraz uwalniając dużą porcję energii. Jądro zwykłe rozszczepia się na fragmenty o nierównych masach. Części te wykazują silne właściwości promieniotwórcze, gdyż zawierają w swym wnętrzu nadmiarowe neutrony. W wyniku całej serii kolejno następujących po sobie przemian b tworzą się ostatecznie izotopy trwałe. Jednocześnie powstają kwanty γ o dużej energii.
Reakcje syntezy – polegają na łączeniu się jąder atomów lekkich w jądra atomów cięższych. Podczas tych reakcji masa spoczynkowa maleje a więc zjawisku towarzyszy uwolnienie bardzo dużej ilości energii. Reakcje takie nazywamy również reakcjami termojądrowymi lub termonuklearnymi, gdyż mogą one zachodzić tylko w bardzo wysokich temperaturach (dla wodoru 108 K, dla deuteru 2*109 K) Energia uwalniana podczas tych reakcji, przypadająca na jeden nukleon, jest większa od energii liczonej również dla jednego nukleonu, wyzwalanej w łańcuchowej reakcji rozszczepienia jąder. Podczas przejścia 1g wodoru w hel wydziela się osiem razy więcej energii, niż podczas rozpadu tej samej masy uranu. Reakcje termojądrowe odgrywają decydującą rolę w ewolucji wszechświata. Energia promienista wysłana przez Słońce i inne gwiazdy jest skutkiem procesów termonuklearnych. Słońce co sekundę wypromieniowuje energię równą 3,8 * 1026...
junosza1755