Tanulási célok
- A radioaktivitás főbb típusainak meghatározása és példák említése.
Az atomok szubatomi részecskékből – protonokból, neutronokból és elektronokból – állnak. A protonok és a neutronok az atommagban helyezkednek el, és adják az atom tömegének nagy részét, míg az elektronok héjakban és alhéjakban keringenek az atommag körül, és adják az atom méretét. Ne feledd, egy adott atom izotópjának tömör ábrázolására szolgáló jelölés:
\
A példában a C szimbólummal ábrázolt elem a szén. Atomszáma, a 6, a szimbólum bal alsó indexe, és az atomban lévő protonok száma. A tömegszám, a szimbólum bal felső részén lévő felső index, a protonok és neutronok számának összege az adott izotóp atommagjában. Ebben az esetben a tömegszám 12, ami azt jelenti, hogy az atomban lévő neutronok száma 12 – 6 = 6 (azaz az atom tömegszáma mínusz az atommagban lévő protonok száma egyenlő a neutronok számával). Alkalmanként az atomszámot elhagyják ebben a jelölésben, mert az elem szimbóluma önmagában kifejezi az elem jellemző atomszámát. A hidrogén két izotópja, a 2H és a 3H saját nevet kap: deutérium (D) és trícium (T). Egy másik módja egy adott izotóp kifejezésére az, hogy az elem neve után felsorolják a tömegszámot, például szén-12 vagy hidrogén-3.
A 19. századi atomelmélet azt feltételezte, hogy az atommagok összetétele rögzített. De 1896-ban Henri Becquerel francia tudós megállapította, hogy egy fotólemez közelébe helyezett uránvegyület képet alkotott a lemezen, még akkor is, ha a vegyületet fekete ruhába csomagolták. Arra a következtetésre jutott, hogy az uránvegyület valamilyen sugárzást bocsát ki, amely a ruhán áthatolva exponálja a fényképészeti lemezt. További vizsgálatok kimutatták, hogy a sugárzás részecskék és elektromágneses sugarak kombinációja, amelynek végső forrása az atommag. Ezeket a kisugárzásokat végül együttesen radioaktivitásnak nevezték.
A radioaktív kisugárzásnak három fő formája van. Az elsőt alfa-részecskének nevezik,amelyet a görög α betűvel szimbolizálnak. Az alfa-részecske két protonból és két neutronból áll, és így megegyezik a héliummaggal. (Az alfa-részecske jelölésére gyakran használjuk a \(\ce{^{4}_{2}He}\) kifejezést). A töltése 2+. Amikor egy radioaktív atom alfa-részecskét bocsát ki, az eredeti atom atomszáma kettővel csökken (a két proton elvesztése miatt), tömegszáma pedig néggyel (a négy magrészecske elvesztése miatt). Az alfa-részecske kibocsátását kémiai egyenlet segítségével ábrázolhatjuk – például az urán-235 alfa-részecske kibocsátása a következőképpen néz ki:
\
Honnan tudjuk, hogy a reakció egyik terméke \(\ce{^{231}_{90}Th}\)? Az anyagmegmaradás törvényét használjuk, amely kimondja, hogy anyagot nem lehet létrehozni vagy megsemmisíteni. Ez azt jelenti, hogy a kémiai egyenlet mindkét oldalán ugyanannyi proton és neutron kell, hogy legyen. Ha az uránmagunk elveszít 2 protont, akkor 90 proton marad, ami az elemet tóriumként azonosítja. Sőt, ha az eredeti 235-ösből 4 atommagot veszítünk, akkor 231 marad. Így a kivonással azonosítjuk a tóriumatom izotópját – ebben az esetben \(\ce{^{231}_{90}Th}}\).
A vegyészek gyakran használják az eredeti atom és az alfa-részecskétől eltérő termék jelölésére a szülőizotóp és a leányizotóp elnevezéseket. Az előző példában \(\ce{^{235}_{92}U}\) a szülőizotóp, \(\ce{^{231}_{90}Th}\) pedig a leányizotóp. Amikor egy elem ily módon átalakul egy másik elemmé, radioaktív bomláson megy keresztül.
Példa \(\PageIndex{1}\): A radon-222 radioaktív bomlását alfa-részecskék kibocsátásával ábrázoló atomi egyenletet írja fel, és azonosítsa a leányizotópot.
megoldás
A radon atomi száma 86, így a szülőizotópot \(\ce{^{222}_{86}Rn}\) jelöli. Az alfa-részecskét \(\ce{^{4}_{2}He}\)-ként ábrázoljuk, és a kivonással (222 – 4 = 218 és 86 – 2 = 84) azonosítjuk a leányizotópot polónium izotópként, \(\mathrm{^{218}_{84}Po}\):
\(\ce{_{86}^{222}Rn\rightarrow \, _2^4He + \, _{84}^{218}Po}\)
gyakorlat \(\PageIndex{1}\): Polónium-209
Írd fel a polónium-209 radioaktív bomlását alfa-részecskék kibocsátásával ábrázoló atomi egyenletet, és azonosítsd a leányizotópot.
Válasz
\(\ce{_{84}^{209}Po\rightarrow \, _2^4He + \, _{82}^{205}Pb}\)
A radioaktív sugárzás második fő típusát béta-részecskének nevezzük, amelyet a görög β betűvel jelképezünk. A béta-részecske az atommagból (nem az atommag körüli elektronhéjakból) kilépő elektron, és 1-es töltéssel rendelkezik. A béta-részecskét \(\ce{^0_{-1}e}\) vagy β-nek is nevezhetjük. A béta-részecskék atommagra történő kibocsátásának nettó hatása az, hogy egy neutronból proton lesz. A teljes tömegszám nem változik, de mivel a protonok száma eggyel nő, az atomszám eggyel nő. A szén-14 egy béta-részecske kibocsátásával bomlik:
\
Az egyenlet mindkét oldalán az atomszámok összege megegyezik, akárcsak a tömegszámok összege. (Megjegyezzük, hogy az elektronhoz 1-es “atomszámot” rendelünk, amely megegyezik a töltésével.)
A radioaktív sugárzás harmadik fő típusa nem részecske, hanem az elektromágneses sugárzás egy nagyon energikus formája, a gamma-sugárzás, amelyet a görög γ betűvel jelképezünk. A gamma-sugárzás önmagában nem hordoz általános elektromos töltést, de az anyagmintában lévő atomokból kiüthet elektronokat, és elektromosan töltötté teheti azt (amiért a gamma-sugárzást ionizáló sugárzásnak nevezik). Például a radon-222 radioaktív bomlása során alfa- és gamma-sugárzás is kibocsátásra kerül, az utóbbi energiája bomlott atommagonként 8,2 × 10-14 J:
\
Ez nem tűnik nagy energiának, de ha 1 mol radonatom bomlana, a gamma-sugárzás energiája 49 millió kJ lenne!
Példa \(\PageIndex{2}\): Írja fel a bór-12 béta-részecskékkel történő radioaktív bomlását reprezentáló atomi egyenletet, és azonosítsa a leányizotópot. A béta-részecskével egyidejűleg gammasugárzás is kibocsátásra kerül.
Megoldás
A kiindulási izotóp \(\ce{^{12}_{5}B}\), míg az egyik termék egy elektron, \(\ce{^{0}_{-1}e}\). Ahhoz, hogy a tömeg- és az atomszám mindkét oldalon azonos értékű legyen, a leányizotóp tömegszámának 12-nek, atomszámának pedig 6-nak kell lennie. A 6-os atomszámú elem a szén. Így a teljes atomi egyenlet a következő:
\
A leányizotóp \(\ce{^{12}_6 C}\).
gyakorlat \(\PageIndex{2}\): Jód-131
Írd fel a jód-131 radioaktív bomlását béta-részecskekibocsátással ábrázoló magegyenletet, és azonosítsd a leányizotópot. A béta-részecskével egyidejűleg gamma-sugárzás is kibocsátásra kerül.
Válasz
\
Az alfa-, béta- és gamma-sugárzás különbözőképpen képes áthatolni az anyagon. A viszonylag nagy alfa-részecskét az anyag könnyen megállítja (bár jelentős mennyiségű energiát adhat át a vele érintkező anyagnak). A béta-részecskék kissé behatolnak az anyagba, talán legfeljebb néhány centiméternyire. A gammasugarak mélyen behatolnak az anyagba, és nagy mennyiségű energiát adhatnak át a környező anyagnak. A \(\PageIndex{1}\) táblázat összefoglalja a három fő radioaktív sugárzástípus tulajdonságait.
| jellemző | Alfa részecskék | Béta részecskék | Gamma sugárzás |
|---|---|---|---|
| szimbólumok | α, \(\mathrm{_{2}^{4}He}\) | β, \(\ce{^{0}_{-1} e}\\) | γ |
| azonosság | hélium atommag | elektron | elektromágneses sugárzás |
| töltés | 2+ | 1- | nem |
| tömegszám | 4 | 0 | 0 |
| átütőerő | minimális (nem hatol át a bőrön) | rövid (kissé áthatol a bőrön és néhány szöveten) | mély (mélyen áthatol a szöveteken) |
Egyszer, egy atommag kisebb darabokra esik szét a spontán hasadásnak (vagy hasadásnak) nevezett radioaktív folyamat során. A hasadás során keletkező leányizotópok általában a termékek változatos keveréke, nem pedig egy adott izotóp, mint az alfa- és béta-részecskék kibocsátása esetén. Gyakran előfordul, hogy a hasadás során felesleges neutronok keletkeznek, amelyeket néha más atommagok fognak be, esetleg további radioaktív eseményeket indukálva. Az urán-235 kis mértékben spontán hasadáson megy keresztül. Az egyik tipikus reakció a
\
ahol \(\ce{_0^1n}\) egy neutron. Mint minden nukleáris folyamatnál, az egyenlet mindkét oldalán az atomszámok és a tömegszámok összegének azonosnak kell lennie. Spontán hasadás csak nagy atommagokban fordul elő. A legkisebb mag, amely spontán hasadást mutat, az ólom-208.
A maghasadás az atomerőművekben és az atombombák egyik típusában használt radioaktív folyamat.
Főbb tanulságok
A radioaktivitás főbb típusai közé tartoznak az alfa-részecskék, a béta-részecskék és a gamma-sugárzás.
Koncepció áttekintő gyakorlat
-
Melyek a radioaktivitás főbb típusai? Írjatok kémiai egyenleteket az egyes típusok bemutatására.
Válasz
-
A radioaktivitás fő típusai az alfa-bomlás, a béta-bomlás és a gamma-sugárzás; alfa-bomlás gamma-kibocsátással: \(\mathrm{_{86}^{222}Rn \rightarrow \, _{84}^{218}Po + \, ^4_2He + \gamma}\); béta bomlás: \(\ce{_6^{14}C \rightarrow _7^{14}N + ^0_{-1}e}\) (a válaszok változhatnak)