11.1: Radioactivity

Atomy składają się z cząstek subatomowych-protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony znajdują się w jądrze i zapewniają większość masy atomu, podczas gdy elektrony okrążają jądro w powłokach i podpowłokach i stanowią o wielkości atomu. Pamiętaj, notacja do zwięzłego przedstawienia izotopu danego atomu:

Element w tym przykładzie, reprezentowany przez symbol C, to węgiel. Jego liczba atomowa, 6, jest lewym dolnym indeksem na symbolu i jest liczbą protonów w atomie. Liczba masowa, indeks górny po lewej stronie symbolu, jest sumą liczby protonów i neutronów w jądrze tego konkretnego izotopu. W tym przypadku liczba masowa wynosi 12, co oznacza, że liczba neutronów w atomie wynosi 12 – 6 = 6 (czyli liczba masowa atomu minus liczba protonów w jądrze równa się liczbie neutronów). Niekiedy w zapisie tym pomija się liczbę atomową, ponieważ sam symbol pierwiastka oddaje jego charakterystyczną liczbę atomową. Dwa izotopy wodoru, 2H i 3H, otrzymały własne nazwy: odpowiednio deuter (D) i tryt (T). Innym sposobem wyrażenia konkretnego izotopu jest wymienienie liczby masowej po nazwie elementu, jak węgiel-12 lub wodór-3.

Teoria atomowa w XIX wieku zakładała, że jądra mają stały skład. Ale w 1896 r. francuski naukowiec Henri Becquerel odkrył, że związek uranu umieszczony w pobliżu płyty fotograficznej stworzył obraz na płycie, nawet jeśli związek był owinięty w czarną tkaninę. Uznał on, że związek uranu emitował pewien rodzaj promieniowania, które przechodziło przez tkaninę i naświetlało płytę fotograficzną. Dalsze badania wykazały, że promieniowanie to było kombinacją cząstek i promieni elektromagnetycznych, a jego ostatecznym źródłem było jądro atomowe. Emanacje te zostały ostatecznie nazwane, zbiorczo, radioaktywnością.

Istnieją trzy główne formy emisji radioaktywnych. Pierwsza z nich to cząstka alfa, którą symbolizuje grecka litera α. Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, a więc jest taka sama jak jądro helu. (Często używamy określenia ^ce{{4}_{2}He}}, aby przedstawić cząstkę alfa). Ma ona ładunek 2+. Kiedy radioaktywny atom emituje cząstkę alfa, liczba atomowa pierwotnego atomu zmniejsza się o dwa (z powodu utraty dwóch protonów), a jego liczba masowa zmniejsza się o cztery (z powodu utraty czterech cząstek jądrowych). Emisję cząstki alfa możemy przedstawić za pomocą równania chemicznego – na przykład emisja cząstki alfa uranu-235 ma następującą postać:

Skąd wiemy, że produktem reakcji jest ∗ (^{231}_{90}Th})? Korzystamy z prawa zachowania materii, które mówi, że materia nie może być tworzona ani niszczona. Oznacza to, że musimy mieć taką samą liczbę protonów i neutronów po obu stronach równania chemicznego. Jeśli jądro naszego uranu straci 2 protony, pozostanie 90 protonów, co oznacza, że pierwiastek ten jest torem. Ponadto, jeśli stracimy 4 cząstki jądrowe z pierwotnej liczby 235, pozostanie 231. Tak więc, używamy odejmowania, aby zidentyfikować izotop atomu toru – w tym przypadku, \(\}ce{^{231}_{90}Th}\).

Chemicy często używają nazw izotop macierzysty i izotop pochodny, aby reprezentować oryginalny atom i produkt inny niż cząstka alfa. W poprzednim przykładzie, \(\ce{^{235}_{92}U}) jest izotopem macierzystym, a \(\ce{^{231}_{90}Th}) jest izotopem pochodnym. Gdy jeden pierwiastek zmienia się w inny w ten sposób, ulega rozpadowi promieniotwórczemu.

Drugi główny rodzaj emisji promieniotwórczej nazywamy cząstką beta, symbolizowaną grecką literą β. Cząstka beta to elektron wyrzucony z jądra (a nie z powłok elektronowych wokół jądra) i ma ładunek 1. Cząstkę beta możemy również przedstawić jako β- lub ^0_{-1}e}. Efektem netto emisji cząstki beta w jądrze jest zamiana neutronu na proton. Ogólna liczba masowa pozostaje taka sama, ale ponieważ liczba protonów wzrasta o jeden, liczba atomowa wzrasta o jeden. Węgiel-14 rozpada się emitując cząstkę beta:

Ponownie, suma liczb atomowych jest taka sama po obu stronach równania, podobnie jak suma liczb masowych. (Zauważ, że elektronowi przypisana jest „liczba atomowa” równa 1-, równa jego ładunkowi.)

Trzeci główny rodzaj emisji promieniotwórczej nie jest cząstką, ale raczej bardzo energetyczną formą promieniowania elektromagnetycznego zwanego promieniami gamma, symbolizowanego grecką literą γ. Promienie gamma same w sobie nie niosą ogólnego ładunku elektrycznego, ale mogą wybijać elektrony z atomów w próbce materii i sprawić, że stanie się ona naładowana elektrycznie (z tego powodu promienie gamma nazywane są promieniowaniem jonizującym). Na przykład w rozkładzie promieniotwórczym radonu-222 emitowane jest zarówno promieniowanie alfa, jak i gamma, przy czym to drugie ma energię 8,2 × 10-14 J na każde rozpadające się jądro:

Może to nie wydawać się dużą energią, ale gdyby rozpadł się 1 mol atomów radonu, energia promieniowania gamma wyniosłaby 49 mln kJ!

Emisje cząstek alfa, beta i gamma mają różną zdolność do wnikania w materię. Stosunkowo duża cząstka alfa jest łatwo zatrzymywana przez materię (chociaż może przekazać znaczną ilość energii materii, z którą się styka). Cząstki beta wnikają w materię nieznacznie, najwyżej na kilka centymetrów. Promienie gamma mogą wnikać głęboko w materię i mogą przekazać dużą ilość energii otaczającej je materii. W tabeli przedstawiono właściwości trzech głównych typów emisji promieniotwórczych. Rysunek ™ (™PageIndex{1}}): Różne emisje wykazują różną moc pentracji. (CC BY-NC-SA 3.0; anonymous)

.

Table \(\PageIndex{1}\): The Three Main Forms of Radioactive Emissions

Characteristic	Alpha Particles	Beta Particles	Gamma Rays
symbole	α, \(\mathrm{_{2}^{4}He}\)	β, \(\ce{^{0}_{-1} e}})	γ
tożsamość	jądro helu	elektron	promieniowanie elektromagnetyczne promieniowanie
ładunek	2+	1-	brak
liczba masowa	4	4	0	0
moc przenikania	minimalna (nie przeniknie przez skórę)	krótka (przeniknie przez skórę i niektóre tkanki nieznacznie)	głęboka (przeniknie przez tkanki głęboko)

Okazjonalnie, jądro atomowe rozpada się na mniejsze części w procesie radioaktywnym zwanym rozszczepieniem spontanicznym (lub rozszczepieniem). Zazwyczaj izotopy pochodne produkowane przez rozszczepienie są zróżnicowaną mieszaniną produktów, a nie określonym izotopem, jak w przypadku emisji cząstek alfa i beta. Często w wyniku rozszczepienia powstaje nadmiar neutronów, które czasami są wychwytywane przez inne jądra, co może wywoływać dodatkowe zdarzenia promieniotwórcze. Uran-235 ulega spontanicznemu rozszczepieniu w niewielkim stopniu. Jedną z typowych reakcji jest

gdzie \(\ce{_0^1n}}jest neutron. Jak w każdym procesie jądrowym, sumy liczb atomowych i masowych muszą być takie same po obu stronach równania. Spontaniczne rozszczepienie występuje tylko w dużych jądrach. Najmniejszym jądrem, które wykazuje spontaniczne rozszczepienie jest ołów-208.

Rozszczepienie jest procesem radioaktywnym wykorzystywanym w elektrowniach jądrowych i jednym z typów bomb jądrowych.

.