Obiective de învățare
- Să definească și să dea exemple de tipuri majore de radioactivitate.
Atomii sunt compuși din particule subatomice – protoni, neutroni și electroni. Protonii și neutronii sunt localizați în nucleu și asigură cea mai mare parte din masa atomului, în timp ce electronii înconjoară nucleul în învelișuri și subînvelișuri și reprezintă dimensiunea unui atom. Rețineți, notația pentru reprezentarea succintă a unui izotop al unui anumit atom:
\
Elementul din acest exemplu, reprezentat prin simbolul C, este carbonul. Numărul său atomic, 6, este indicele din stânga jos al simbolului și reprezintă numărul de protoni din atom. Numărul de masă, suprascrisul din stânga sus a simbolului, este suma numărului de protoni și neutroni din nucleul acestui izotop particular. În acest caz, numărul de masă este 12, ceea ce înseamnă că numărul de neutroni din atom este 12 – 6 = 6 (adică, numărul de masă al atomului minus numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul de neutroni). Ocazional, numărul atomic este omis în această notație, deoarece simbolul elementului însuși transmite numărul atomic caracteristic acestuia. Cei doi izotopi ai hidrogenului, 2H și 3H, primesc nume proprii: deuteriu (D) și, respectiv, tritiu (T). Un alt mod de a exprima un anumit izotop este de a enumera numărul de masă după numele elementului, cum ar fi carbon-12 sau hidrogen-3.
Teoria atomică din secolul al XIX-lea presupunea că nucleele au compoziții fixe. Dar, în 1896, omul de știință francez Henri Becquerel a descoperit că un compus de uraniu plasat lângă o placă fotografică producea o imagine pe placă, chiar dacă compusul era înfășurat într-o pânză neagră. El a considerat că compusul de uraniu emitea un fel de radiație care trecea prin pânză pentru a expune placa fotografică. Cercetările ulterioare au arătat că radiația era o combinație de particule și raze electromagnetice, având ca sursă finală nucleul atomic. Aceste emanații au fost numite în cele din urmă, în mod colectiv, radioactivitate.
Există trei forme principale de emisii radioactive. Prima se numește particulă alfa,care este simbolizată prin litera greacă α. O particulă alfa este compusă din doi protoni și doi neutroni, deci este la fel ca un nucleu de heliu. (Adesea folosim \(\ce{^{4}_{2}He}\) pentru a reprezenta o particulă alfa). Aceasta are o sarcină 2+. Atunci când un atom radioactiv emite o particulă alfa, numărul atomic al atomului original scade cu doi (din cauza pierderii a doi protoni), iar numărul său de masă scade cu patru (din cauza pierderii a patru particule nucleare). Putem reprezenta emisia unei particule alfa cu o ecuație chimică – de exemplu, emisia de particule alfa a uraniului-235 este următoarea:
\
Cum știm că un produs al reacției este \(\ce{^{231}_{90}Th}\)? Ne folosim de legea conservării materiei, care spune că materia nu poate fi creată sau distrusă. Aceasta înseamnă că trebuie să avem același număr de protoni și neutroni pe ambele părți ale ecuației chimice. Dacă nucleul nostru de uraniu pierde 2 protoni, rămân 90 de protoni, ceea ce identifică elementul ca fiind toriu. Mai mult, dacă pierdem 4 particule nucleare din cele 235 inițiale, rămân 231 de particule. Astfel, folosim scăderea pentru a identifica izotopul atomului de toriu – în acest caz, \(\ce{^{231}_{90}Th}\).
Chimiștii folosesc adesea denumirile de izotop părinte și izotop fiică pentru a reprezenta atomul original și produsul, altul decât particula alfa. În exemplul anterior, \(\ce{^{235}_{92}U}\) este izotopul părinte, iar \(\ce{^{231}_{90}Th}\) este izotopul fiică. Atunci când un element se transformă în alt element în acest mod, el suferă dezintegrare radioactivă.
Exemplu \(\PageIndex{1}\): Radon-222
Scrieți ecuația nucleară care reprezintă dezintegrarea radioactivă a radonului-222 prin emisie de particule alfa și identificați izotopul fiică.
Soluție
Radonul are numărul atomic 86, deci izotopul părinte se reprezintă sub forma \(\ce{{^{222}_{86}Rn}\). Reprezentăm particula alfa ca \(\ce{^{4}_{2}He}\) și folosim scăderea (222 – 4 = 218 și 86 – 2 = 84) pentru a identifica izotopul fiică ca fiind un izotop al poloniului, \(\mathrm{^{218}_{84}Po}\):
\(\ce{_{86}^{222}Rn\rightarrow \, _2^4He + \, _{84}^{218}Po}\)
Exercițiu \(\PageIndex{1}\): Poloniu-209
Scrieți ecuația nucleară care reprezintă dezintegrarea radioactivă a poloniului-209 prin emisie de particule alfa și identificați izotopul fiică.
Răspundeți
\(\ce{_{84}^{209}Po\rightarrow \, _2^4He + \, _{82}^{205}Pb}\)
Cel de-al doilea tip major de emisie radioactivă se numește particulă beta, simbolizată prin litera greacă β. O particulă beta este un electron ejectat din nucleu (nu din învelișurile de electroni din jurul nucleului) și are o sarcină 1-. De asemenea, putem reprezenta o particulă beta sub forma \(\ce{^0_{-1}e}\) sau β-. Efectul net al emisiei de particule beta asupra unui nucleu este acela că un neutron este transformat în proton. Numărul total de masă rămâne același, dar, deoarece numărul de protoni crește cu unu, numărul atomic crește cu unu. Carbonul-14 se dezintegrează prin emiterea unei particule beta:
\
Încă o dată, suma numerelor atomice este aceeași de ambele părți ale ecuației, la fel ca și suma numerelor de masă. (Rețineți că electronului i se atribuie un „număr atomic” de 1-, egal cu sarcina sa.)
Cel de-al treilea tip major de emisie radioactivă nu este o particulă, ci mai degrabă o formă foarte energetică de radiație electromagnetică numită raze gamma, simbolizată prin litera grecească γ. Razele gamma în sine nu poartă o sarcină electrică globală, dar pot scoate electroni din atomii dintr-o probă de materie și o pot face încărcată electric (fapt pentru care razele gamma sunt denumite radiații ionizante). De exemplu, în dezintegrarea radioactivă a radonului-222, sunt emise atât radiații alfa, cât și radiații gamma, acestea din urmă având o energie de 8,2 × 10-14 J pentru fiecare nucleu dezintegrat:
\
Aceasta poate părea puțină energie, dar dacă 1 mol de atomi de radon s-ar dezintegra, energia razelor gamma ar fi de 49 de milioane de kJ!
Exemplu \(\PageIndex{2}\): Boron-12
Scrieți ecuația nucleară care reprezintă dezintegrarea radioactivă a borului-12 prin emisie de particule beta și identificați izotopul fiică. O rază gamma este emisă simultan cu particula beta.
Soluție
Izotopul părinte este \(\ce{^{12}_{5}B}\) în timp ce unul dintre produși este un electron, \(\ce{^{0}_{-1}e}\). Pentru ca numerele de masă și atomic să aibă aceeași valoare pe ambele părți, numărul de masă al izotopului fiică trebuie să fie 12, iar numărul său atomic trebuie să fie 6. Elementul care are numărul atomic 6 este carbonul. Astfel, ecuația nucleară completă este următoarea:
\
Izotopul fiică este \(\ce{^{12}_6 C}\).
Exercițiu \(\PageIndex{2}\): Iod-131
Scrieți ecuația nucleară care reprezintă dezintegrarea radioactivă a iodului-131 prin emisie de particule beta și identificați izotopul fiică. O rază gamma este emisă simultan cu particula beta.
Răspundeți
\
Emisia alfa, beta și gamma au capacități diferite de a penetra materia. Particula alfa, relativ mare, este ușor de oprit de materie (deși poate transmite o cantitate semnificativă de energie materiei cu care intră în contact). Particulele beta pătrund ușor în materie, poate cel mult câțiva centimetri. Razele gamma pot pătrunde adânc în materie și pot transmite o cantitate mare de energie în materia înconjurătoare. Tabelul \(\(\PageIndex{1}\) rezumă proprietățile celor trei tipuri principale de emisii radioactive.
| Caracteristica | Particule alfa | Particule beta | Raze gamma |
|---|---|---|---|
| simboluri | α, \(\mathrm{_{2}^{4}He}\) | β, \(\ce{^{0}_{-1} e}}\) | γ |
| identitate | nucleu de heliu | electron | electromagnetic radiație |
| încărcare | 2+ | 1- | nimic |
| numărul masei | 4 | 0 | 0 |
| Putere de penetrare | minimală (nu va pătrunde în piele) | curtă (va pătrunde ușor în piele și în unele țesuturi) | profundă (va pătrunde adânc în țesuturi) |
Ocazional, un nucleu atomic se rupe în bucăți mai mici în cadrul unui proces radioactiv numit fisiune (sau fisiune) spontană. În mod obișnuit, izotopii fiică produși prin fisiune sunt un amestec variat de produse, mai degrabă decât un izotop specific, ca în cazul emisiei de particule alfa și beta. Adesea, fisiunea produce un exces de neutroni care vor fi uneori capturați de alte nuclee, ceea ce poate induce evenimente radioactive suplimentare. Uraniul-235 suferă fisiune spontană într-o mică măsură. O reacție tipică este
\
în care \(\ce{_0^1n}\) este un neutron. Ca în cazul oricărui proces nuclear, sumele numerelor atomice și a numerelor de masă trebuie să fie aceleași de ambele părți ale ecuației. Fuziunea spontană se întâlnește numai în nucleele mari. Cel mai mic nucleu care prezintă fisiune spontană este plumbul-208.
Fisiunea este procesul radioactiv utilizat în centralele nucleare și într-un tip de bombă nucleară.
Key Takeaway
Principalele tipuri de radioactivitate includ particule alfa, particule beta și raze gamma.
Exercițiu de revizuire a conceptului
-
Care sunt principalele tipuri de radioactivitate? Scrieți ecuații chimice care să demonstreze fiecare tip.
Răspuns
-
Tipurile majore de radioactivitate sunt dezintegrarea alfa, dezintegrarea beta și emisia de raze gamma; dezintegrarea alfa cu emisie gamma: \(\mathrm{_{86}^{222}Rn \rightarrow \, _{84}^{218}Po + \, ^4_2He + \gamma}\); dezintegrare beta: \(\ce{_6^{14}C \rightarrow _7^{14}N + ^0_{-1}e}\) (răspunsurile vor varia)
.