Promieniotwórczość naturalna i sztuczna - To jest chemia 1 (ZR)

1.Trwałość jądra atomowego

Jądro atomowe jest trwałe, gdy siły przyciągania między nukleonami (protonami i neutronami) są większe od sił odpychania między protonami.

2.Izotopy promieniotwórcze (radioizotopy, radionuklidy)

Izotopy pierwiastków, których jądra atomowe ulegają samorzutnemu rozpadowi.

3.Pierwiastki promieniotwórcze

Pierwiastki, których wszystkie izotopy są nietrwałe.

4.Promieniotwórczość (radioaktywność)

Zjawisko przemian nietrwałego jądra atomowego, trwających aż do powstania trwałego atomu; powstają przy tym inne pierwiastki i następuje emisja promieniowania. Wyróżnia się promieniotwórczość naturalną (izotopy występujące w przyrodzie) i sztuczną (izotopy wytworzone przez człowieka). Substancje i obszary promieniotwórcze oznacza się symbolem ostrzegawczym, bo promieniowanie powyżej pewnej dawki szkodzi człowiekowi.

5.Bekerel i siwert

Bekerel (Bq) to jednostka radioaktywności równa jednemu rozpadowi na sekundę. Siwert (Sv) to jednostka równoważnej dawki promieniowania jonizującego - w siwertach na godzinę (Sv/h) podaje wartość promieniowania licznik Geigera-Müllera.

6.Odkrycie promieniotwórczości

Becquerel zauważył, że związki uranu emitują promieniowanie przenikające przez czarny papier i naświetlające błonę fotograficzną. Maria Skłodowska-Curie wprowadziła termin promieniotwórczość; z Pierre'em Curie wykazała, że źródłem promieniowania są atomy uranu (wolne i w związkach), i wyodrębniła z minerałów uranu dwa nowe pierwiastki: polon i rad.

7.Promieniotwórczość naturalna

Samorzutna przemiana jąder atomowych, w której wyniku powstają inne pierwiastki chemiczne i następuje emisja promieniowania (głównie α i β-). Szczególnie nietrwałe są pierwiastki o liczbie atomowej $Z > 82$, a trwałość izotopu zależy od stosunku liczby protonów do liczby neutronów w jądrze.

8.Reguła przesunięć Soddy'ego-Fajansa

Określa, jak zmieniają się liczba atomowa Z i liczba masowa A jądra na skutek emisji promieniowania: w przemianie α liczba masowa maleje o 4, a liczba atomowa o 2; w przemianie β- liczba masowa się nie zmienia, a liczba atomowa rośnie o 1.

9.Przemiana α

Rozpad promieniotwórczy jądra atomowego połączony z emisją jądra atomu helu, czyli cząstki α $\ce{^{4}_{2}He}$ (2 protony i 2 neutrony): $\ce{^{A}_{Z}E -> ^{A-4}_{Z-2}X + ^{4}_{2}He}$. Powstaje jądro innego pierwiastka. Ulegają jej głównie jądra pierwiastków ciężkich, np. radu, uranu i polonu.

10.Przemiana β-

Rozpad promieniotwórczy jądra połączony z emisją elektronu, czyli cząstki β- ($\ce{^{0}_{-1}e}$), który powstaje z przemiany neutronu: $\ce{n -> p + e- + \bar{\nu}}$. Liczba atomowa rośnie o 1, a liczba masowa się nie zmienia: $\ce{^{A}_{Z}E -> ^{A}_{Z+1}X + ^{0}_{-1}e}$. Antyneutrino elektronowe ($\bar{\nu}$) - obojętną cząstkę o bardzo małej masie - pomija się w uproszczonym zapisie.

11.Rodzaje promieniowania jądrowego

Promieniowanie α to strumień jąder atomów helu, promieniowanie β- - strumień elektronów, a promieniowanie γ - promieniowanie elektromagnetyczne. Naturalnym rozpadom towarzyszy głównie promieniowanie α i β-, a wzbudzone przez nie jądro może emitować promieniowanie γ.

12.Przenikliwość promieniowania α, β- i γ

Promieniowanie α ma niską przenikliwość - zatrzymuje je kartka papieru. Promieniowanie β- przenika przez papier, ale zatrzymuje je cienka blacha aluminiowa lub szklana szyba. Promieniowanie γ ma największą przenikliwość - zatrzymuje je dopiero blok ołowiany lub odpowiednio gruba ściana betonu.

13.Promieniowanie γ

Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez jądra w stanie wzbudzonym (z nadmiarem energii), które w ten sposób wracają do stanu podstawowego. Nie zmienia ani liczby masowej, ani atomowej - nie powstaje nowy pierwiastek. Jądro wzbudzone oznacza się gwiazdką, np. $\ce{^{60}_{27}Co^* -> ^{60}_{27}Co + \gamma}$.

14.Szereg promieniotwórczy

Sekwencja 10-14 kolejnych przemian, w której jądro promieniotwórcze przemienia się w kolejne, często też nietrwałe jądra, aż powstanie izotop trwały - zwykle ołowiu lub bizmutu. Szeregi nazywa się też rodzinami promieniotwórczymi. Przemiany w jądrach to rozpad promieniotwórczy; zachodzi on ze stałą szybkością, charakterystyczną dla izotopu i niezależną od czynników zewnętrznych.

15.Rodzaje szeregów promieniotwórczych

Naturalne: uranowo-aktynowy (zaczyna się od $\ce{^{235}U}$, obejmuje $\ce{^{227}Ac}$), uranowo-radowy (od $\ce{^{238}U}$, obejmuje $\ce{^{226}Ra}$) i torowy (od $\ce{^{232}Th}$). Sztuczny: neptunowy, zaczynający się od $\ce{^{237}Np}$, który nie występuje w przyrodzie, a otrzymuje się go w reakcjach jądrowych z $\ce{^{241}Pu}$.

16.Szereg uranowo-radowy

Naturalny szereg, który zaczyna się od uranu-238, a kończy na trwałym ołowiu-206. Przemiany α i β- następują po sobie: uran-238 ulega przemianie α do toru-234, ten - przemianie β- do protaktynu-234, a ten - przemianie β- do uranu-234; dalej powstają m.in. rad-226 i radon-222.

17.Okres półtrwania $t_{1/2}$

Czas, po którym połowa liczby atomów izotopu promieniotwórczego ulega przemianie - aktywność promieniotwórcza i masa izotopu zmniejszają się wtedy o połowę. Nazywa się go też okresem połowicznego zaniku lub czasem połowicznego rozpadu. Dla różnych izotopów wynosi od $10^{-9}$ s do $10^{15}$ lat.

18.Nuklid trwały

Nuklid, którego okres półtrwania jest dłuższy niż $10^{9}$ lat. Większość pierwiastków występuje w przyrodzie w postaci nuklidów trwałych.

19.Promieniotwórczość sztuczna

Dotyczy izotopów promieniotwórczych wytwarzanych przez człowieka z innych pierwiastków w wyniku wymuszonych przemian jądrowych. Nuklidy promieniotwórcze biorące udział w sztucznych przemianach jądrowych muszą najpierw zostać wytworzone przez człowieka.

20.Pierwsza reakcja jądrowa wywołana przez człowieka

Rutherford bombardował azot rozpędzonymi cząstkami α i otrzymał tlen - po raz pierwszy przekształcił jeden pierwiastek w inny: $\ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H}$. Zapoczątkowało to przemiany jądrowe z udziałem pierwiastków o małych liczbach atomowych.

21.Odkrycie neutronu

Chadwick odkrył neutron, bombardując cząstkami α jądra berylu: $\ce{^{9}_{4}Be + ^{4}_{2}He -> ^{12}_{6}C + ^{1}_{0}n}$. Neutrony nie mają ładunku, więc wnikają do jąder znacznie łatwiej niż dodatnie cząstki α - otworzyło to nowe możliwości reakcji jądrowych.

22.Otrzymywanie sztucznych izotopów promieniotwórczych

Jako pierwsi zaobserwowali je Irène i Frédéric Joliot-Curie: bombardując cząstkami α jądra m.in. boru, otrzymali nietrwały izotop azotu: $\ce{^{10}_{5}B + ^{4}_{2}He -> ^{13}_{7}N + ^{1}_{0}n}$. Enrico Fermi wykazał, że pod wpływem bombardowania neutronami prawie wszystkie pierwiastki tworzą izotopy promieniotwórcze.

23.Uproszczony zapis przemiany jądrowej

Przed nawiasem zapisuje się jądro bombardowane, w nawiasie - cząstkę bombardującą i po przecinku cząstki emitowane, a za nawiasem - jądro powstające. Np. $\ce{^{27}_{13}Al}$ (α, n) $\ce{^{30}_{15}P}$ oznacza reakcję $\ce{^{27}_{13}Al + ^{4}_{2}He -> ^{30}_{15}P + ^{1}_{0}n}$.

24.Otrzymanie neptunu i plutonu

Neptun $\ce{^{239}_{93}Np}$ był pierwszym otrzymanym pierwiastkiem cięższym od uranu. Ulega przemianie β- do plutonu: $\ce{^{239}_{93}Np -> ^{239}_{94}Pu + ^{0}_{-1}e}$. Pluton-239 wytwarza się w reaktorach jądrowych z naturalnego izotopu uranu.

25.Rozszczepienie jądrowe

Podział jądra atomowego po zderzeniu z neutronem na 2 lub więcej porównywalnych co do wielkości części; uwalniają się przy tym 2 lub 3 neutrony, np. $\ce{^{1}_{0}n + ^{235}_{92}U -> ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3 ^{1}_{0}n}$. Główne materiały rozszczepialne to uran-235, uran-233, pluton-239 i pluton-241.

26.Reakcja łańcuchowa

Reakcja, w której produkt pierwszej przemiany jest substratem kolejnej. W rozszczepieniu neutrony uwolnione z jednego jądra rozszczepiają następne jądra, więc reakcja może przebiegać lawinowo aż do wyczerpania substratów.

27.Kontrolowana i niekontrolowana reakcja łańcuchowa

Kontrolowana reakcja łańcuchowa przebiega w reaktorach jądrowych, m.in. w elektrowniach jądrowych. Niekontrolowana przebiega gwałtownie, z jednorazowym wydzieleniem olbrzymiej ilości energii - zachodzi w bombie atomowej, gdy ilość materiału rozszczepialnego jest nie mniejsza niż masa krytyczna.

28.Masa krytyczna

Najmniejsza zwarta masa pierwiastka promieniotwórczego potrzebna, aby zaszła samorzutna, niekontrolowana łańcuchowa reakcja rozszczepienia.

29.Fuzja jądrowa (synteza termojądrowa)

Reakcja łączenia się jąder atomowych w jedno cięższe jądro, np. $\ce{^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H -> ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n}$ - z jąder deuteru i trytu powstają jądro helu i neutron.

30.Reaktor jądrowy

Urządzenie do przeprowadzania reakcji łańcuchowej w paliwie jądrowym w sposób kontrolowany; pierwszy uruchomiła grupa fizyków pod kierunkiem Enrica Fermiego. Reaktory służą do badań, wytwarzania plutonu-239 i innych izotopów oraz do produkcji gorącej wody i energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych i na okrętach atomowych.

31.Zalety i zagrożenia energetyki jądrowej

Wytwarzanie energii w elektrowniach jądrowych w mniejszym stopniu niż spalanie paliw zanieczyszcza środowisko. Obawy budzą możliwe napromieniowanie po awarii oraz konieczność długotrwałego, bezpiecznego składowania zużytego, wysoce radioaktywnego paliwa.

32.Zastosowania izotopów promieniotwórczych

Archeologia: określanie wieku organizmów na podstawie zawartości $\ce{^{14}_{6}C}$. Medycyna: wykrywanie nowotworów (m.in. $\ce{^{11}_{6}C}$, $\ce{^{18}_{9}F}$) i ich leczenie ($\ce{^{60}_{27}Co}$, np. w nożu gamma). Przemysł i technika: detektory dymu z $\ce{^{241}_{95}Am}$ lub $\ce{^{238}_{94}Pu}$. Energetyka: paliwo jądrowe $\ce{^{235}_{92}U}$.