Chemia/Reakcje jądrowe

Trwałość jądra atomowego

• Trwałość jądra atomowego jest wynikiem działania sił jądrowych. Są to siły działające na odległość nie przekraczającą rozmiarów jądra (10^-14 – 10^-15 m).
• Energia wiązania jądra to energia, którą należałoby dostarczyć w celu rozbicia jądra na nukleony. Jej wartość jest podawana zazwyczaj w przeliczeniu na 1 nukleon.
• Wartość energii wiązania nukleonu zależy od liczby masowej pierwiastka i waha się w granicach 5 - 8,7 MeV.
• O trwałości jadra decydują następujące czynniki:
  • stosunek liczby neutronów do liczby protonów,
  • parzystość (najtrwalsze charakteryzują się parzystą liczbą neutronów i protonów),
  • sposób zapełnienia powłok protonowych i neutronowych opisany liczbami magicznymi (2, 8, 20, 50, 82, 126)
• Konsekwencją trwałości pierwiastków o magicznej liczbie protonów jest duża liczba naturalnych izotopów (Sn – 10 izotopów, liczba magiczna 50).
• Pierwiastki o największej masie, posiadające trwałe izotopy to Pb (Z = 82) i Bi (Z = 83).
• Pierwiastki o liczbach atomowych powyżej 83 są naturalnymi pierwiastkami promieniotwórczymi.
• W przypadku jąder o dużej masie następuje zazwyczaj zmniejszenie liczby protonów w wyniku emisji cząstki α (jądra helu).
• Rozpadowi jądra towarzyszy często emisja promieniowania.

Okres połowicznego rozpadu

• Okres połowicznego rozpadu [math]\tau_\nicefrac{1}{2}[/math] jest wielkością charakterystyczną dla każdego radionuklidu — określa czas, po którym połowa atomów pierwiastka promieniotwórczego ulega rozpadowi (wartości wahają się w szerokich granicach, od 10^-4 s do 109 lat).
• Masa radionuklidu (m) w czasie (t) jest związana z okresem połowicznego rozpadu [math]\tau_\nicefrac{1}{2}[/math] zależnością:

[math] m = m_02^{-\frac{t}{\tau_\nicefrac{1}{2}}}[/math]

gdzie: [math]m_0[/math] i [math]m[/math] oznaczają odpowiednio początkową masę próbki oraz po czasie (t) a [math]\tau_\nicefrac{1}{2}[/math] jest połowicznym okresem rozpadu.

Typy przemian jądrowych

• Przemiany jądrowe prowadzą do zmniejszenia liczby nukleonów
• Przemiana α — przemiana typowa dla ciężkich jąder polega na emisji dodatnich jonów helu i prawie zawsze promieniowania γ, co prowadzi do zmniejszenia zarówno liczby protonów, jak i neutronów:

[math]_{88}^{226}\mathrm{Ra}\rightarrow _{86}^{222}\mathrm{Rn}[/math]

• W przypadku nadmiaru neutronów w jądrze następuje przemiana β¯ (rozpad neutronu na proton, elektron i neutrino).

[math]_0^1 n \rightarrow _1^1p +_{-1}^0e +\bar{\nu}_e[/math]

• W przypadku nadmiaru protonów następuje przemiana β⁺ (przemiana protonu w neutron, pozyton i neutrino)

[math] _1^1p\rightarrow _0^1 n +_1^0e +\nu_e[/math]

lub wychwyt K (wychwyt elektronu z powłoki K)

[math] _1^1p+_{-1}^0e\rightarrow _0^1 n+\nu_e[/math]

• Przemiana β¯ oraz wychwyt K to przemiany jądrowe typowe dla naturalnych izotopów promieniotwórczych, przemiana β⁺ zachodzi w przypadku izotopów promieniotwórczych otrzymanych sztucznie.

Reguła przesunięć Fajansa-Soddy’ego

• W wyniku emisji cząstki α masa jądra ulega zmniejszeniu o 4 jednostki, a ładunek zmniejszeniu o 2 ładunki elementarne:

[math]_Z^A\mathrm X \rightarrow _{Z-2}^{A-4}\mathrm Y + \alpha[/math]

• W wyniku przemiany β¯ liczba masowa jądra nie ulega zmianie, natomiast ładunek wzrasta o 1:

[math]_Z^A\mathrm X \rightarrow _{Z+1}^A\mathrm Y +\ ^0_{-1}e +\bar{\nu}_e[/math]

Szeregi promieniotwórcze

• Wśród pierwiastków występujących w przyrodzie wyróżnia się 3 szeregi promieniotwórcze:
  • uranowo-radowy wywodzący się od izotopu uranu ²³⁸U,
  • uranowo-aktynowy wywodzący się od izotopu uranu ²³⁵U,
  • torowy wywodzący się od izotopu toru ²³²Th.
• Każdy szereg promieniotwórczy rozpoczyna się stosunkowo trwałym nuklidem (zanikającym znacznie wolniej niż nuklidy stanowiące ogniwa szeregu), a kończy trwałym izotopem ołowiu (²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb).
• Otrzymany sztucznie promieniotwórczy pierwiastek neptun również tworzy szereg promieniotwórczy, który kończy się trwałym izotopem bizmutu ²⁰⁹B.

Typy reakcji jądrowych

• Proste reakcje jądrowe – cząstki bombardujące mają energię kilkudziesięciu MeV, a wchłonięcie ich przez jądro skutkuje emisją jednej lub dwóch cząstek elementarnych.
• Kruszenie jąder — rozpad pod wpływem bombardowania cząstkami o energii rzędu kilkuset MeV (utrata znacznej części masy, do 40%).
• Rozszczepienie jąder — rozpad na duże fragmenty o podobnych masach oraz 2-3 neutrony.
• Reakcje termojądrowe — łączenie najmniejszych jąder w bardzo wysokich temperaturach (10⁷-10⁸ K).

Przykłady prostych reakcji jądrowych

• Pierwsza reakcja jądrowa (John D. Cockroft i Ernest T. Walton, 1932 r) zrealizowana za pomocą wytworzonego strumienia rozpędzonych protonów:

[math]_3^7\mathrm{Li}+_1^1p\rightarrow 2 _2^4\mathrm{He}[/math].

• Reakcja jądrowa pod wpływem neutronów:

[math]_{12}^{24}\mathrm{Mg}+ _0^1n \rightarrow _{11}^{24}\mathrm{Na} + _1^1\mathrm H[/math].

• Reakcje jądrowe realizowane za pomocą cięższych pierwiastków:

[math]_{28}^{58}\mathrm{Ni}+ _3^6\mathrm{Li}\rightarrow _0^1n + _{31}^{63}\mathrm{Ga}[/math],

[math]_{29}^{65}\mathrm{Cu}+ _8^{16}\mathrm O \rightarrow 2 _0^1n + _{38}^{79}\mathrm{Rb}[/math].

Sztuczna promieniotwórczość

• Sztuczna promieniotwórczość to proces wytwarzanie pierwiastków promieniotwórczych w reakcjach jądrowych. Pierwsze takie reakcje zostały przeprowadzone w 1934 roku przez Fryderyka Joliot-Curie i Irenę Joliot-Curie:

[math]_{13}^{27}\mathrm{Al}+ _2^4\mathrm{He}\rightarrow _{15}^{30}\mathrm{P} + _0^1n[/math],

[math]_{15}^{30}\mathrm{P}\rightarrow _{14}^{30}\mathrm{Si} + _1^0e + \nu_e[/math],

[math]_{12}^{24}\mathrm{Mg} + _2^4\mathrm{He}\rightarrow _{14}^{27}\mathrm{Si} +_0^1n[/math],

[math]_{14}^{27}\mathrm{Si}\rightarrow _{13}^{27}\mathrm{Al}+_1^0e + \nu_e[/math].

• Sztuczne pierwiastki promieniotwórcze są nietrwałe, ich rozpad odbywa się zwykle z wydzieleniem pozytonu (przemiana β⁺).
• Obecnie izotopy promieniotwórcze uzyskuje się w akceleratorach (urządzeniach przyspieszających cząstki bombardujące) oraz w reaktorach jądrowych.

Działanie promieniowania jądrowego

• Wpływ promieniowania na organizmy zależy od jego rodzaju (α, β, γ) oraz energii.
• Promieniowanie β, emitowane np. przez tryt (o energii 18 keV) czy węgiel 14 (o energii 155 keV) należy do najsłabszych rodzajów promieniowania.
• Promieniowanie α ma bardzo wysoką energię (rzędu kilku MeV), ale ze względu na dużą masę i ładunek jest mało przenikliwe (jego zasięg w powietrzu wynosi kilka centymetrów).
• Promieniowanie jądrowe jest promieniowaniem jonizującym. Przechodząc przez środowisko wodne powoduje tworzenie jonów oraz rodników

H₂O → H^• + OH^• H^• + O₂ → HO₂^•

• Rodniki OH^• oraz HO₂^• są bardzo silnymi utleniaczami.
• Reagują ze składnikami błon komórkowych, cząsteczkami kwasów nukleinowych i białek, powodując ich uszkodzenia.
• Jonizacja powodująca powstawanie wolnych rodników często wywołuje zmiany w strukturze genów — mutacje, które mogą prowadzić do powstawania nowotworów. Liczba mutacji zależy od ilości pochłoniętego promieniowania.
• Zagrożenie skutkami promieniowania jonizującego zależy od:
  • energii promieniowania,
  • odległości od źródła promieniowania,
  • czasu ekspozycji.
• Czynniki te mają wpływ na wielkość dawki pochłoniętej (D), której jednostką jest grej (Gy, J/kg).
  • 1Gy — energia 1 J pochłonięta przez masę 1 kg materii.
• Uszkodzenia biologiczne zależą nie tylko od energii promieniowania, ale również od jego rodzaju. Dlatego wprowadzono współczynnik jakości promieniowania (QF — quality factor), który pozwala przeliczać pochłoniętą dawkę wyrażoną w grejach na jej równoważnik — siwert (D x QF).

Zastosowanie izotopów promieniotwórczych

• Wskaźniki promieniotwórcze (badanie procesów dyfuzji, przepływów, zużywalności materiałów, rozpuszczalności osadów, określanie mechanizmów reakcji chemicznych i biochemicznych).
• Radioterapia chorób nowotworowych (wykorzystanie kobaltu-60, intensywnego emitera promieniowania γ).
• Diagnostyka medyczna (J-131 w badaniu czynności tarczycy, Pu-238 w bateriach zasilających stabilizatory rytmu serca).
• Datowanie obiektów archeologicznych, geologicznych, biologicznych (wykorzystanie C-14 o okresie półtrwania 5600 lat).
• Wytwarzanie energii jądrowej (budowa reaktorów jądrowych).