19.1:

19.1: Promieniotwórczość i równania jądrowe

Radioactivity and Nuclear Equations

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Radioactivity and Nuclear Equations

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

19.2: Types of Radioactivity

20,977 Views

•

03:18 min

•

September 24, 2020

Overview

Chemia jądrowa to nauka o reakcjach, które obejmują zmiany w strukturze jądrowej. Jądro atomu składa się z protonów i, z wyjątkiem wodoru, neutronów. Liczba protonów w jądrze nazywana jest liczbą atomową (Z) pierwiastka, a suma liczby protonów i liczby neutronów to liczba masowa (A). Atomy o tej samej liczbie atomowej, ale różnych liczbach masowych są izotopami tego samego pierwiastka.

Nuklid pierwiastka ma określoną liczbę protonów i neutronów i znajduje się w określonym stanie energii jądrowej. Notacja nuklidu to , gdzie X jest symbolem pierwiastka, A jest liczbą masową, a Z jest liczbą atomową. Istnieje również kilka skrótów notacji nuklidów, z których wiele pomija liczbę atomową. Na przykład może być zapisane jako węgiel-14, C-14 lub ¹⁴C.

Jeśli nuklid znajduje się w tymczasowym stanie wzbudzonym, jest to zwykle oznaczane gwiazdką. Jeśli znajduje się w długotrwałym stanie wzbudzonym, zwanym stanem metastabilnym, oznacza się to dodaniem “m” do liczby masowej. Na przykład izotop technetu-99 występuje w stanie podstawowym i metastabilny . Jeśli dla danego izotopu występuje więcej niż jeden stan metastabilny, są one numerowane w rosnącej kolejności energetycznej. Na przykład izotop tantalu-180 ma pięć nuklidów: stan podstawowy i stany metastabilne , , , oraz .

Reakcje jądrowe to przemiany jednego lub więcej nuklidów w inny, które zachodzą poprzez zmiany liczb atomowych, liczb masowych lub stanów energii jądrowej jąder. Aby opisać reakcję jądrową, używamy równania, które identyfikuje nuklidy i cząstki biorące udział w reakcji. Podobnie jak w przypadku reakcji chemicznych, reakcje jądrowe podlegają zachowaniu masy: suma liczb masowych reagentów jest równa sumie liczb masowych produktów.

W reakcjach jądrowych może brać udział wiele różnych cząstek lub fotonów. Do najczęstszych należą cząstki alfa (α lub ), które są wysokoenergetycznymi jądrami helu-4; cząstki beta (β), które obejmują elektrony (e⁻ lub β⁻) i pozytony (e⁺ lub β⁺); promienie gamma (γ); neutrony ( ); i protony (p⁺ lub ).

Niektóre nuklidy pozostają nienaruszone w nieskończoność lub są stabilne, podczas gdy inne spontanicznie przekształcają się w inne nuklidy lub są niestabilne. Spontaniczna przemiana niestabilnego nuklidu w inny jest rozpadem promieniotwórczym. Niestabilny nuklid nazywany jest nuklidem macierzystym, a nuklid powstający w wyniku rozpadu jest znany jako nuklid potomny. Nuklid potomny może być stabilny lub może ulec samorozpadowi.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 21.1: Struktura jądrowa i stabilność oraz Openstax, Chemia 2e, Sekcja 21.2: Równania jądrowe.

Dodatkowe źródła

IUPAC. Kompendium Terminologii Chemicznej, wyd. 2 (“Złota Księga”). Opracowane przez A. D. McNaughta i A. Wilkinsona. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Wersja online (2019-) stworzona przez S. J. Chalka. https://doi.org/10.1351/goldbook. dostęp 2021-01-10

Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej, Sekcja Danych Jądrowych. Wykres nuklidów na żywo. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html. dostęp 2021-01-10

Transcript

Najgęstszym obszarem atomu jest jądro, zawierające protony i neutrony – zbiorczo nazywane nukleonami.

Rodzaj atomu zdefiniowany przez określoną liczbę protonów i neutronów jest określany jako nuklid. Notacja nuklidu składa się z symbolu pierwiastka, liczby atomowej i liczby masowej.

Jedna z kilku skróconych notacji nuklidów używa nazwy pierwiastka, łącznika i liczby masowej.

Nuklidy o tej samej liczbie atomowej, ale różnych liczbach masowych nazywane są wzajemnymi izotopami. Tak więc węgiel ma trzy pokazane tutaj izotopy.

Nuklidy charakteryzują się również stanem energetycznym. Na przykład pojedynczy izotop technetu-99 występuje w dwóch różnych stanach: stanie podstawowym o niższej energii i długożyciowym stanie wzbudzonym zwanym stanem metastabilnym. Te dwa gatunki, mimo że mają taką samą liczbę protonów i neutronów, są różnymi nuklidami.

Co ciekawe, niektóre pierwiastki w układzie okresowym mają stabilne nuklidy, które pozostają nienaruszone w nieskończoność. Natomiast niektóre pierwiastki mają tylko niestabilne nuklidy, zwane radionuklidami. Na przykład spontaniczny rozpad jądrowy uranu-238 wytwarza tor-234. Proces ten określa się mianem rozpadu promieniotwórczego.

Nuklid potomny wytwarzany podczas rozpadu może być stabilny lub radioaktywny. Procesowi temu towarzyszy emisja drobnych fragmentów lub promieniowania elektromagnetycznego.

Cząstki alfa są odpowiednikiem jąder helu. Ich emisja zmniejsza liczbę atomową o 2, a liczbę masową o 4.

Cząstki beta są równoważne elektronom; po wyemitowaniu liczba atomowa nuklidu potomnego wzrasta o 1. Ponieważ przenoszą one ładunek ujemny, nazywa się to promieniowaniem beta-minus.

Emisja pozytonu, który ma taką samą masę jak elektron, ale przeciwny ładunek, zmniejsza liczbę atomową o 1. Często określa się ją mianem emisji beta-plus.

Promienie gamma to wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne, którego emisja nie zmienia ani liczby atomowej, ani masowej.

Emisja protonów zmniejsza liczbę masową i liczbę atomową o 1 każdy, podczas gdy emisja neutronów zmniejsza liczbę masową o 1.

Równania jądrowe odwzorowują różnicę między nuklidami macierzystymi i potomnymi oraz wskazują naturę rozpadu.

Rozpadowi promieniotwórczemu uranu-238 do toru-234 towarzyszy emisja cząstek alfa.

Równania jądrowe są zrównoważone, tak samo jak równania chemiczne. Suma liczb masowych jest taka sama po każdej stronie równania. Ponieważ jest to rozpad alfa, tak samo jest z sumą liczb atomowych.

Key Terms and definitions

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for