Back to chapter

9.1:

רדיאקטיביות ומשוואות גרעיניות

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

Languages

Share

האזור הצפוף ביותר באטום הוא הגרעין, המכיל פרוטונים וניטרונים, הנקראים באופן קולקטיבי נוקלאונים. סוג האטום, המוגדר על ידי מספר ספציפי של פרוטונים וניטרונים, נקרא נוקליד. הסימון לנורליד כולל סמל יסוד, מספר אטומי ומספר מסה.אחד הסימונים המקוצרים לנוקלידים עושה שימוש בשם היסוד, מקף ומספר מסה. נורלידים עם אותו מספר אטומי אך מספרי מסה שונים נקראים איזוטופים זה של זה. לכן לפחמן יש שלושה איזוטופים, המוצגים כאן.נוקלידים מאופיינים גם במצב האנרגיה שלהם. לדוגמה, האיזוטופ הפשוט טכנטיום-99 מתקיים בשני מצבים שונים:מצב אנרגיה יסודי נמוך יותר ומצב מעורר ארוך-טווח הנקרא מטא-יציב. שני המינים הללו, למרות שיש להם אותו מספר פרוטונים וניטרונים, הם נוקלידים שונים.ראוי לציון כי לכמה מהיסודות בטבלה המחזורית יש נוקלידים יציבים, הנשארים תמיד ללא שינוי. בניגוד לכך, לכמה יסודות יש רק נוקלידים לא יציבים, הנקראים רדיונוקלידים. לדוגמה, פירוק הנוקלידים הספונטני של אורניום-238 מייצר תוריום-234.התהליך נקרא התפוררות רדיואקטיבית. הנוקליד-צאצא המיוצר במהלך ההתפוררות יכול להיות יציב או רדיואקטיבי. התהליך מלווה בפליטת רסיסים קטנים, או קרינה אלקטרומגנטית.חלקיקי אלפא הם שווי ערך לגרעיני הליום. הפליטה שלהם מפחיתה את המספר האטומי ב2 ואת מספר המסה ב4. חלקיקי ביתא הם שווי ערך לאלקטרונים.כשהם נפלטים, המספר האטומי של הנוקליד הצאצא גדל ב-1. כיוון שהיא נושאת מטען שלילי, הקרינה נקראת ביטא-מינוס. פליטת פוזיטרון, בעל אותה מסה כמו של אלקטרון אך עם מטען הפוך, מפחיתה את המספר האטומי ב-1.לעיתים קרובות התהליך נקרא קרינת ביתא-פלוס. קרני גמא הם בעלי קרינה אלקטרומגנטית עם אנרגיה גבוהה, שהפליטה שלהן אינה משנה את המספר האטומי או את מספר המסה. פליטת פרוטונים מפחיתה את מספר המסה ואת המספר האטומי ב-1 כל אחד, בעוד שפליטת ניטרונים מפחיתה את מספר המסה ב-1.משוואות גרעיניות ממפות את ההפרש בין נוקלידי האב לנוקלידים הצאצאים ומעידים על אופיה של ההתפוררות. ההתפוררות הרדיואקטיבית של אורניום-238 לתוריום-234 מלווה בפליטת חלקיקי אלפא. משוואות גרעיניות מאוזנות בדיוק כמו משוואות כימיות.סך מספרי המסה הוא זהה בכל צד של המשוואה. כיוון שזו התפוררות אלפא, כך גם סך המספרים האטומיים.

9.1:

רדיאקטיביות ומשוואות גרעיניות

Nuclear chemistry is the study of reactions that involve changes in nuclear structure. The nucleus of an atom is composed of protons and, except for hydrogen, neutrons. The number of protons in the nucleus is called the atomic number (Z) of the element, and the sum of the number of protons and the number of neutrons is the mass number (A). Atoms with the same atomic number but different mass numbers are isotopes of the same element.

A nuclide of an element has a specific number of protons and neutrons and is in a specific nuclear energy state. The notation for a nuclide is Eq1 , where X is the symbol for the element, A is the mass number, and Z is the atomic number. There are also several shorthand notations for nuclides, many of which omit the atomic number. For example, Eq2  may be written carbon-14, C-14, or 14C.

If the nuclide is in a temporary excited state, this is typically denoted with an asterisk. If it is in a longer-lived excited state, called a metastable state, this is denoted by adding ‘m’ to the mass number. For example, the isotope technetium-99 exists as ground-state Eq3 and metastable Eq4. If there is more than one metastable state for a given isotope, they are numbered in increasing energy order. For example, the isotope tantalum-180 has five nuclides: ground-state Eq5 and metastable states Eq11 , Eq6 , Eq7 , and Eq8 .

Nuclear reactions are the transformations of one or more nuclides into another, which occur via changes in the atomic numbers, mass numbers, or nuclear energy states of nuclei. To describe a nuclear reaction, we use an equation that identifies the nuclides and particles involved in the reaction. As with chemical reactions, nuclear reactions obey conservation of mass: the sum of the mass numbers of the reactants equals the sum of the mass numbers of the products.

Many different particles or photons can be involved in nuclear reactions. The most common include alpha particles (α or Eq19 ), which are high-energy helium-4 nuclei; beta particles (β), which include electrons (e or β) and positrons (e+ or β+); gamma rays (γ); neutrons (Eq12 ); and protons (p+ or Eq10 ).

Some nuclides remain intact indefinitely, or are stable, whereas others spontaneously transform into other nuclides, or are unstable. The spontaneous change of an unstable nuclide into another is radioactive decay. The unstable nuclide is called the parent nuclide, and the nuclide that results from the decay is known as the daughter nuclide. The daughter nuclide may be stable, or it may decay itself.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 21.1: Nuclear Structure and Stability and Openstax, Chemistry 2e, Section 21.2: Nuclear Equations.

Additional Sources

IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook. Accessed 2021-01-10

International Atomic Energy Agency, Nuclear Data Section. Live Chart of Nuclides. https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/VChartHTML.html. Accessed 2021-01-10