Introductory Chemistry – 1st Canadian Edition

V kapitole 3 „Atomy, molekuly a ionty“ jsme viděli, že atomy se skládají ze subatomárních částic – protonů, neutronů a elektronů. Protony a neutrony se nacházejí v jádře a zajišťují většinu hmotnosti atomu, zatímco elektrony obklopují jádro ve slupkách a podslupkách a odpovídají za velikost atomu.

V kapitole 3 „Atomy, molekuly a ionty“ jsme se také seznámili se zápisem pro stručné vyjádření izotopu určitého atomu:

612C

Prvkem v tomto příkladu, reprezentovaným symbolem C, je uhlík. Jeho atomové číslo, 6, je index vedle symbolu a vyjadřuje počet protonů v atomu. Hmotnostní číslo, horní index vedle symbolu, je součet počtu protonů a neutronů v jádře tohoto konkrétního izotopu. V tomto případě je hmotnostní číslo 12, což znamená, že počet neutronů v atomu je 12 – 6 = 6 (to znamená, že hmotnostní číslo atomu minus počet protonů v jádře se rovná počtu neuronů). Občas se v tomto zápisu atomové číslo vynechává, protože samotný symbol prvku vyjadřuje jeho charakteristické atomové číslo. Dva izotopy vodíku – 2H a 3H – mají své vlastní názvy a symboly: deuterium (D) a tritium (T).

Atomová teorie v devatenáctém století předpokládala, že jádra mají pevné složení. V roce 1896 však francouzský vědec Henri Becquerel zjistil, že sloučenina uranu umístěná v blízkosti fotografické desky vytváří na desce obraz, i když je sloučenina zabalena v černé látce. Odůvodnil to tím, že uranová sloučenina vyzařuje určitý druh záření, které prochází látkou a exponuje fotografickou desku. Další výzkumy ukázaly, že záření je kombinací částic a elektromagnetického záření, jehož konečným zdrojem je atomové jádro. Tato vyzařování byla nakonec souhrnně nazvána radioaktivitou.

Existují tři hlavní formy radioaktivního vyzařování. První se nazývá částice alfa, která je symbolizována řeckým písmenem α. Částice alfa se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů a je stejná jako jádro helia. (Pro označení částice alfa často používáme 24He.) Má náboj 2+. Když radioaktivní atom vyzáří částici alfa, atomové číslo původního atomu se sníží o dva (kvůli ztrátě dvou protonů) a jeho hmotnostní číslo se sníží o čtyři (kvůli ztrátě čtyř jaderných částic). Emisi částice alfa můžeme znázornit chemickou rovnicí – například emise částice alfa uranu-235 vypadá následovně:

92235U → 24He+90231Th

Tuto rovnici nenazýváme rovnicí chemickou, ale rovnicí jadernou, abychom zdůraznili, že ke změně dochází v atomovém jádře. Jak víme, že produktem této reakce je90231Th? Použijeme zákon zachování hmoty, který říká, že hmotu nelze vytvořit ani zničit. To znamená, že na obou stranách jaderné rovnice musíme mít stejný počet protonů a neutronů. Pokud naše jádro uranu ztratí 2 protony, zůstane 90 protonů, což identifikuje prvek jako thorium. Navíc pokud ztratíme 4 jaderné částice z původních 235, zůstane nám 231 částic. Pomocí odečítání tedy identifikujeme izotop atomu Th – v tomto případě 90231Th.

Chemisté často používají názvy mateřský izotop a dceřiný izotop pro označení původního atomu a jiného produktu než částice alfa. V předchozím příkladu je 92235U

rodičovský izotop a 90231Th je dceřiný izotop. Když se jeden prvek tímto způsobem mění na jiný, podléhá radioaktivnímu rozpadu.

Druhý hlavní typ radioaktivní emise se nazývá částice beta, která se symbolizuje řeckým písmenem β. Částice beta je elektron vyvržený z jádra (nikoliv ze slupek elektronů kolem jádra) a má náboj 1-. Částice beta je elektron vyvržený z jádra (nikoliv ze slupek elektronů kolem jádra). Částici beta můžeme také znázornit jako -10e. Čistý účinek emise částic beta na jádro je ten, že se neutron přemění na proton. Celkové hmotnostní číslo zůstává stejné, ale protože se počet protonů zvýší o jeden, atomové číslo se zvýší o jeden. Uhlík-14 se rozpadá vyzářením částice beta:

614C → 714N +-10e

Součet atomových čísel je opět na obou stranách rovnice stejný, stejně jako součet hmotnostních čísel. (Všimněte si, že elektronu je přiřazeno „atomové číslo“ -1, které se rovná jeho náboji.)

Třetím hlavním typem radioaktivního záření není částice, ale velmi energetická forma elektromagnetického záření zvaná záření gama, symbolizovaná řeckým písmenem γ. Záření gama samo o sobě nenese celkový elektrický náboj, ale může vyrazit elektrony z atomů ve vzorku látky a učinit jej elektricky nabitým (pro což se záření gama označuje jako ionizující záření). Například při radioaktivním rozpadu radonu-222 se vyzařuje jak záření alfa, tak záření gama, přičemž záření gama má energii 8,2 × 10-14 J na jedno rozpadlé jádro:

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

To se nemusí zdát jako velká energie, ale pokud by se rozpadl 1 mol atomů Rn, energie záření gama by činila 4,2 × 10-14 J.9 × 107 kJ!

Emitace alfa, beta a gama mají rozdílnou schopnost pronikat hmotou. Relativně velká částice alfa je hmotou snadno zastavena (i když může předat hmotě, s níž se setká, značné množství energie). Částice beta pronikají do hmoty nepatrně, maximálně snad několik centimetrů. Paprsky gama mohou proniknout hluboko do hmoty a mohou předat okolní hmotě velké množství energie. Tabulka 15.1 „Tři hlavní formy radioaktivních emisí“ shrnuje vlastnosti tří hlavních typů radioaktivních emisí.

Příležitostně, atomové jádro rozpadne na menší části v radioaktivním procesu zvaném spontánní štěpení (nebo štěpení). Dceřiné izotopy vznikající při štěpení jsou obvykle pestrou směsí produktů, nikoliv konkrétním izotopem jako při emisi částic alfa a beta. Při štěpení často vzniká přebytek neutronů, které se někdy zachytí na jiných jádrech, což může vyvolat další radioaktivní události. Uran-235 podléhá spontánnímu štěpení v malé míře. Jednou z typických reakcí je

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

kde 01n je neutron. Jako u každého jaderného procesu musí být součty atomových čísel a hmotnostních čísel na obou stranách rovnice stejné. Spontánní štěpení se vyskytuje pouze u velkých jader. Nejmenší jádro, které vykazuje spontánní štěpení, je olovo-208. (Štěpení je radioaktivní proces používaný v jaderných elektrárnách a v jednom typu jaderné bomby.)

.