Indledende kemi – 1. canadiske udgave

Vi så i kapitel 3 “Atomer, molekyler og ioner”, at atomerne består af subatomare partikler – protoner, neutroner og elektroner. Protoner og neutroner befinder sig i atomkernen og udgør størstedelen af et atoms masse, mens elektroner omkredser atomkernen i skaller og underskaller og står for atomets størrelse.

Vi introducerede også i kapitel 3 “Atomer, molekyler og ioner” notationen til kortfattet at repræsentere en isotop af et bestemt atom:

612C

Elementet i dette eksempel, repræsenteret ved symbolet C, er kulstof. Dets atomnummer, 6, er det dyrekryds, der står ved siden af symbolet, og det er antallet af protoner i atomet. Massetallet, der står i overskrift ved siden af symbolet, er summen af antallet af protoner og neutroner i kernen af denne særlige isotop. I dette tilfælde er massetallet 12, hvilket betyder, at antallet af neutroner i atomet er 12 – 6 = 6 (dvs. at atomets massetal minus antallet af protoner i kernen er lig med antallet af neutroner). Lejlighedsvis udelades atomnummeret i denne notation, fordi selve symbolet for grundstoffet formidler dets karakteristiske atomnummer. De to isotoper af brint – 2H og 3H – har fået deres egne navne og symboler: henholdsvis deuterium (D) og tritium (T).

Atomteorien i det nittende århundrede antog, at atomkerner havde faste sammensætninger. Men i 1896 fandt den franske videnskabsmand Henri Becquerel ud af, at en uranforbindelse, der blev anbragt i nærheden af en fotografisk plade, gav et billede på pladen, selv om forbindelsen var pakket ind i et sort klæde. Han konkluderede, at uranforbindelsen udsendte en form for stråling, som gik gennem stoffet for at eksponere den fotografiske plade. Yderligere undersøgelser viste, at strålingen var en kombination af partikler og elektromagnetiske stråler, og at atomkernen var den endelige kilde. Disse udstrålinger blev i sidste ende samlet set kaldt for radioaktivitet.

Der er tre hovedformer af radioaktive udstrålinger. Den første kaldes en alfapartikel, som symboliseres med det græske bogstav α. En alfapartikel består af to protoner og to neutroner og er det samme som en heliumkerne. (Vi bruger ofte 24He til at repræsentere en alfapartikel.) Den har en 2+ ladning. Når et radioaktivt atom udsender en alfapartikel, falder det oprindelige atoms atomnummer med to (på grund af tabet af to protoner), og dets massetal falder med fire (på grund af tabet af fire kernepartikler). Vi kan repræsentere udsendelsen af en alfapartikel med en kemisk ligning – for eksempel er alfapartikeludsendelsen af uran-235 som følger:

92235U → 24He+90231Th

I stedet for at kalde denne ligning for en kemisk ligning kalder vi den en nuklear ligning for at understrege, at ændringen sker i en atomkerne. Hvordan ved vi, at et produkt af denne reaktion er90231Th? Vi bruger loven om bevarelse af stof, som siger, at stof ikke kan skabes eller ødelægges. Det betyder, at vi skal have det samme antal protoner og neutroner på begge sider af atomligningen. Hvis vores urankerne mister 2 protoner, er der 90 protoner tilbage, hvilket identificerer grundstoffet som thorium. Hvis vi desuden mister fire kernepartikler af de oprindelige 235 kernepartikler, er der 231 tilbage. Vi bruger således subtraktion til at identificere Th-atomets isotop – i dette tilfælde 90231Th.

Kemikere bruger ofte betegnelserne moderisotop og datterisotop til at repræsentere det oprindelige atom og det produkt, der er andet end alfapartiklen. I det foregående eksempel er 92235U

moderisotopen, og 90231Th er datterisotopen. Når et grundstof ændres til et andet på denne måde, undergår det radioaktivt henfald.

Den anden store type radioaktiv emission kaldes en beta-partikel, symboliseret med det græske bogstav β. En beta-partikel er en elektron, der kastes ud fra kernen (ikke fra elektronskallerne omkring kernen) og har en 1-ladning. Vi kan også repræsentere en beta-partikel som -10e. Nettovirkningen af betapartikels udsendelse på en kerne er, at en neutron bliver omdannet til en proton. Det samlede massetal forbliver det samme, men fordi antallet af protoner stiger med én, stiger atomnummeret med én. Kulstof-14 henfalder ved at udsende en betapartikel:

614C → 714N +-10e

Som summen af atomnumrene er igen den samme på begge sider af ligningen, ligesom summen af massetallene er den samme. (Bemærk, at elektronen tildeles et “atomnummer” på -1, svarende til dens ladning.)

Den tredje store type radioaktiv emission er ikke en partikel, men derimod en meget energirig form for elektromagnetisk stråling kaldet gammastråler, symboliseret med det græske bogstav γ. Gammastråler bærer i sig selv ikke en samlet elektrisk ladning, men de kan slå elektroner ud af atomer i en stofprøve og gøre den elektrisk ladet (hvorfor gammastråler betegnes som ioniserende stråling). Ved det radioaktive henfald af radon-222 udsendes der f.eks. både alfa- og gammastråling, hvor sidstnævnte har en energi på 8,2 × 10-14 J pr. henfaldet kerne:

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

Dette virker måske ikke som meget energi, men hvis 1 mol Rn-atomer skulle henfalde, ville gammastrålingens energi være 4.9 × 107 kJ!

Alpha-, beta- og gammastråling har forskellige evner til at trænge igennem stof. Den relativt store alfapartikel bliver let stoppet af stof (selv om den kan overføre en betydelig mængde energi til det stof, den kommer i kontakt med). Beta-partikler trænger kun svagt ind i materien, måske højst et par centimeter. Gammastråler kan trænge dybt ind i stof og kan overføre en stor mængde energi til det omgivende stof. Tabel 15.1 “De tre hovedformer af radioaktive emissioner” opsummerer egenskaberne ved de tre hovedtyper af radioaktive emissioner.

Ugengæld, bryder en atomkerne fra hinanden i mindre stykker i en radioaktiv proces, der kaldes spontan spaltning (eller fission). Typisk er de datterisotoper, der produceres ved fission, en varieret blanding af produkter, snarere end en specifik isotop som ved alfa- og beta-partikelemission. Ofte producerer fission overskydende neutroner, som undertiden vil blive indfanget af andre kerner, hvilket muligvis vil fremkalde yderligere radioaktive hændelser. Uran-235 undergår spontan fission i et lille omfang. En typisk reaktion er

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

hvor 01n er en neutron. Som ved enhver nuklear proces skal summen af atom- og massetal være den samme på begge sider af ligningen. Spontan spaltning findes kun i store kerner. Den mindste kerne, der udviser spontan spaltning, er bly-208. (Fission er den radioaktive proces, der anvendes i atomkraftværker og en type atombombe.)