Introductory Chemistry – 1st Canadian Edition

Luvussa 3 ”Atomit, molekyylit ja ionit” näimme, että atomit koostuvat subatomisista hiukkasista – protoneista, neutroneista ja elektroneista. Protonit ja neutronit sijaitsevat ytimessä ja muodostavat suurimman osan atomin massasta, kun taas elektronit kiertävät ydintä kuorissa ja alikuorissa ja muodostavat atomin koon.

Luvussa 3 ”Atomit, molekyylit ja ionit” esiteltiin myös merkintätapa, jolla voidaan lyhyesti kuvata tietyn atomin isotooppi:

612C

Elementti, jota tässä esimerkissä edustaa merkki C, on hiili. Sen järjestysluku, 6, on symbolin vieressä oleva alaviite, ja se on atomin sisältämien protonien lukumäärä. Symbolin vieressä oleva ylinumero, massaluku, on kyseisen isotoopin ytimessä olevien protonien ja neutronien lukumäärän summa. Tässä tapauksessa massaluku on 12, mikä tarkoittaa, että neutronien lukumäärä atomissa on 12 – 6 = 6 (eli atomin massaluku miinus protonien lukumäärä ytimessä on yhtä suuri kuin neutronien lukumäärä). Toisinaan atomiluku jätetään tässä merkintätavassa pois, koska alkuaineen symboli itsessään ilmaisee sille ominaisen atomiluvun. Vedyn kahdelle isotoopille – 2H ja 3H – on annettu omat nimensä ja symbolinsa: deuterium (D) ja tritium (T).

1900-luvun atomiteoriassa oletettiin, että ytimillä oli kiinteä koostumus. Ranskalainen tiedemies Henri Becquerel havaitsi kuitenkin vuonna 1896, että valokuvauslevyn lähelle asetettu uraaniyhdiste aiheutti kuvan levylle, vaikka yhdiste oli kääritty mustaan kankaaseen. Hän päätteli, että uraaniyhdisteestä lähti jonkinlaista säteilyä, joka kulki kankaan läpi valottaen valokuvauslevyn. Lisätutkimukset osoittivat, että säteily oli hiukkasten ja sähkömagneettisten säteiden yhdistelmä, jonka perimmäinen lähde oli atomiydin. Näitä säteilyjä kutsuttiin lopulta kollektiivisesti radioaktiivisuudeksi.

Radioaktiivista säteilyä on kolme pääasiallista muotoa. Ensimmäistä kutsutaan alfahiukkaseksi, jota symbolisoidaan kreikkalaisella kirjaimella α. Alfahiukkanen koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista ja on sama kuin heliumin ydin. (Käytämme usein alfahiukkasta sanaa 24He.) Sillä on varaus 2+. Kun radioaktiivinen atomi lähettää alfahiukkasen, alkuperäisen atomin järjestysluku pienenee kahdella (kahden protonin menetyksen vuoksi) ja massaluku neljällä (neljän ydinhiukkasen menetyksen vuoksi). Voimme esittää alfahiukkasen emissiota kemiallisella yhtälöllä – esimerkiksi uraani-235:n alfahiukkasen emissio on seuraava:

92235U → 24He+90231Th

Kutsumme tätä yhtälöä kemiallisen yhtälön sijasta ydinyhtälöksi korostaaksemme, että muutos tapahtuu atomiytimessä. Mistä tiedämme, että tämän reaktion tuote on90231Th? Käytämme aineen säilymislakia, jonka mukaan ainetta ei voi luoda eikä tuhota. Tämä tarkoittaa, että meillä on oltava sama määrä protoneja ja neutroneita ydinyhtälön molemmilla puolilla. Jos uraaniydin menettää 2 protonia, jäljelle jää 90 protonia, jolloin alkuaine on torium. Lisäksi jos menetämme neljä ydinhiukkasta alkuperäisestä 235:stä, jäljelle jää 231 hiukkasta. Näin ollen käytämme vähennyslaskentaa Th-atomin isotoopin tunnistamiseen – tässä tapauksessa 90231Th.

Kemistit käyttävät usein nimityksiä kantaisotooppi ja tytärisotooppi kuvaamaan alkuperäistä atomia ja muuta tuotetta kuin alfahiukkasta. Edellisessä esimerkissä 92235U

on kantaisotooppi ja 90231Th on tytärisotooppi. Kun yksi alkuaine muuttuu tällä tavoin toiseksi, se käy läpi radioaktiivisen hajoamisen.

Toisen tärkeimmän radioaktiivisen emissiotyypin nimi on beetahiukkanen, jota symbolisoidaan kreikkalaisella kirjaimella β. Beetahiukkanen on ytimestä (ei ydintä ympäröivistä elektronikuorista) sinkoutunut elektroni, jolla on 1- varaus. Beetahiukkanen voidaan esittää myös muodossa -10e. Ytimen beetahiukkaspäästön nettovaikutus on, että neutroni muuttuu protoniksi. Kokonaismassaluku pysyy samana, mutta koska protonien määrä kasvaa yhdellä, atomiluku kasvaa yhdellä. Hiili-14 hajoaa emittoimalla beetahiukkasen:

614C → 714N +-10e

Jälleen atomilukujen summa on sama yhtälön molemmilla puolilla, samoin massalukujen summa. (Huomaa, että elektronille annetaan ”atomiluku” -1, joka vastaa sen varausta.)

Kolmas merkittävä radioaktiivisen säteilyn tyyppi ei ole hiukkanen vaan pikemminkin hyvin energinen sähkömagneettisen säteilyn muoto, jota kutsutaan gammasäteilyksi ja jota symbolisoidaan kreikkalaisella kirjaimella γ. Gammasäteilyllä itsellään ei ole sähköistä kokonaisvarausta, mutta se voi lyödä elektroneja irti aineenäytteeseen sisältyvistä atomeista ja tehdä näytteestä sähköisesti varautunutta (minkä vuoksi gammasäteilyä kutsutaan ionisoivaksi säteilyksi). Esimerkiksi radon-222:n radioaktiivisessa hajoamisessa syntyy sekä alfa- että gammasäteilyä, joista jälkimmäisen energia on 8,2 × 10-14 J jokaista hajoavaa ydintä kohti:

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

Tämä ei ehkä tunnu suurelta energiamäärältä, mutta jos 1 mooli Rn-atomia hajoaisi, gammasäteilyn energiasisältöä saataisiin 4.9 × 107 kJ!

Alfa-, beeta- ja gammasäteilyllä on erilainen kyky tunkeutua aineen läpi. Suhteellisen suuri alfahiukkanen pysähtyy helposti aineeseen (vaikka se voi välittää huomattavan määrän energiaa aineeseen, johon se koskettaa). Beetahiukkaset tunkeutuvat aineeseen vain vähän, ehkä korkeintaan muutaman senttimetrin päähän. Gammasäteet voivat tunkeutua syvälle aineeseen ja välittää suuren määrän energiaa ympäröivään aineeseen. Taulukossa 15.1 ”Radioaktiivisen säteilyn kolme päämuotoa” on yhteenveto kolmen tärkeimmän radioaktiivisen säteilytyypin ominaisuuksista.

Tällöin, atomiydin hajoaa pienempiin osiin radioaktiivisessa prosessissa, jota kutsutaan spontaaniksi fissioksi (tai halkeamiseksi). Tyypillisesti fissiossa syntyvät tytärisotoopit ovat pikemminkin vaihteleva sekoitus tuotteita kuin tietty isotooppi, kuten alfa- ja beetahiukkasten emissiossa. Usein fissiossa syntyy ylimääräisiä neutroneita, jotka joskus vangitaan muihin ytimiin, mikä voi aiheuttaa uusia radioaktiivisia tapahtumia. Uraani-235 fissioituu spontaanisti vähäisessä määrin. Yksi tyypillinen reaktio on

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

jossa 01n on neutroni. Kuten kaikissa ydinprosesseissa, atomilukujen ja massalukujen summien on oltava samat yhtälön molemmilla puolilla. Spontaania fissiota esiintyy vain suurissa ytimissä. Pienin ydin, jossa esiintyy spontaania fissiota, on lyijy-208. (Fissio on radioaktiivinen prosessi, jota käytetään ydinvoimaloissa ja eräässä ydinpommityypissä.)