Bevezető kémia – 1. kanadai kiadás

Az “Atomok, molekulák és ionok” című 3. fejezetben láttuk, hogy az atomok szubatomi részecskékből – protonokból, neutronokból és elektronokból – állnak. A protonok és a neutronok az atommagban helyezkednek el, és adják az atom tömegének nagy részét, míg az elektronok héjakban és alhéjakban keringenek az atommag körül, és adják az atom méretét.

Az “Atomok, molekulák és ionok” című 3. fejezetben bemutattuk egy adott atom izotópjának tömör jelölését is:

612C

A példában a C szimbólummal ábrázolt elem a szén. Atomszáma, a 6, a szimbólum melletti index, és az atomban lévő protonok száma. A tömegszám, a szimbólum melletti felirat, a protonok és neutronok számának összege az adott izotóp atommagjában. Ebben az esetben a tömegszám 12, ami azt jelenti, hogy az atomban lévő neutronok száma 12 – 6 = 6 (vagyis az atom tömegszáma mínusz az atommagban lévő protonok száma egyenlő a neutronok számával). Alkalmanként az atomszámot elhagyják ebben a jelölésben, mert maga az elem szimbóluma közvetíti a rá jellemző atomszámot. A hidrogén két izotópja – a 2H és a 3H – saját nevet és szimbólumot kapott: deutérium (D) és trícium (T).

Az atomelmélet a XIX. században azt feltételezte, hogy az atommagok összetétele állandó. Henri Becquerel francia tudós azonban 1896-ban megállapította, hogy egy fotólemez közelébe helyezett uránvegyület képet alkotott a lemezen, még akkor is, ha a vegyületet fekete ruhába csomagolták. Arra a következtetésre jutott, hogy az uránvegyület valamilyen sugárzást bocsát ki, amely a ruhán áthatolva exponálja a fényképészeti lemezt. További vizsgálatok kimutatták, hogy a sugárzás részecskék és elektromágneses sugarak kombinációja, amelynek végső forrása az atommag. Ezeket a kisugárzásokat végül együttesen radioaktivitásnak nevezték.

A radioaktív kisugárzásnak három fő formája van. Az elsőt alfa-részecskének nevezik, amelyet a görög α betűvel szimbolizálnak. Az alfa-részecske két protonból és két neutronból áll, és megegyezik a héliummaggal. (Az alfa-részecske jelölésére gyakran a 24He-t használjuk.) Az alfa-részecske 2+ töltéssel rendelkezik. Amikor egy radioaktív atom alfa-részecskét bocsát ki, az eredeti atom atomszáma kettővel csökken (a két proton elvesztése miatt), tömegszáma pedig néggyel (a négy atommag elvesztése miatt). Az alfa-részecske kibocsátását kémiai egyenletekkel is ábrázolhatjuk – például az urán-235 alfa-részecske kibocsátása a következőképpen néz ki:

92235U → 24He+90231Th

Azt az egyenletet nem kémiai egyenletnek, hanem magegyenletnek nevezzük, hogy hangsúlyozzuk, hogy a változás egy atommagban történik. Honnan tudjuk, hogy ennek a reakciónak a terméke90231Th? Az anyagmegmaradás törvényét használjuk, amely szerint anyagot nem lehet létrehozni vagy megsemmisíteni. Ez azt jelenti, hogy a protonok és neutronok számának a magegyenlet mindkét oldalán azonosnak kell lennie. Ha az uránmagunk elveszít 2 protont, akkor 90 proton marad, ami az elemet tóriumként azonosítja. Sőt, ha az eredeti 235-ösből négy atommagot veszítünk, akkor 231 marad. Így a kivonással azonosítjuk a Th atom izotópját – ebben az esetben 90231Th.

A kémikusok gyakran használják a szülőizotóp és a leányizotóp elnevezéseket az eredeti atom és az alfa-részecskétől eltérő termék jelölésére. Az előző példában a 92235U

az anyaizotóp, a 90231Th pedig a leányizotóp. Amikor egy elem ilyen módon átalakul egy másik elemmé, radioaktív bomláson megy keresztül.

A radioaktív sugárzás második fő típusát béta-részecskének nevezzük, amelyet a görög β betűvel jelképezünk. A béta-részecske az atommagból (nem az atommag körüli elektronhéjakból) kilépő elektron, és 1-es töltéssel rendelkezik. A béta-részecskét úgy is ábrázolhatjuk, hogy -10e. A béta-részecskék atommagra történő kibocsátásának nettó hatása az, hogy egy neutronból proton lesz. A teljes tömegszám nem változik, de mivel a protonok száma eggyel nő, az atomszám eggyel nő. A szén-14 egy béta-részecske kibocsátásával bomlik:

614C → 714N +-10e

Az egyenlet mindkét oldalán az atomszámok összege megegyezik, akárcsak a tömegszámok összege. (Megjegyzendő, hogy az elektronhoz -1 “atomszámot” rendelünk, ami megegyezik a töltésével.)

A radioaktív sugárzás harmadik fő típusa nem részecske, hanem az elektromágneses sugárzás egy nagyon energikus formája, a gamma-sugárzás, amelyet a görög γ betűvel szimbolizálunk. A gamma-sugárzás önmagában nem hordoz általános elektromos töltést, de kiüthet elektronokat az anyagmintában lévő atomokból, és elektromosan töltötté teheti azt (amiért a gamma-sugárzást ionizáló sugárzásnak nevezik). Például a radon-222 radioaktív bomlása során alfa- és gamma-sugárzás is kibocsátásra kerül, az utóbbi energiája bomlott atommagonként 8,2 × 10-14 J:

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

Ez nem tűnik nagy energiának, de ha 1 mol Rn atom bomlana, akkor a gamma-sugárzás energiája 4 lenne.9 × 107 kJ!

Az alfa-, béta- és gamma-kibocsátás különbözőképpen képes áthatolni az anyagon. A viszonylag nagy alfa-részecskét az anyag könnyen megállítja (bár jelentős energiát adhat át a vele érintkező anyagnak). A béta-részecskék kissé behatolnak az anyagba, talán legfeljebb néhány centiméternyire. A gammasugarak mélyen behatolnak az anyagba, és nagy mennyiségű energiát adhatnak át a környező anyagnak. A 15.1. táblázat “A radioaktív sugárzás három fő formája” összefoglalja a radioaktív sugárzás három fő típusának tulajdonságait.

Egyszer, egy atommag kisebb darabokra esik szét egy radioaktív folyamat során, amit spontán hasadásnak (vagy hasadásnak) neveznek. A hasadás során keletkező leányizotópok általában a termékek változatos keveréke, nem pedig egy adott izotóp, mint az alfa- és béta-részecskék kibocsátása esetén. Gyakran előfordul, hogy a hasadás során felesleges neutronok keletkeznek, amelyeket néha más atommagok fognak be, esetleg további radioaktív eseményeket indukálva. Az urán-235 kis mértékben spontán hasadáson megy keresztül. Az egyik tipikus reakció a

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

ahol 01n egy neutron. Mint minden nukleáris folyamatnál, az egyenlet mindkét oldalán az atom- és tömegszámok összegének azonosnak kell lennie. Spontán hasadás csak nagyméretű atommagokban fordul elő. A legkisebb spontán hasadást mutató atommag az ólom-208. (A maghasadás az atomerőművekben és az atombomba egyik típusában használt radioaktív folyamat.)