Introductory Chemistry – 1st Canadian Edition
On 27 listopada, 2021 by adminLearning Objectives
1. Zdefiniuj i podaj przykłady głównych typów radioaktywności.
W rozdziale 3 „Atomy, cząsteczki i jony” widzieliśmy, że atomy składają się z cząstek subatomowych-protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony znajdują się w jądrze i zapewniają większość masy atomu, podczas gdy elektrony okrążają jądro w powłokach i podpowłokach i stanowią o wielkości atomu.
W rozdziale 3 „Atomy, cząsteczki i jony” wprowadziliśmy również notację do zwięzłego przedstawienia izotopu danego atomu:
612C
Pierwiastek w tym przykładzie, reprezentowany przez symbol C, to węgiel. Jego liczba atomowa, 6, jest indeksem dodatkowym obok symbolu i jest liczbą protonów w atomie. Liczba masowa, indeks górny obok symbolu, jest sumą liczby protonów i neutronów w jądrze tego konkretnego izotopu. W tym przypadku liczba masowa wynosi 12, co oznacza, że liczba neutronów w atomie wynosi 12 – 6 = 6 (czyli liczba masowa atomu minus liczba protonów w jądrze równa się liczbie neuronów). Niekiedy w zapisie tym pomija się liczbę atomową, gdyż sam symbol pierwiastka oddaje jego charakterystyczną liczbę atomową. Dwa izotopy wodoru – 2H i 3H – otrzymały własne nazwy i symbole: deuter (D) i tryt (T), odpowiednio.
Teoria atomowa w XIX wieku zakładała, że jądra mają stały skład. Jednak w 1896 r. francuski naukowiec Henri Becquerel odkrył, że związek uranu umieszczony w pobliżu płyty fotograficznej tworzył obraz na płycie, nawet jeśli związek był owinięty w czarną tkaninę. Uznał on, że związek uranu emitował pewien rodzaj promieniowania, które przechodziło przez tkaninę i naświetlało płytę fotograficzną. Dalsze badania wykazały, że promieniowanie to było kombinacją cząsteczek i promieni elektromagnetycznych, a jego ostatecznym źródłem było jądro atomowe. Emanacje te zostały ostatecznie nazwane zbiorczo radioaktywnością.
Istnieją trzy główne formy emisji promieniotwórczych. Pierwsza z nich to cząstka alfa, którą symbolizuje grecka litera α. Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów i jest taka sama jak jądro helu. (Często używamy 24He do reprezentowania cząstki alfa). Ma ona ładunek 2+. Kiedy radioaktywny atom emituje cząstkę alfa, liczba atomowa pierwotnego atomu zmniejsza się o dwa (z powodu utraty dwóch protonów), a jego liczba masowa zmniejsza się o cztery (z powodu utraty czterech cząstek jądrowych). Emisję cząstki alfa możemy przedstawić za pomocą równania chemicznego – na przykład emisja cząstki alfa uranu-235 wygląda następująco:
92235U → 24He+90231Th
Zamiast nazywać to równanie równaniem chemicznym, nazywamy je równaniem jądrowym, aby podkreślić, że zmiana zachodzi w jądrze atomowym. Skąd wiemy, że produktem tej reakcji jest90231Th? Korzystamy z prawa zachowania materii, które mówi, że materia nie może być tworzona ani niszczona. Oznacza to, że musimy mieć taką samą liczbę protonów i neutronów po obu stronach równania jądrowego. Jeśli jądro naszego uranu straci 2 protony, pozostanie 90 protonów, co oznacza, że pierwiastek jest torem. Ponadto, jeśli stracimy cztery cząstki jądrowe z pierwotnej liczby 235, pozostanie 231. Tak więc używamy odejmowania do identyfikacji izotopu atomu Th – w tym przypadku, 90231Th.
Chemicy często używają nazw izotopu macierzystego i izotopu córki do reprezentowania oryginalnego atomu i produktu innego niż cząstka alfa. W poprzednim przykładzie, 92235U
jest izotopem macierzystym, a 90231Th jest izotopem pochodnym. Kiedy jeden pierwiastek zmienia się w inny w ten sposób, ulega rozpadowi promieniotwórczemu.
Przykład 1
Zapisz równanie jądrowe, które przedstawia rozpad promieniotwórczy radonu-222 przez emisję cząstki alfa i zidentyfikuj izotop córki.
Rozwiązanie
Radon ma liczbę atomową 86, więc izotop macierzysty przedstawiamy jako Th 86222Rn. Przedstawiamy cząstkę alfa jako 24He i używamy odejmowania (222 – 4 = 218 i 86 – 2 = 84) aby zidentyfikować izotop pochodny jako polon:
86222Rn → 24He + 84218Po
Sprawdź siebie
Zapisz równanie jądrowe, które przedstawia rozpad promieniotwórczy polonu-208 przez emisję cząstki alfa i zidentyfikuj izotop pochodny.
Odpowiedź
84208Po → 24He + 82204Pb; izotop potomny: 82204Pb
Drugi główny rodzaj emisji promieniotwórczej nazywamy cząstką beta, symbolizowaną grecką literą β. Cząstka beta to elektron wyrzucony z jądra (a nie z powłok elektronowych wokół jądra) i ma ładunek 1. Cząstkę beta możemy również przedstawić jako -10e. Efektem netto emisji cząstki beta w jądrze jest zamiana neutronu na proton. Ogólna liczba masowa pozostaje taka sama, ale ponieważ liczba protonów wzrasta o jeden, liczba atomowa wzrasta o jeden. Węgiel-14 rozpada się poprzez emisję cząstki beta:
614C → 714N +-10e
Ponownie, suma liczb atomowych jest taka sama po obu stronach równania, podobnie jak suma liczb masowych. (Zauważ, że elektronowi przypisana jest „liczba atomowa” równa -1, równa jego ładunkowi.)
Trzeci główny rodzaj emisji promieniotwórczej nie jest cząstką, ale raczej bardzo energetyczną formą promieniowania elektromagnetycznego zwanego promieniami gamma, symbolizowaną grecką literą γ. Promienie gamma same w sobie nie niosą ogólnego ładunku elektrycznego, ale mogą wybijać elektrony z atomów w próbce materii i sprawić, że stanie się ona naładowana elektrycznie (z tego powodu promienie gamma określa się mianem promieniowania jonizującego). Na przykład w rozkładzie promieniotwórczym radonu-222 emitowane jest zarówno promieniowanie alfa, jak i gamma, przy czym to drugie ma energię 8,2 × 10-14 J na każde rozpadające się jądro:
86222Rn → 24He + 84218Po + γ
Może się to wydawać niewiele energii, ale gdyby rozpadł się 1 mol atomów Rn, energia promieniowania gamma wyniosłaby 4.9 × 107 kJ!
Przykład 2
Zapisz równanie jądrowe, które przedstawia rozpad promieniotwórczy boru-12 przez emisję cząstek beta i zidentyfikuj izotop pochodny. Jednocześnie z cząstką beta emitowany jest promień gamma.
Rozwiązanie
Rodzicielskim izotopem jest 512B, natomiast jednym z produktów jest -10e. Aby liczby masowe i atomowe miały po obu stronach tę samą wartość, liczba masowa izotopu pochodnego musi wynosić 12, a jego liczba atomowa 6. Pierwiastkiem o liczbie atomowej 6 jest węgiel. Zatem pełne równanie jądrowe jest następujące:
512B → 612C + -10e + γ
Izotopem pochodnym jest węgiel-12.
Sprawdź się
Pisz równanie jądrowe, które przedstawia rozpad promieniotwórczy technetu-133 przez emisję cząstek beta i zidentyfikuj izotop pochodny. Równocześnie z cząstką beta emitowany jest promień gamma.
Odpowiedź
43133Tc → 44133Ru + -10e + γ; izotop pochodny: ruten-133
Emisje cząstek alfa, beta i gamma mają różną zdolność do wnikania w materię. Stosunkowo duża cząstka alfa jest łatwo zatrzymywana przez materię (chociaż może przekazać znaczną ilość energii materii, z którą się styka). Cząstki beta wnikają w materię nieznacznie, najwyżej na kilka centymetrów. Promienie gamma mogą wnikać głęboko w materię i mogą przekazać dużą ilość energii otaczającej je materii. Tabela 15.1 „Trzy główne formy emisji promieniotwórczych” podsumowuje właściwości trzech głównych typów emisji promieniotwórczych.
Tabela 15.1 Trzy główne formy emisji promieniotwórczych
Charakterystyka | Cząstki alfa | Cząstki beta | Promienie gamma |
---|---|---|---|
symbole | α, 24He | β, -10e | γ |
tożsamość | jądro helu | elektron | promieniowanie elektromagnetyczne |
ładunek | 2+ | 1- | brak |
liczba masowa | 4 | 0 | 0 |
moc penetracji | minimalna (nie przeniknie przez skórę) | krótka (przeniknie przez skórę i niektóre tkanki w niewielkim stopniu) penetruje skórę i niektóre tkanki nieznacznie) | deep (będzie penetrować tkanki głęboko) |
Okazjonalnie, jądro atomowe rozpada się na mniejsze części w procesie radioaktywnym zwanym rozszczepieniem spontanicznym (lub rozszczepieniem). Zazwyczaj izotopy pochodne produkowane przez rozszczepienie są zróżnicowaną mieszaniną produktów, a nie określonym izotopem, jak w przypadku emisji cząstek alfa i beta. Często w wyniku rozszczepienia powstaje nadmiar neutronów, które czasami są wychwytywane przez inne jądra, co może wywoływać dodatkowe zdarzenia promieniotwórcze. Uran-235 ulega spontanicznemu rozszczepieniu w niewielkim stopniu. Jedną z typowych reakcji jest
92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n
gdzie 01n jest neutronem. Jak w każdym procesie jądrowym, sumy liczb atomowych i masowych muszą być takie same po obu stronach równania. Spontaniczne rozszczepienie występuje tylko w dużych jądrach. Najmniejszym jądrem, które wykazuje spontaniczne rozszczepienie jest ołów-208. (Rozszczepienie jest procesem radioaktywnym wykorzystywanym w elektrowniach jądrowych i jednym z rodzajów bomb jądrowych.)
Key Takeaways
- Główne rodzaje radioaktywności obejmują cząstki alfa, cząstki beta i promienie gamma.
- Rozszczepienie jest rodzajem promieniotwórczości, w którym duże jądra spontanicznie rozpadają się na mniejsze jądra.
Ćwiczenia
-
Zdefiniuj promieniotwórczość.
-
Podaj przykład pierwiastka promieniotwórczego. Skąd wiadomo, czy jest on promieniotwórczy?
-
Ile protonów i neutronów znajduje się w każdym izotopie?
a) 511B
b) 1327Al
c) 56Fe
d) 224Rn
4. Ile protonów i neutronów znajduje się w każdym izotopie?
a) 12H
b) 48112Cd
c) 252Es
d) 40K
5. Opisz cząstkę alfa. Jakiemu jądru jest ona równoważna?
6. Opisz cząstkę beta. Jakiej cząstce subatomowej jest ona równoważna?
7. Co to są promienie gamma?
8. Dlaczego niewłaściwe jest nazywanie promieni gamma „cząstkami gamma”?
9. Pluton ma liczbę atomową 94. Napisz równanie jądrowe dla emisji cząstek alfa przez pluton-244. Jaki jest izotop pochodny?
10. Wapń ma liczbę atomową 87. Napisz równanie jądrowe dla emisji cząstek alfa przez francium-212. Jaki jest izotop pochodny?
11. Cyna ma liczbę atomową 50. Napisz równanie jądrowe dla emisji cząstki beta cyny-121. Jaki jest izotop pochodny?
12. Technet ma liczbę atomową 43. Napisz równanie jądrowe dla emisji cząstki beta technetu-99. Jaki jest izotop pochodny?
13. Energie promieni gamma wyraża się zwykle w jednostkach megaelektronowoltów (MeV), gdzie 1 MeV = 1,602 × 10-13 J. Korzystając z danych podanych w tekście, oblicz energię w megaelektronowoltach promienia gamma emitowanego przy rozpadzie radonu-222.
14. Energia promieniowania gamma emitowanego podczas rozpadu tlenu-19 na cząstkę beta wynosi 0,197 MeV. Jaka jest jego energia w dżulach? (Definicja megaelektronowolta znajduje się w ćwiczeniu 13.)
15. Które z nich głębiej penetrują materię – cząstki alfa czy cząstki beta? Zaproponuj sposoby ochrony przed obiema cząstkami.
16. Która z nich głębiej penetruje materię- cząstki alfa czy promienie gamma? Zaproponuj sposoby ochrony przed obiema emisjami.
17. Zdefiniuj rozszczepienie jądra atomowego.
18. Jaka ogólna cecha jest zwykle konieczna, aby jądro uległo spontanicznemu rozszczepieniu?
Odpowiedzi
Radioaktywność to spontaniczna emisja cząstek i promieniowania elektromagnetycznego z jąder niestabilnych atomów.
a) 5 protonów; 6 neutronów
b) 13 protonów; 14 neutronów
c) 26 protonów; 30 neutronów
d) 86 protonów; 138 neutronów
Cząstka alfa jest zbiorem dwóch protonów i dwóch neutronów i odpowiada jądru helu.
Promienie gamma to wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne wydzielane w rozpadach promieniotwórczych.
94244Pu→92240U +24He; izotop pochodny: 240U
50121Sn→51121Sb + -10e; izotop pochodny: 121Sb
0,51 MeV
Cząstki beta przenikają bardziej. Wystarczy gruba ściana obojętnej materii, aby zablokować obie cząstki.
Rozszczepienie jądra atomowego to rozpad dużych jąder na mniejsze jądra, zwykle z uwolnieniem nadmiaru neutronów.
.
Dodaj komentarz