Introductory Chemistry – 1st Canadian Edition

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.

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!

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.

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.)

.