Introduktionskemi – 1:a kanadensiska utgåvan

Vi såg i kapitel 3 ”Atomer, molekyler och joner” att atomer består av subatomära partiklar – protoner, neutroner och elektroner. Protoner och neutroner finns i atomkärnan och står för större delen av atomens massa, medan elektroner kretsar kring atomkärnan i skal och underskal och står för atomens storlek.

Vi introducerade också i kapitel 3 ”Atomer, molekyler och joner” notationen för att kortfattat representera en isotop av en viss atom:

612C

Elementet i det här exemplet, representerat med symbolen C, är kol. Dess atomnummer, 6, är det lägsta tecknet bredvid symbolen och är antalet protoner i atomen. Massatalet, som står i överskrift bredvid symbolen, är summan av antalet protoner och neutroner i kärnan i just den här isotopen. I det här fallet är masstalet 12, vilket innebär att antalet neutroner i atomen är 12 – 6 = 6 (dvs. atomens masstal minus antalet protoner i kärnan är lika med antalet neutroner). Ibland utelämnas atomnumret i denna notation eftersom själva symbolen för grundämnet förmedlar dess karakteristiska atomnummer. De två isotoperna av väte – 2H och 3H – har fått egna namn och symboler: deuterium (D) respektive tritium (T).

Atomteorin på 1800-talet utgick från att atomkärnorna hade fasta sammansättningar. Men 1896 upptäckte den franske vetenskapsmannen Henri Becquerel att en uranförening som placerades nära en fotografisk platta gav en bild på plattan, även om föreningen var insvept i svart tyg. Han resonerade att uranföreningen avgav någon form av strålning som passerade genom tyget för att exponera den fotografiska plattan. Ytterligare undersökningar visade att strålningen var en kombination av partiklar och elektromagnetiska strålar, med atomkärnan som yttersta källa. Dessa emanationer kallades slutligen, kollektivt, för radioaktivitet.

Det finns tre huvudformer av radioaktiva utsläpp. Den första kallas alfapartikel, som symboliseras av den grekiska bokstaven α. En alfapartikel består av två protoner och två neutroner och är detsamma som en heliumkärna. (Vi använder ofta 24He för att representera en alfapartikel.) Den har en laddning på 2+. När en radioaktiv atom avger en alfapartikel minskar den ursprungliga atomens atomnummer med två (på grund av förlusten av två protoner) och dess masstal minskar med fyra (på grund av förlusten av fyra kärnpartiklar). Vi kan representera emissionen av en alfapartikel med en kemisk ekvation – till exempel är alfapartikelemissionen av uran-235 följande:

92235U → 24He+90231Th

Istället för att kalla den här ekvationen för en kemisk ekvation kallar vi den för en nukleär ekvation för att betona att förändringen sker i en atomkärna. Hur vet vi att en produkt av denna reaktion är90231Th? Vi använder oss av lagen om materiens bevarande, som säger att materia inte kan skapas eller förstöras. Detta innebär att vi måste ha samma antal protoner och neutroner på båda sidor av kärnekvationen. Om vår urankärna förlorar 2 protoner finns det 90 protoner kvar, vilket identifierar grundämnet som torium. Om vi dessutom förlorar fyra kärnpartiklar av den ursprungliga 235, återstår 231 kärnpartiklar. Vi använder alltså subtraktion för att identifiera Th-atomens isotop – i det här fallet 90231Th.

Kemister använder ofta namnen moderisotop och dotterisotop för att representera den ursprungliga atomen och den andra produkten än alfapartikeln. I det föregående exemplet är 92235U

moderisotopen och 90231Th dotterisotopen. När ett grundämne förändras till ett annat på detta sätt genomgår det radioaktivt sönderfall.

Den andra stora typen av radioaktiv strålning kallas för en betapartikel, som symboliseras med den grekiska bokstaven β. En betapartikel är en elektron som kastas ut från atomkärnan (inte från elektronernas höljen runt atomkärnan) och har en 1- laddning. Vi kan också representera en betapartikel som -10e. Nettoeffekten av betapartikelutsläpp på en kärna är att en neutron omvandlas till en proton. Det totala masstalet förblir detsamma, men eftersom antalet protoner ökar med en, ökar atomnumret med en. Kol-14 sönderfaller genom att emittera en betapartikel:

614C → 714N +-10e

Även här är summan av atomtalen densamma på båda sidor av ekvationen, liksom summan av masstal. (Observera att elektronen tilldelas ett ”atomnummer” på -1, vilket är lika med dess laddning.)

Den tredje stora typen av radioaktiv strålning är inte en partikel utan snarare en mycket energirik form av elektromagnetisk strålning som kallas gammastrålning och som symboliseras med den grekiska bokstaven γ. Gammastrålning i sig själv bär inte på någon övergripande elektrisk laddning, men den kan slå ut elektroner ur atomer i ett materieprov och göra det elektriskt laddat (därför benämns gammastrålning som joniserande strålning). Vid det radioaktiva sönderfallet av radon-222 avges till exempel både alfa- och gammastrålning, där den senare har en energi på 8,2 × 10-14 J per sönderdelad atomkärna:

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

Detta kan tyckas vara lite energi, men om 1 mol Rn-atomer skulle sönderfalla skulle gammastrålningsenergin vara 4.9 × 107 kJ!

Alpha-, beta- och gammastrålning har olika förmåga att penetrera materia. Den relativt stora alfapartikeln stoppas lätt av materia (även om den kan överföra en betydande mängd energi till den materia den kommer i kontakt med). Betapartiklar penetrerar svagt in i materia, kanske högst några centimeter. Gammastrålar kan tränga djupt in i materia och överföra en stor mängd energi till den omgivande materian. I tabell 15.1 ”De tre huvudsakliga formerna av radioaktiva utsläpp” sammanfattas egenskaperna hos de tre huvudsakliga typerna av radioaktiva utsläpp.

Också ibland, bryts en atomkärna sönder i mindre bitar i en radioaktiv process som kallas spontan fission (eller klyvning). Vanligtvis är de dotterisotoper som produceras av fission en varierad blandning av produkter, snarare än en specifik isotop som vid alfa- och betapartikelemission. Ofta producerar fission ett överskott av neutroner som ibland fångas in av andra atomkärnor, vilket eventuellt leder till ytterligare radioaktiva händelser. Uran-235 genomgår spontan fission i liten utsträckning. En typisk reaktion är

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

där 01n är en neutron. Liksom vid alla kärntekniska processer måste summan av atomnummer och masstal vara densamma på båda sidor av ekvationen. Spontan klyvning förekommer endast i stora kärnor. Den minsta kärnan som uppvisar spontan klyvning är bly-208. (Fission är den radioaktiva process som används i kärnkraftverk och en typ av atombomb.)