Charakteristika jaderných (nukleárních) reakcí • Nukleární reakce probíhají buď jako samovolné rozpady některých atomových jader nebo jako jaderné reakce, vyvolané bombardováním i stabilního jádra jiným jádrem nebo nukleární částicí. • Rozdíly mezi nukleárními a chemickými reakcemi: – Při jaderných reakcích se uvolňuje mnohem více energie. – Izotopy vstupují do stejných chemických ale různých jaderných reakcí. – Jaderné reakce nezávisí na složení okolního prostředí. – Při jaderných reakcích vznikají jiné prvky. – Rychlost jaderných reakcí nezávisí na teplotě.
Jaderné částice • • •
•
nukleon: každá jaderná částice, tj. proton p, nebo neutron n. Nukleony jsou navzájem přitahovány silnou interakcí. Elektrostatické odpuzování ale způsobuje nestabilitu velkých atomů (>83 protonů). AX Z = atomové číslo (počet protonů), A = Z + počet neutronů. Izotopy: Z 16 O – obsahuje 8 p, 8 e−, 8 n; 8 – 178 O obsahuje 8 p, 8 e−, 9 n; – 18 O obsahuje 8 p, 8 e−, 10 n. 8 Nestabilní atomy emitují částice:
1. Proton
2. Neutron 3. Elektron
4. Pozitron 5. Gama záření • •
1H or 1p 1 1 1n 0 0 0 −1 e or −1 β 0 0 +1 e or +1 β 0γ 0
pozitrony: kladně nabité částice o stejné hmotnosti jako elektrony. gama záření: foton o vysoké energii ( 10-12 m).
1
Jaderné reakce •
•
Jaderné reakce musí zachovávat bilanci stejně jako reakce chemické, např.: 14 C 0 → 14 6 7 N+ −1 e + Typy radioaktivních rozpadů: – Beta emise: neutron se mění na proton emisí elektronu; atomové 1 číslo se zvyšuje n →1 p + 0 e 0
1
−1
40 Př.: Určete produkt následující reakce: 19 K →−01 β + ? – Alfa emise: uvolňuje se jádro atomu helia 226 4 Př.: Určete produkt: 88 Ra → ? + 2 He – Pozitronová emise: proton se mění na neutron 11 p →10 n + +01 e 94 0 Př.: Určete produkt: 53 Tc → ?+ +1e – Gama emise: beze změny hmoty nebo náboje, obvykle doprovází další rozkladné procesy 14 14 0 6 C→ 7 N+ −1e + γ Př.: – Zachycení elektronu: podobně jako u pozitronové emise přeměna protonu na neutron 1 p + 0 e →1 n 1
Př.: Určete produkt:
−1
0
40 0 19 K + −1 e → ?
Stabilita jader • •
•
•
Slupkový model jádra: protony a neutrony existují v energetických hladinách které se zaplňují po dvojicích (násobcích jádra helia). Magická čísla: jisté počty jaderných částic jsou zvláště stabilní (podobně jako struktury vzácných plynů s počty elektronů 2, 10, 18, 36, 54 a 86) – Protony : 2, 8, 20, 28, 50, 82 – Neutrony: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Např. α-částice ( 42 α) a 208 82 Pb jsou dvojnásob magické struktury. Jádra se sudým počtem protonů a neutronů jsou nejstabilnější (nejvyšší počet stabilních izotopů), nejméně stabilní jsou jádra s lichým počtem protonů a neutronů . Všechny izotopy s atomovým číslem > 83 jsou radioaktivní.
2
Pás stability izotopů • Pás stability = černě vyznačené stabilní izotopy (nad Z = 82 se uplatňuje α nebo β - emise). • Vyšší počet neutronů u větších jader kompenzuje elektrostatické odpuzování protonů. • Izotopy nad pásem: beta emise • Izotopy pod pásem: zachytávání elektronů nebo pozitronová emise
Bombardování jader a transmutace • Bombardováním jádra jadernými částicemi vede k přeměně jednoho prvku v jiný. • Rutherfordův pokus:
14 4 17 1 7 N + 2 He → 8 O +1 H
Př.: Určete produkt zachycování elektronu:
64 0 29 Cu + −1 β → ?
Př.: Určete produkt neutronového bombardování Fe: 58 0 26 Fe + 2n → ?+ −1 e
Př.: Určete produkt jaderné reakce 40 1 1 18 Ar +1 p → ?+ 0 n
3
Příprava transuranů transmutací
Rychlost jaderného rozpadu • • •
Rychlost jaderného rozpadu je přímo úměrná počtu přítomných jader: N = e− kt rychlost = k×N popř. No Poločas rozpadu je čas potřebný k rozpadu poloviny původně přítomných jader: N = e ( −0.693⋅t t1/2 ) – při t1/2 N = 1/2No, t1/2 = 0.693/k popř.
No
• • •
Př.: Poločas rozpadu kobaltu 60 je 5.26 roku. Kolik z původního množství kobaltu zůstane po 21 letech? Př.: Tritium se rozkládá beta emisí s poločasem 12.3 roku. Kolik z původního množství materiálu zůstane po 30 letech? Př.: Je-li 1.0 g tritia uloženo po dobu 5 let, kolik tohoto izotopu zůstane ve vzorku? k = 0.563/rok.
4
Datace radiokarbonovou metodou • • •
Uhlík-14 vzniká přirozenými pochody iniciovanými kosmickým 14 N +1 n →14 C +1 H zářením: 7 0 6. 1 14 C je nestabilní s poločasem rozpadu 5730 let. 6 Rychlost rozkladu, která je přímo úměrná koncentraci 14C, lze měřit:
R = k⋅N R 2 k ⋅ N 2 m2 = = R 1 k ⋅ N1 m1 •
Př.: Rychlost rozpadu 14C ve vzorku dřevěného uhlí ze stromu zničeného při sopečné erupci v Crater Lake (Oregon) je 7.0 jaderných rozpadů 14C min−1·g−1 celkového uhlíku. V současné organické hmotě (v živých stromech) je tato rychlost 15.3 rozkladů min−1·g−1 celkového uhlíku. Určete kdy došlo k výbuchu vulkánu.
Měření radioaktivity •
•
•
Geigerův počítač detekuje nabité částice vzniklé interakcí plynu s částicemi emitovanými z radioaktivního materiálu. Scintilační počítače detekují částice vzniklé z radioaktivního materiálu měřením intenzity světla vzniklého při srážkách těchto částic s fosforem nebo NaI. Jednotky: 1 curie (Ci) = 3.7x1010 rozpadů×s-1
5
Energetické změny při jaderných reakcích •
Při většině jaderných reakcí se uvolňuje značné množství energie:
•
211H + 210 n → 42 He + γ Energie potřebná k destrukci jádra na jednotlivé protony a neutrony je vazebná energie jádra, Eb: 4 1 1 2 He →21p + 20 n
• •
Při kombinaci protonů a neutronů se nezachovává hmota (platí rozšířený zákon zachování hmoty a energie). Př.: určete změnu hmoty při vzniku jádra helia.
Protony 2×1.00728 amu = 2.01456 amu Neutrony 2×1.00866 amu = 2.01732 amu teoretická hmotnost He = 4.03188 amu
•
Naměřená hmotnost jádra He (bez elektronů) = 4.00150 amu (∆m = 0.03038 g/mol je hmotnostní defekt). Související změna energie plyne z Einsteinova vztahu: ∆E = ∆mc2. Př.: Určete vazebnou energii jader 1 molu He.
Vazebné energie jader • •
56Fe
má nejvyšší Eb (jde o nejstabilnější izotop vůbec). Možnost získávat energii: – Při rozpadu radioaktivních prvků jako U-235 – Fúzí dvou jader deuteria za vzniku He. Dosud nezvládnuto.
6
Radioaktivní rozpad uranu 235
235U 92
+ 10n
90Sr 38
1 + 143 54Xe + 3 0n + energie
energie = [hmotnost 235U + hmotnost n – (hmotnost 90Sr + hmotnost 143Xe + 3 x hmotnost n )] x c2
energie = 3.3 x 10-11J na 235U = 2.0 x 1013 J na mol 235U Spálením 1 tuny uhlí lze získat 5 x 107 J
Rozpadová řada uranu 238
7
Radioizotopy v medicíně • • • • • •
1/3 pacientů v nemocnicích využije některou z procedur nukleární medicíny 24Na, t = 14.8 hod, β emise ½ 31I, t = 14.8 hod, β emise ½ 123I, t = 13.3 hod, γ emise ½ 18F, t = 1.8 hod, β+ emise ½ 99Tc, t = 6 hod, γ emise ½
Zobrazení mozku značkovaného sloučeninou s 123I
8
