Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
XV. Chemia jadrowa
XV.1. Wstęp
Atom każdego pierwiastka jest zbudowany z jądra atomowego i elektronów. Protony i neutrony, określa się mianem nukleonów, ponieważ wchodzą one w skład jądra atomowego (nucleus). W tabeli 1 podano masy spoczynkowe oraz ładunki cząstek elementarnych, protonu, elektronu i neutronu.
Tabela 1. Właściwości protonu, neutronu i elektronu
Cząstka
Masa spoczynkowa, g
Masa spoczynkowa,
j. at. u
Ładunek, C
Symbol
proton
1,6726*10-24
1,0072764
+1,602*10-19
p
neutron
1,6749*10-24
1,0086650
0
n
elektron
0,91096*10-27
5,486·10-4
-1,602*10-19
e
Każdy atom składa się ze ściśle określonej liczby elektronów i protonów, równej liczbie atomowej Z. Ponadto każdy atom charakteryzuje liczba masowa A, która jest równa całkowitej liczbie nukleonów, tj. protonów i neutronów, w jego jądrze.
Dla przypomnienia przytoczymy obowiązujące obecnie definicje:
Pierwiastek jest zbiorem atomów o jednakowej liczbie atomowej Z. Liczba atomowa Z wyznacza położenie pierwiastka w Układzie Okresowym lub innymi słowy jest jego liczbą porządkową.
Izotop pierwiastka jest zbiorem atomów o jednakowej liczbie atomowej Z i jednakowej liczbie masowej A.
Oznacza to, że dany pierwiastek może mieć kilka izotopów, których atomy różnią się liczbą neutronów w ich jądrach.
Atomy różnych pierwiastków o jednakowej liczbie masowej A są izobarami.
Termin nuklid odnosi się do atomu dowolnego pierwiastka X, zdefiniowanego przez podanie odpowiednich wartości liczby atomowej Z i liczby masowej A:
Jednostka masy atomowej jest równa 1/12 masy nuklidu
1u = 1,6605·10-24 g
XV.2. Trwałość jąder atomowych
Za miarę trwałości jader atomowych przyjmuje się energię wiązania (Ew) tworzących je nukleonów. Jako podstawę obliczenia tej energii przyjmuje się tzw. defekt masowy, Δm, czyli różnicę między sumą mas spoczynkowych protonów, elektronów oraz neutronów wchodzących w skład danego atomu, a jego masą M wyznaczoną doświadczalnie.
Zwykle obliczenia te prowadzi się w jednostkach masy atomowej u, np. defekt masy charakterystyczny dla izotopu helu, , tzn. różnica między masą atomową, a masą 2 protonów, 2 neutronów i 2 elektronów, wynosi ok. 0,031u. Im większy atom, tym większy jest defekt masy. Defekt masy (przeliczony zgodnie z równaniem Einsteina) odniesiony do 1 nukleonu jest energią wiązania wyrażoną zazwyczaj w MeV:
1 MeV = 106 eV = 1,6021892·10-13 J, przy czym Δm = 1u jest równoważny energii 931,48 MeV.
gdzie: mp, me i mn są masami spoczynkowymi cząstek elementarnych (tabela 1), a c oznacza szybkość światła.
Energia wiązania każdego z czterech nukleonów
w nuklidzie jest równa:
Dalsze przykłady obliczeń:
M = 9,01218 u
Δm = 4·1,0072764 +4·0,0005486 + 5·1,008665 – 9,01218 =
0,0624 u,
Ew = 0,0624·931,48/9 = 6,46 MeV
M = 15,994915 u
Δm = 8·1,007276 + 8·0,0005486 + 8·1,008665 – 15,994915 =
0,136841 u
Ew = 0,136841·931,48/16 = 7,97 MeV
M = 58,9332 u
Δm = 27·1,0072764 + 27·0,0005486 + 32·1,008665 - 58,9332
= 0,555355 u,
Ew = 0,555355·931,48/59 = 8,78 MeV
Maksymalne wartości energii wiązania nukleonów wynoszą około 8,8 MeV, co obserwuje się u nuklidów
o liczbach masowych A = 56 – 60, należących do rodziny żelazowców: Fe, Ni, Co (rys. 1).
Rys 1. Energia wiązania nukleonów w zależności od liczby masowej nuklidów
Dużą energią wiązania nukleonów odznaczają się również nuklidy o liczbach atomowych Z < 21, których liczby masowe są podzielne przez 4, np. 16O, 24Mg, 28Si, 32S,40Ca.
Energia wiązania nukleonów zmienia się na ogół
w sposób ciągły ze wzrostem liczby masowej, a nieciągłości występują u nuklidów o zawartości 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126 neutronów lub protonów. Liczby te nazwano magicznymi, ponieważ dotyczą stabilnych nuklidów o dużej trwałości, co można wyjaśnić w oparciu o model jądra atomowego zakładający jego powłokową strukturę. Magiczna liczba neutronów lub protonów oznacza, że występują one
w zamkniętych powłokach, całkowicie obsadzonych nukleonami danego rodzaju. Szczególnie trwałe są nuklidy podwójnie magiczne, mające magiczną liczbę neutronów
i magiczną liczbę protonów, np.:
, ,,
U cięższych nuklidów, w miarę wzrostu liczby atomowej, zawartość neutronów w jądrze wzrasta w celu osłabienia elektrostatycznych oddziaływań repulsyjnych między protonami. Spośród pierwiastków występujących w przyrodzie, tylko 21 pierwiastków ma jeden naturalny izotop, natomiast pozostałe pierwiastki mają ściśle określonym skład izotopowy. Izotopy danego pierwiastka różnią między sobą energią wiązania nukleonów, a co za tym idzie trwałością ich jąder atomowych.
Interesujących wniosków dostarcza wykres tzw. „ścieżki” trwałości naturalnych nuklidów w funkcji liczby protonów i neutronów (rys. 2), na którym pominięto bardzo nietrwałe, krótko życiowe izotopy promieniotwórcze następujących pierwiastków: technetu (Tc, Z = 43), prometu (Pm, Z = 61), polonu (Po, Z = 84), astatu (At, Z = 85), radonu (Rn, Z = 86), fransu
(Fr, Z = 87), radu (Ra, Z = 88), aktynu (Ac, Z = 89)
i protaktynu (Pa, Z = 91...