Przemiany promieniotwórcze – wprowadzenie i reakcje

Atomy, cząsteczki, stechiometria, Budowa atomu, Chemia ogólna

1. Wprowadzenie – reakcje chemiczne a jądrowe

Zacznijmy sobie od godnej uwagi tabelki, która podsumuje nam czym w ogóle różni się reakcja chemiczna od reakcji jądrowej.

Reakcja chemiczna	Reakcja jądrowa
Substancje przekształcają się wzajemnie, ale atomy pozostają takie same po obu stronach równania.	Atomy jednego pierwiastka przekształcają się najczęściej w atomy innego pierwiastka !
Elektrony odgrywają główną rolę w tych reakcjach, są zaangażowane w tworzenie i zrywanie wiązań.	Protony i neutrony również są zaangażowane, elektrony rzadziej.
W tych reakcjach zazwyczaj jest mała zmiana energii i zaniedbywalna zmiana masy.	W tych reakcjach jest duża zmiana (różnica) energii oraz znacząca zmiana masy.
Szybkość reakcji zależy m.in od stężenia, temperatury, obecności katalizatora czy rodzaju związku w jakim znajduje się dany atom.	Szybkość reakcji zależy od liczby jąder, ale nie zależy od temperatury, katalizatora czy rodzaju związku w jakim znajduje się atom (poza rzadkimi wyjątkami).

Jaka jest różnica pomiędzy reakcją chemiczną a jądrową?

2. Przemiany promieniotwórcze

Generalnie cała chemia skupia się głównie na elektronach (a zwłaszcza walencyjnych), natomiast całe jądro traktujemy jak taką elektrostatyczną kotwicę, która trzyma te szalone elektrony w ryzach. Teraz przez ten drobniutki maturalny dział skupimy się właśnie na jądrze, które skrywa w sobie wiele tajemnic, a w którym drzemie wielki potencjał, z którego ludzkość chciałaby czerpać największymi garściami^[1].

3. Rozpad alfa (𝛼)

Rozpad alfa ma miejsce wtedy, kiedy niestabilne jądro emituje cząsteczkę złożoną z dwóch protonów i dwóch neutronów, a więc tak naprawdę jest to jądro helu. To co łatwo można tutaj przeoczyć to fakt, że cząsteczka alfa nie jest tym samym co atom helu, ponieważ w odróżnieniu od atomu, cząsteczka 𝛼 nie posiada elektronów. Dlatego też spotkasz się z różnymi rodzajami zapisów, każdy z nich równie prawidłowy, co oczywiście pokażę Ci na prawdziwych arkuszach maturalnych^[2].

**Rozpad alfa** wiąże się z emisją (wydzieleniem) cząsteczki alfa, czyli de facto atomu helu.

Na szczęście pisanie równań reakcji jądrowych jest bardzo proste. Tak jak w zwykłej reakcji chemicznej po obu stronach mają się zgadzać atomy oraz ładunki, tak tutaj ma się zgadzać łączna liczba masowa oraz atomowa.
Jak pisać równania reakcji jądrowych ?

Popatrzmy, najpierw zaczniemy od ogólnego schematu (nie przejmuj się jeśli będzie dla Ciebie nieprzystępny, od razu wtedy zerknij sobie na jeden z przykładów) :

$\displaystyle ^{A}_{Z}X \rightarrow \ ^{A-4}_{Z - 2}Y + \ ^{4}_{2} \alpha$

$\displaystyle^{226}_{88} Ra \rightarrow \ ^{222}_{86}Rn + ^{4}_{2}He$

$\displaystyle ^{221}_{87} Fr \rightarrow \ ^{217}_{85}At + ^{4}_{2}\alpha$

4. Rozpad beta (𝛽)

Tak naprawdę rozpad beta to grupa trzech różnych rozpadów, nas jednak będzie interesował tylko jeden z nich, a konkretnie beta minus. Wiąże się z emisją (wydzieleniem) zarąbiście szybkiego elektronu, jednak wbrew temu co może Ci się wydawać, to nie chodzi dokładnie o to, że z jądra ten elektron wylatuje. Bardziej chodzi o to, że neutron ulega przemianie w proton, który zostaje w jądrze, a jednocześnie powstaje nasz elektron (oznaczany symbolem 𝛽^ー), który następnie z jądra ucieka.

Schemat przemiany promieniotwórczej beta minus. W czerwone kółko zaznaczono neutron w jądrze, który ulegnie przemianie w proton (zwróć uwagę na zmianę koloru)

$\displaystyle ^{A}_{Z}X \rightarrow \ ^{A}_{Z +1}Y + \ ^{0}_{-1} \beta$

➤ istota procesu : $\displaystyle ^{1}_{0}n \rightarrow \ ^{1}_{1}p + \ ^{0}_{-1} \beta$

$\displaystyle ^{241}_{94} Pu \rightarrow \ ^{241}_{95}Am + \ ^{0}_{-1} \beta$

$\displaystyle ^{24}_{11} Na \rightarrow \ ^{24}_{12}Mg+ \ ^{0}_{-1} \beta$

Na koniec chciałbym zaznaczyć jeszcze ważną uwagę ! Kiedy uczyłem się tego działu, to został mi wpojony schemat, że na przykład podczas przemiany alfa, to ,,cofamy się o dwa pierwiastki w lewo” . Czyli jeśli zaczynaliśmy z polonu, to skończymy na ołowiu. Podobnie postępowałem z przemianą beta (o jeden w prawo), ale to było kompletnie idiotyczne nauczanie! Nic dziwnego, że ten dział to nie był mój ulubiony…

Przecież wystarczy patrzeć na ilość protonów (pamiętasz o numerze PESEL ?) i mamy zidentyfikowany pierwiastek, wystarczy tylko spojrzeć do układu okresowego! Nic takiego się nie trzeba uczyć, a ja jak zwykle musiałem czekać miesiące/lata, aby w końcu samemu do tego dojść…
Nie ucz się bez sensu!

5. Inne reakcje

Tutaj jest chyba największe pole do popisu dla układających zadania, bo da się bez problemu stworzyć długą preambułę, która będzie powodować, że zadanie jest ,,trudne”. Same zadania są jednak w dalszym ciągu banalne − dalej mają się zgadzać po prostu cyferki po obu stronach… Spójrzmy :

Zadanie 1 – Rozszczepienie radioizotopu ²³⁹Pu przebiega zgodnie ze schematem:

$^{239}_{94} Pu + ^{1}_{0}n \rightarrow \ ^{130}_{51}Sb + ^{A}_{Z}E + 3 \ ^{1}_{0}n$

Podaj symbol oraz liczbę atomową i liczbę masową nuklidu $\displaystyle ^{A}_{Z}E$

Rozwiązanie : $\displaystyle ^{107}_{43}Tc$

Zadanie 2 – Izotop azotu ¹³N stosowany jest w pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Powstaje w wyniku bombardowania tlenu ¹⁶O protonami. Zapisz równanie tej reakcji.

Rozwiązanie : $\displaystyle ^{16}_{8}O + ^{1}_{1}p \rightarrow ^{13}_{7}N + ^{4}_{2} \alpha$

Zadanie 3 – Węgiel ¹⁴C stosowany jest do datowania znalezisk archeologicznych. Powstaje w wyniku bombardowania azotu ¹⁴N neutronami. Zapisz równanie tej reakcji.

Rozwiązanie : $\displaystyle ^{14}_{7}N + ^{1}_{0}n \rightarrow ^{14}_{6}C + ^{1}_{1} p$

^[1] Przecież cała nowoczesna medycyna opiera swoją diagnostykę właśnie na metodach, które bazują na emitowaniu promieniowania przez niestabilne jądra. Jednak chemia jądrowa budzi także strach wśród społeczeństwa, oczywiście pokłosie serialu Czarnobyl. Również zagrożeniem jest wiszący w powietrzu konflikt atomowy czy akty terrorystyczne. Czy ludzkość zdoła wykrzesać z chemii jądrowej tylko to, co dobre ?

^[2] Poniżej wklejam przykładowy wycinek oficjalnych rozwiązań z jednej z matur, ale te przykłady można oczywiście mnożyć. Czyli podsumowując, sam sobie wybierasz który sposób zapisu jest dla Ciebie bardziej wygodny.