Wewnątrz jądra atomu

1. Jak wygląda atom?

Atomy, wbrew swojej nazwie, nie są niepodzielnymi elementami, ale mają wewnętrzną strukturę.
W środku każdego z nich znajduje się małe, kuliste jądro, które tworzą protony i neutrony. Określamy je często wspólną nazwą nukleonów. Wyjątkiem jest jądro wodoru, które zawiera tyko jeden proton. W przestrzeni wokół jądra poruszają się dużo mniejsze elektrony. Elektrony o zbliżonych do siebie wartościach energii poruszają się najczęściej w obszarze jednakowo odległym od jądra, tworząc tzw. powłoki elektronowe. Elektronów na wszystkich powłokach jest dokładnie tyle, ile protonów zawiera jądro atomowe. Atomy różnych pierwiastków różnią się budową jądra atomowego oraz liczbą elektronów w przestrzeni wokół jądra.

Model budowy atomu węgla (nie zachowano proporcji odległości między jądrem a elektronami)

Pojedynczy elektron ma masę prawie 2000 razy mniejszą niż proton. To oznacza, że wszystkie elektrony w atomie mają bardzo niewielki wpływ na jego masę całkowitą. Prawie cała masa atomu skoncentrowana jest zatem w jego jądrze, choć średnica jądra jest sto tysięcy razy mniejsza od średnicy całego atomu.

Spróbuj to sobie wyobrazić!
Gdyby atom wodoru powiększyć milion miliardów razy, to jego jądro byłoby wtedy kulą o średnicy około 1 m. Najbliższy elektron byłoby wtedy oddalony od jądra o 100 km!

2. Co to jest liczba atomowa i liczba masowa?

O zawartości jądra każdego atomu mówią dwie liczby.

  • Liczba atomowa Z jest liczbą protonów w jądrze. Stanowi ona niepowtarzalną cechę, charakterystyczną dla danego pierwiastka, i jednocześnie wyznacza położenie pierwiastka na tablicy Mendelejewa.
  • Liczba masowa A jest liczbą wszystkich składników jądra, czyli sumą liczby jego protonów i liczby neutronów.

Do oznaczania jąder atomowych stosujemy specjalny zapis:

X oznacza tutaj symbol chemiczny pierwiastka.

Skojarz na przykładzie!

Symbol oznacza, że jądro atomu uranu zawiera w sobie 238 składników, z czego 92 to protony. Łatwo wtedy policzyć, że neutronów jest w tym jądrze 146, ponieważ 238 – 92 = 146.

Atom każdego pierwiastka ma określoną własną liczbę protonów i elektronów, od której zależą jego własności chemiczne. Liczba neutronów w jądrach tego samego pierwiastka może być jednak zmienna. Takie odmiany pierwiastka nazywamy izotopami. Wiele pierwiastków powszechnie występujących w przyrodzie ma kilka izotopów (rys. 2).


Model trzech izotopów wodoru

3. Kiedy jądro może ulec rozpadowi?

Jądro każdego rodzaju atomu ma nieco inną liczbę protonów i neutronów. Chociaż ładunki elektryczne protonów są jednego rodzaju, to jądro atomowe nie rozpada się. Oba rodzaje nukleonów utrzymują się blisko siebie na skutek oddziaływań jądrowych, które są siłami przyciągania i noszą nazwę oddziaływań silnych. Są to najsilniejsze oddziaływania w przyrodzie, działające na niezmiernie małych odległościach.

Aby jądro atomowe było trwałe, musi być w nim odpowiednia liczba protonów i neutronów. Gdy liczba neutronów znacznie przewyższa liczbę protonów lub odwrotnie, to jądro jest nietrwałe i może ulec rozpadowi. Tak zachowują się jądra atomów, które mają więcej niż 82 protony. Są one nietrwałe i samorzutnie się rozpadają. Taką przemianę jądra atomowego nazywamy promieniotwórczością naturalną.

4. Jakie są rodzaje promieniowania jądrowego?

Samorzutnemu rozpadowi jąder atomowych zawsze towarzyszy wysyłanie promieniowania o bardzo dużej energii. Promieniowanie to może oznaczać wyrzucenie z jądra jego fragmentu, czyli tzw. cząstki a. Cząstka a ma dodatni ładunek elektryczny, gdyż składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Mówimy wówczas o promieniowaniu a. Jeśli jądro atomu wyrzuca pojedyncze elektrony, to mówimy, że wysyła promieniowanie b. Elektrony te powstają na skutek przemiany neutronów znajdujących się wewnątrz jądra. Na miejscu neutronu, opuszczonego przez elektron, pozostaje proton. Obu rodzajom promieniowania często towarzyszy jeszcze trzeci jego rodzaj – promieniowanie g. Jest ono promieniowaniem elektromagnetycznym, które dzięki olbrzymiej energii ma zdolność przenikania materii i jest groźne dla istot żywych. Na skutek wysyłania promieniowania a i b dotychczasowe jądro atomowe przestaje istnieć. Staje się ono teraz jądrem innego pierwiastka, ponieważ zmienia się skład liczbowy jego składników. Podczas rozpadów promieniotwórczych musi być zachowana całkowita liczba nukleonów. Obowiązują również zasady zachowania energii i pędu oraz zachowuje się ładunek elektryczny.

Podczas rozpadu a i rozpadu b powstają jądra innych pierwiastków

5. Jak szybko rozpada się jądro atomowe?

Wszystkie jądra atomowe, które mają więcej niż 82 protony, ulegają samorzutnemu rozpadowi. W ten sposób jądra substancji, która była na początku, zamieniają się stopniowo w jądra innej substancji. Szybkość ich rozpadu jest różna i zależy od rodzaju substancji promieniotwórczej. Czas, po którym rozpada się połowa początkowej liczby jąder określonej substancji, nazywamy czasem (okresem) półtrwania lub połowicznego rozpadu. Dla uranu–238 wynosi on aż 4,5 mld lat, dla radu–226 wynosi on 1620 lat, a dla jodu–131 (czyli o liczbie masowej 131) wynosi on 8 dni. Oznacza to, że po ośmiu dniach pozostanie połowa początkowej liczby jąder jodu, a po kolejnych ośmiu ulegnie rozpadowi połowa z tej połowy, która została. Okresy półtrwania różnych substancji promieniotwórczych wynoszą od ułamków sekund do milionów lat!

Zmniejszanie liczby jąder promieniotwórczego jodu–131 w określonej próbce w miarę upływu czasu

6. Co to są sztuczne przemiany pierwiastków?

Jądra atomów mogą rozpadać się również wtedy, gdy będziemy „prowokować” je do rozpadu, bombardując szybkimi cząstkami. Pierwszy raz dokonał tego Ernest Rutherford w 1919 r. Bombardował on jądra azotu cząstkami a, które uwalniały się wcześniej podczas spontanicznego rozpadu jąder uranu. Podczas takiej przemiany jądra azotu pochłaniały cząstki a i tworzyły jądra tlenu, jednocześnie odrzucając od siebie proton.

Bombardowanie jądra azotu cząstkami alfa

Bombardowanie jąder atomowych szybkimi cząstkami (cząstki a, neutrony) stało się odtąd metodą sztucznego prowokowania reakcji jądrowych. Takie przemiany trwałych jąder atomowych w inne jądra, pod wpływem bombardowania ich szybkimi cząstkami, nazywamy sztuczną promieniotwórczością.

7. Jakie są naturalne i sztuczne źródła promieniowania?

Większość promieniowania, na jakie jesteśmy narażeni każdego dnia, powstaje w naszym naturalnym środowisku. Promieniotwórcze substancje są składnikami skał czy też materiałów budowlanych. Nie są one szkodliwe, gdyż przeważnie występują w niewielkiej ilości i przy dużym rozproszeniu. Promieniowanie dociera do nas również z kosmosu jako wynik rozpadów promieniotwórczych zachodzących we wnętrzach gwiazd. Przed nadmiernym promieniowaniem kosmicznym chroni atmosfera, która pochłania część szkodliwego promieniowania. W wyniku tego pozostaje jeszcze tzw. promieniowanie tła, które nie jest szkodliwe dla człowieka. Dodatkowym źródłem promieniowania są też badania z zakresu diagnostyki medycznej (RTG, mammografia, tomografia). Jeśli tylko nie są one nadużywane, nie szkodzą zdrowiu człowieka, gdyż pochłonięta dawka promieniowania jest wiele razy niższa niż dopuszczalne normy przewidziane dla organizmu człowieka.

8. Jak promieniowanie działa na organizmy żywe?

Zbyt duże dawki promieniowania są niebezpieczne dla człowieka. Promieniowanie, które przechodzi przez żywe komórki, może uszkodzić ważne biologicznie cząsteczki lub powodować ich obumieranie. Najbardziej wrażliwe na promieniowanie są komórki szybko rosnące, czyli komórki młodych organizmów i komórki nowotworowe. Wykorzystuje się ten fakt w medycynie, poddając chorych działaniu promieniowania niszczącego komórki nowotworowe z zewnątrz, np. promieniotwórczym kobaltem. Promieniotwórczy jod wprowadza się również do organizmu, aby od wewnątrz niszczył chore komórki tarczycy.

9. Dlaczego substancje promieniotwórcze są szkodliwe?

Zabójcze efekty promieniowania biorą się stąd, że energia cząstek nie rozkłada się równomiernie w całym napromieniowanym obszarze. Duże porcje energii przekazywane są w przypadkowy sposób niektórym atomom. Powoduje to rozrywanie i niszczenie cząsteczek organizmu, powodując chaos na poziomie atomowym. Najbardziej szkodliwym promieniowaniem dla żywej materii jest promieniowanie g i cząstki b, które wnikają głęboko w materię na skutek dużej energii i małej masy. Cięższe cząstki a podczas zderzeń z atomami szybko tracą energię, więc uszkadzają tkanki na krótszych odcinkach. Komórki napromieniowane mogą zginąć. Jeśli jednak przetrwają, to mają uszkodzony materiał genetyczny i przekazują to uszkodzenie kolejnym komórkom, co może prowadzić do zmian nowotworowych.

10. Co to jest reakcja rozszczepienia?

Jeśli w jądro o dużej liczbie nukleonów, na przykład w jądro uranu, uderzy neutron, to rozbija je na jądra dwóch lżejszych pierwiastków. Takie zjawisko nazywamy reakcją rozszczepienia (rys. 6). Podczas tej reakcji wyzwala się pewna porcja energii, zwanej energią jądrową. Jest to energia kinetyczna produktów rozszczepienia, czyli powstających jąder oraz kilku neutronów, które rozbiegają się z dużą szybkością. Pozostała część energii rozchodzi się jako promieniowanie g. Neutrony powstające w czasie rozszczepienia uderzają w następne jądra i dają początek kolejnym reakcjom rozszczepienia. W ten sposób rozwija się tzw. reakcja łańcuchowa, która przebiega z coraz większym natężeniem, ponieważ rośnie liczba powstających neutronów.

Energia uwalniana podczas rozszczepienia jąder uranu U–235 jest głównym źródłem energii w elektrowniach jądrowych. W jądrowych ładunkach wybuchowych, czyli bombach atomowych, wykorzystujemy również pluton–239.

Rozszczepienie jądra atomowego powoduje wyzwolenie energii

11. Co to jest reaktor jądrowy?

Dla elektrowni jądrowej reaktor jest „piecem” jądrowym, który podobnie jak piec w innych elektrowniach służy do ogrzewania wody i produkcji pary wodnej napędzającej turbiny. Reaktor jądrowy jest tak skonstruowany, aby można było kontrolować szybkość zachodzących reakcji łańcuchowych. Paliwem w elektrowniach jądrowych jest najczęściej uran–235. W próbce uranu naturalnego jest go jednak tylko 0,7%, gdyż pozostałą część stanowi uran–238. Paliwo to musi być wzbogacone dodatkowym procesem, podczas którego usuwa się część jąder uranu–238, tak aby potrzebny uran–235 stanowił 2–3% całej próbki.

Pręty paliwowe są w reaktorze rozmieszczone tak, aby neutrony powstające podczas rozszczepienia w jednym pręcie najpierw trafiały do wody, a dopiero potem do kolejnego pręta uranowego. Woda sprawia, że neutrony ulegają spowolnieniu, co daje im większą szansę na kolejne zderzenie z jądrem uranu–235 w następnym pręcie paliwowym.

";?>
Tagged
PODYSKUTUJ: