Temat: Reakcje jądrowe.

W reakcjach chemicznych mamy reakcje rozkładu=rozpadu, kiedy na przykład pod wpływem temperatury związek chemiczny ulega destrukcji. W parze wodnej przy 900°C zaczyna się rozpad wody na tlen i wodór. W tej temperaturze jest to jeszcze słabo widoczne, ponieważ atomy łączą się i rozłączają. Przy 2500°C rozkład jest zupełny.

Rozpad związku chemicznego może też nastąpić pod wpływem światła. Tak blakną barwniki.

Co oznacza rozpad w fizyce jądrowej?

To sytuacja, gdy jądro coś z siebie wysyła zmieniając się w inne. Konkretnie nazwę rozpad zarezerwowano do tych przemian, w których wysyłane są promienie alfa i beta.

Natomiast, gdy jądro dzieli się na dwie duże części, mówimy nie o rozpadzie, a o rozszczepieniu.

Omówimy najpierw rozpad alfa i beta. Co go powoduje?

Popatrzmy na te dwa jądra.

To nie złudzenie, że na lewo w małym jądrze jest pół na pół neutronów (żółte) i protonów (czerwone), a na prawo w dużym neutronów (żółte) jest przewaga. Przecież protony jako ładunki dodatnie się odpychają. Nie chcą siedzieć razem. Coś je musi sklejać. Właśnie neutrony.

Jeśli porównamy jądro do dyskoteki, możemy rzec, że sami chłopcy nie braliby w niej udziału. Przychodzą na nią tylko z powodu dziewczyn. Przy małej ilości uczestników, najlepiej gdy jest relacja 1-1. Na dużej dyskotece lepiej, gdy dziewcząt jest więcej. Wtedy chłopcy bardziej zajmują się nimi, wybieraniem kolejnych do tańca, niż konkurowaniem ze sobą. Wtedy trudniej o bijatykę i rozlecenie się dyskoteki.

Jakim sposobem neutralne neutrony przyciągają się z dodatnimi protonami? Te nieznane siły nazwano siłami jądrowymi silnymi. Dlaczego silnymi? Bo pokonują wzajemne odpychanie się elektryczne protonów. Kto wie czy tak naprawdę siły silne nie są w rzeczywistości siłami elektrycznymi? Neutron składa się przecież z kwarków, które mają ładunki. W neutronie może zachodzić jakieś rozsunięcie się ładunków podobnie jak w nienaładowanej puszce po napoju, czy w kawałku papieru.

Nikt nie wie jak są ułożone protony i neutrony w jądrze. Jest to raczej dyskoteka pełna przypadkowego ruchu. Stąd może dochodzić do sytuacji, że komuś coś się nie podoba. Cząstka alfa to dwa protony i dwa neutrony - dwóch chłopców i dwie dziewczyny. Mówią: „Spadamy stąd!” i uciekają.

Rozpad alfa wynika więc z odpychania się protonów i chaotycznego ruchu protonów i neutronów w jądrze.

Dlaczego używam porównań do ludzi? W przeciwieństwie do podręcznika staram się zrozumieć naturę, nie tylko ją opisać. Poza tym nasz umysł jest taki, że dużo łatwiej zapamiętuje relacje międzyludzkie niż abstrakcyjne. To z tego powodu muszę pisać „drugi podręcznik”.

Kiedy już wiemy na czym polega rozpad alfa, nauczymy się go zapisywać.

Żeby nastąpił rozpad alfa „dyskoteka” musi być duża, czyli jądro ciężkie. Wszystkie pierwiastki, których jądra są cięższe od jądra ołowiu nie są stabilne. Weźmy na przykład jądro najpospolitszego uranu. Dyskoteka liczy tu 238 osób, w tym tylko 92 to protony. Symbol takiego jądra to
. Kiedy wyskoczy z niego paczka złożona z dwu kumpli i dwu kumpelek, ogólna liczba uczestników zmniejszy się o 4, a samych chłopaków (protonów) o 2.

Zapisujemy to tak:

Paczce przypisaliśmy symbol helu, bo może ona stanowić jądro helu. Co to za jądro oznaczyliśmy znakiem zapytania? Jeszcze nie wiemy. Trzeba wziąć Układ Okresowy i sprawdzić jaki pierwiastek ma numer 90. W Układzie okresowym pierwiastki są ułożone właśnie według ilości protonów. Sprawdzamy, że to tor. A więc zamiast znaku zapytania wstawiamy symbol Th. (Thor to władca piorunów w mitologii nordyckiej. Od niego po angielsku czwartek to Thursday - dzień Thora).

Teraz opowiemy o rozpadzie beta. Jakim sposobem z jądra wyskakują elektrony? Przecież ich tam podobno nie ma. Otóż wyskakują nie tyle z jądra, co z neutronu. W neutronie według współczesnego zrozumienia też nie ma elektronu. Powstaje dopiero w chwili wyskoczenia.

Rozpad beta jest skutkiem tego, że neutron nie jest tworem stabilnym. Jeśli jest sam, zmienia się po około 15 minutach w proton wysyłając z siebie elektron. Widocznie kwarki w nim z jakiegoś powodu się kotłują, nie mogąc znaleźć dla siebie trwałych pozycji.

Kiedy neutron jest w jądrze atomu, oddziaływanie z protonami „uspokaja” ten ruch. Neutrony w jądrze są zatem zazwyczaj stabilne. Gdy jest ich jednak za dużo, któryś może zmienić się w proton. W jądrach lekkich właściwa proporcja neutronów do protonów to 1 do 1. W ciężkich 1 do 1,5.

Kontynuując nasze porównanie do ludzi możemy przyjąć, że neutron (dziewczyna) chce się w pewnym momencie przeistoczyć w proton (chłopaka). Kobiety często zazdroszczą mężczyznom. Twierdzą, że mężczyznom jest lepiej na świecie. Taka dziewczyna odcina więc swe długie włosy i wyrzuca jako elektron, a sama staje się chłopakiem (protonem).

To zjawisko nie wymaga dużej dyskoteki. Nawet na małej się zdarza.

Weźmy zatem izotop wodoru tryt. Są tam dwie dziewczyny (neutrony), a tylko jeden chłopak (proton). Po pewnym czasie jedna z nich postanawia zmienić się w chłopaka (zawsze o tym marzyła).

Przed rozpadem był izotop wodoru
, zwany trytem. Po rozpadzie powstało jądro z dwoma protonami czyli drugi pierwiastek w Układzie okresowym - hel. Tego izotopu jest bardzo dużo na Słońcu i z wiatrem słonecznym leci w Kosmos, wbijając się na przykład w grunt księżycowy. Na Ziemi zaś takiej odmiany helu praktycznie nie ma, a bardzo by się przydał do kontrolowanej reakcji termojądrowej.

Zapiszmy reakcję rozpadu beta w tym przypadku:

Elektron ma ładunek -1, a ilość nukleonów zero. Widzimy, że znaczek na dole oznacza generalnie ładunek, a niekoniecznie ilość protonów. Na lewo mamy ładunek +1, na prawo +2 i -1, czyli razem znów tyle samo. W przyrodzie obowiązuje bowiem zasada zachowania ładunku elektrycznego. Suma ładunków przed i po reakcji musi być ta sama.

Co do górnych wskaźników obowiązuje podobna reguła. Zobaczmy, że na lewo są trzy nukleony i 3 na prawo. To zasada zachowania ilości nukleonów.

Skąd się bierze gamma?

Zarówno po rozpadzie alfa jak i beta składniki muszą zająć nowe pozycje - zazwyczaj bliżej środka. Spadając w dół tracą energię, ale nie w postaci zwykłego światła, a w postaci fotonów jeszcze mocniejszych od ultrafioletowych, które zwiemy fotonami gamma.

Nie ma więc rozpadu gamma. Promieniowanie to jest produktem ubocznym rozpadów alfa i beta. Dlatego możemy te rozpady zapisać dokładniej jako:

Ciekawe, że w przypadku rozpadów beta powstaje jeszcze jedna cząsteczka - neutrino, oznaczane symbolem
. Bardzo długo nie zdawano sobie sprawy z istnienia tej cząstki, bo jest niesłychanie lekka, bez ładunku, a więc trudna do wykrycia. Neutrino potrafi przelecieć na drugą stronę kuli ziemskiej w ogóle w nic nie trafiwszy. Skoro prawie nie oddziałuje z materią, więc trudno zrobić urządzenia do jego wykrywania. Takie urządzenia mają rozmiary setek metrów jak detektor Kamiokande ze zdjęcia na stronie102 w podręczniku.

Pełny zapis rozpadu beta to zatem:

Jako przykład reakcji rozszczepienia pokażemy samorzutne rozszczepienie kalifornu. Jądro najdroższego na świecie pierwiastka - kalifornu ( 180 mln dolarów za gram) wytworzonego po raz pierwszy w reaktorze jądrowym w 1950 roku, rozszczepia się samoistnie.

Z jednego jądra robią się dwa. Przy okazji wylatują zbyteczne neutrony. Skoro z dużej dyskoteki robią się dwie mniejsze, część dziewczyn wylatuje jako nadmiarowa. Kaliforn jest idealnym źródłem promieniowania neutronowego.

Przed rozszczepieniem.

W trakcie.

Po rozszczepieniu.

W reaktorach jądrowych rozszczepia się jądra uranu uderzając w nie czymś, ale o tym powiemy innym razem.

Czy są jeszcze inne rodzaje reakcji jądrowych?

Są bardzo różne, ale interesująca jest reakcja podstawiania. Otóż w ziemskiej atmosferze 80% masy stanowi azot. Z niego potrafi powstawać węgiel, gdy z kosmosu przylatują neutrony. Ten węgiel to słynny węgiel C14. (Zwykły to C12) Pozwala określać wiek znalezisk archeologicznych, o czym opowiemy następnym razem. Jest go na Ziemi bardzo mało.

Oto rysunek przedstawiający powstawanie węgla C14:

Neutron uderza w jeden z protonów zwykłego jądra azotu o 7 protonach i 7 neutronach. Wybija go, a sam zajmuje jego miejsce. Chytry! Tak powstaje jądro z tylko 6 protonami, a to jest węgiel, ta nietypowa jego odmiana. Ale niecny czyn wysiudania z dyskoteki protonu nie ujdzie płazem neutronowi. Jak pamiętamy na małej dyskotece powinno być po połowie protonów i neutronów, dlatego po jakimś czasie będzie musiał zmienić się w proton za pomocą rozpadu beta, co pokazuje rysunek poniżej. Z węgla
z powrotem powstaje azot
.

Teraz możesz przystąpić do wypełniania karty pracy. Jeśli temat Cię zainteresował możesz też przejrzeć rozdział 18 w podręczniku. Jest tam kilka dodatkowych informacji.