Radioaktivni raspad i Raioaktivne serije Energija veze i

Radioaktivni raspad i Raioaktivne serije

Energija veze i stabilnost jezgra • Ukupna masa jezgra je uvijek manja od mase sastavnih dijelova jezgra radi masene akvivalencije, negativne potencijalne energije koja se pripisuje privlačnoj sili među nukleonima. Ova razlika u masama cijelog i rastavljenog jezgra zove se DEFEKT MASE (Δm). • Δm = Zmp + Nmn – mat • Kada se defekt mase pretvori u energiju, dobije se ENERGIJA VEZE jezgra • Ev = Δm c 2 • • Jasno je da će jezgra sa većim brojem nukleona imati i veću energiju veze. Zato je korisno računati energiju veze po nukleonu. Skoro sva stabilna jezgra imaju energiju veze po nukleonu u rasponu od 6 do 9 Me. V/nukleon. Najveću energiju veze po nukleonu imaju jezgra blizu A = 60.

Energija veze Kada se četiri protona udruže da formiraju jezgro 4 He : *nastaje defekt mase 56 Fe Defekt mase predstavlja ogromni iznos energije koji se računa po Ajnšatajnovoj relaciji, E=mc 2, i obično se izražava u Mev-ima

Energija veze po nukleonu • Ovaj dijagram se koristi da se uporedi relativna stabilnost raznih nukleona. On ima maksimum blizu A = 56. • Krivulja naglo raste demonstrirajući ekat ekraniranja nuklearne sile. Na njoj imamo oštre pikove za čvrsto vezane par-par nuklide 4 He, 12 C, i 16 O

Stabilnost jezgra • U prirodi postoje samo 92 hemijska elementa + (još 12 umjetno proizvedenih) a poznato je oko 2500 različitih nuklida od kojih je 350 prirodnih a 2100 umjetnih. Većina nuklida je nestabilna – radioaktivna, a samo ih je oko 300 stabilnih. • Pogodna kombinacija protona i neutrona čini jezgru stabilnom, čim je drugačije, jezgra nastoji da se izbacivanjem nukleona približiti stabilnoj konfiguraciji. • 1896 Becquerel je slučajno otkrio radioaktivnost u spojevima koji sadrže uran. Nakon niza eksperimenata zaključio je da se to zračenje spontano emitira, da je prodorno, da zacrnjuje fotografsku emulziju i da jonizuje gasove. Takva spontana emisija zračenja nazvana je radioaktivnost. • Marie i Pierre Curie su izučavali radioaktivnost, te otkrili dva do tada nepoznata elementa, oba radioaktivna, nazvana polonijum i radijum.

Stabilnost jezgra • Većina jezgara su nestabilne strukture koje se “raspadaju” i pretvaraju se u nove nuklide emitujući pri tome čestice i elektromagnetno zračenje. • Vremenska skala ovih procesa raspada (tj. pretvaranja jednog jezgra u drugo) ide od dijela mikrosekunde do milijardi godina. • Obično postoji samo jedan ili dva stabilna izotopa svakog elementa. Samo na 4 mjesta i to za A = 96, A = 124, A = 130 i A = 136, imamo po 3 stabilna izotopa. • Niti jedno jezgro sa Z>83 i A>209 nije stabilno • Razlog nestabilnosti je natjecanje između privlačnih – nuklearnih i Kulonovih – odbojnih sila. Pri velikim Z ili A odbijanje uvijek prevlada. • Drugi izvor nestabilnosti nastaje zbog tzv. efekta uparivanja. Jezgro je stabilno ako ima paran broj protona i neutrona (2 He 4 –je vrlo stabilno jezgro). • Ako je pak odnos neutron – proton neadekvatan, jezgro je nestabilno čak i onda kada A i Z ne prelaze granice pomenute ranije (Z>83 i A>209 ).

Nuklearna stabilnost • • U periodnom sistemu elemenata ima nešto više od 100 različitih elemenata. Nuklearna fizika poznaje nešto više od 260 stabilnih jezgara, dakle na svaki element u prosjeku otpada po 2, 5 izotopa. Naravno, ta raspodjela nije ravnomjerna. Uočena je tendencija nukleona da se uparuju: od 264 stabilna nuklida čak njih 158 ima paran broj protona Z i paran broj neutrona N, 49 ima neparan Z i paran N a samo četiri elementa imaju neparno i Z i N U prirodi ne postoje teža jezgra od jezgra Urana. Ako su ikada i postojali mora da su se raspala tako brzo da od njih nisu preostali mjerljivi iznosi.

• Ne čini svaka kombinacija neutrona i protona jezgru stabilnom. • Brojne jezgre su radioaktivne. • Energetski nivoi u jezgri se popunjavaju kako bi se dostigla konfiguracije minimalne energije tj. maksimalne stabilnosti

Karta nuklida sa periodom poluraspada

Produkti radioaktivnog raspada • eksperimentalna istraživanja radioaktivnosti zajedno s Rutherfordovim rasijanjem alfa čestica ukazala su da je radioaktivnost rezultat raspada nestabilne jezgre • Utvrđeno je da postoje tri tipa radioaktivnosti: – alfa raspad – jezgra spontano emitira jezgru helija – beta raspad –jezgra spontano emitira elektron ili pozitron (antielektron) – gama raspad – jezgra spontano emitira gama zraku – foton visoke energije – Zahvat elektrona (p+e->n)

Period poluraspada ugljika C 14

Radioaktivni raspad - Radioaktivni roditelj jezgro se pretvara (raspada) u kčerka jezgro - Vjerovatnost da će se raspad dogoditi u jedinici vremena se definiše kao -konstanta radioaktivnog raspada ne zavisi od vremena; -srednji život se definira kao =1/ N 0 t 1/2 = 5730 y 5730

Half Life Period poluraspada = Broj godina u kojima se 1/2 početnog broja atoma U se transformira u Pb

Računanje aktivnosti - Obično se izražava u raspadima u minuti (dpm), primjer: 14 C aktivnost = 13. 56 dpm / gram C - Pošto je aktivnost linearno zavisna od N, može da se zamijeni sa N u jednačini Primjer računanja aktivnosti: Koliko se dezintegracija 14 C dogodilo u 1 g drvenog uzorka iz 1808 godine? T=200 godina t 1/2 = 5730 god pa je = 0. 693/5730 god = 1. 209 e-4 /god N 0=A 0/ pa je N 0=(13. 56 dpm*60 m/sat*24 sat/dan*365 dana/god) /1. 209 e-4= 5. 90 e 10 atoma N(14 C)=N(14 C)0*e-(1. 209 e-4/y)*200 god = 5. 76 e 10 atoma Broj raspada = N 0 -N = 2. 4 e 9

Zakon radioaktivnog raspada • Svaki nukleus ima određenu vjerovatnost raspada u jedinici vremena. Ništa ne može da utiče na to ( temperatura, pritisak, okolina. . . itd. ) [izuzetak: vrlo veliki pritisci promoviraju zahvat elektrona] • Ovo znači da u prosjeku kad imamo veliki broj atoma broj raspada po jedinici vremena je proporcionalan broju prisutnih atoma. • Zato je u zatvorenom sistemu: (3. 1) – N = Broj roditelj-jezgara u trenutku t – l = konstanta raspada = vjerovatnosti raspada u jedinici vremena (mjeri se u: s– 1). Integracija daje: (3. 2) – No = početni broj roditelj jezgara u trenutku t = 0.

Definicije nekih posebnih veličina • Prosječni život nuklida roditelja se određuje odnosom trenutnog broja jezgara roditelja i brzine raspada (aktivnosti): • Vrijeme poluraspada t 1/2 jezgra je vrijeme za koje se raspadne polovina od početnog broja jezgara, tj. vrijeme nakon kojeg ostane pola početnih jezgara roditelja: (3. 3) • Aktivnost se obično označava kao (N)=A i predstavlja broj raspada u jedinici vremena (3. 4)

Age Equation D = Do + N(e t-1) D= broj atoma kćerke N = broj neraspadnutih jezgara roditelja Do = broj početnih atoma kćerke e = eksponenc. funkcija = konstanta raspada t = vrijeme Radioaktivni izotopi se spontano raspadaju i stvaraju izotope potomke. Radioaktivni raspad je spontan i konstantan. Kako se radioaktivna jezgra roditelja raspadaju, jezgra kćeri se stvaraju (crvena krivulja). Ako možete mjeriti odnos atoma roditelja i kćeri u nekom sistemu izotopa, možete naći da je T = 1/ ln[(D - D 0)/N + 1.

Četiri tipa radioaktivnog raspada 1) 2) 3) 4) alfa ( ) raspad - izbacuje se jezgro helijuma 4 He (2 p + 2 n) 2) beta ( ) raspad – promjena naboja jezgra, očuvanje mase gama ( ) raspad – emisija fotona, nema promjene A ili Z Spontana fisija - za Z=92 i iznad, stvaraju se dva manja jezgra

Alpha decay: the nucleus of the radioactive isotope emits and alpha ( ) particle, comprising of 2 neutrons and 2 protons. The atomic number of the isotope decreases by 2, while the mass number decreases by 4. 234 U decays to 230 Th by alpha decay.

Beta Emission (Decay): a neutron emits a beta ( ) particle (similar to an electron) and is tranformed into a proton. The atomic number of the atom has increased by one while the mass number remains unchanged. The decay of 14 C to 14 N occurs via emission.

Electron ( )- Capture: a proton captures an electron and is transformed into neuton and emits a gamma ( ) particle. The atomic number of the atom has decreased by one while the mass number remains unchanged. The decay of 40 K to 40 Ar occurs via capture.

-raspad Emisija -čestice ili 4 He jezgra (2 neutrona, 2 protona) Roditelj jezgro smanjuje maseni broj za 4, atomski broj za 2. Primjer: 238 U -> 234 Th + 4 He Relacije masa-energija: 238 U 238. 0508 amu 234 Th – 234. 0436 4 He – 4. 00260 Defekt mase 0. 0046 amu = 6. 86 x 10 -13 J/raspadu = 1. 74 x 1012 J/kg 238 U Na ovaj način se raspadaju jezgra teža od 209 Bi sa odnosom proton/neutron ratio duž regiona stabilnosti

- raspad Emisija elektrona (i antineutrina) tokom konverzije neutrona u proton Maseni broj se ne mijenja, atomski broj poraste za 1. primjer: 87 Rb -> 87 Sr + e– + n Relacija masa - energija: 87 Rb 86. 909186 amu 87 Sr – 86. 908882 Defekt mase 0. 0003 amu = 4. 5 x 10 -14 J/decay = 3. 0 x 1011 J/kg 87 Rb Ovako se raspadaju jezgra sa viškom neutrona u odnosu na dolinu stabilnosti

+- raspad i zahvat elektrona Emisija pozitrona (i neutrina) ili zahvat jednog elektrona iz unutrašnje ljuske tokom konverzije protona u neutron Maseni broj se ne mijenja, atomski broj se smanjuje za 1. primjeri: 40 K -> 40 Ar + e+ + n 50 V+ e– -> 50 Ti + n + U pozitronskoj emisiji većina energije se emituje kroz materija-antimaterija anihilaciju. U zahvatu elektrona gama-zrak odnosi višak energije ray carries off the excess energy. Ovi raspadi se najčešće događaju kod nukleusa koji imaju više protona u odnosu na dolinu stabilnosti

U Pb Serije Ovo je radioaktivna serija, u kojoj uran (roditelj) se transformira kroz 14 koraka u olovo (kći).

U, Th-Pb sistem se transformira u 206 Pb kroz seriju od 8 -raspada i 6 -raspada, od kojih svaki ima svoju sopstvenu konstantu raspada. . • 238 U

Radioactive Decay Processes A chain decay involves the radioactive decay of intermediate radioactive daughter atoms that eventually decay to stable daughter such as the decay of 238 U to 206 Pb.

U-Th-Pb ¸serije (lanci) raspada

Beta raspad na karti nuklida • Ugljik-14 se beta minus raspadom transformira u azot-14 i elektron (i neutrino): 14 • 6 C 14 7 N + 0 -1 e + n ( - decay) Z poraste za jedan Z N se smanji za jedan N

Beta minus raspad na karti nuklida • Negativni beta-raspad stvara kčerku nuklid nagore-lijevo u odnosu na nuklid roditelja: 14 • 6 C 14 7 N + 0 -1 e + n ( - decay) Z=7 Z poraste za 1 Z=6 N se smanji za 1 N=7 N=8

Beta-plus raspad na karti nuklida • Kiseonik-15 se raspada beta-plus raspadom na azot-15 i pozitron (i neutrino): 15 • 8 O 15 7 N + 0 +1 e + n ( + raspad) Z se smanji za jedan Z N poraste za jedan N

Beta-plus raspad na karti nuklida • Pozitivni beta-raspad stvara kčerku nuklid na poziciji koja je dole desno u odnosu na roditelja: 15 • 8 O 15 7 N + 0 +1 e + n ( + raspad) Z=8 Z opadne za jedan Z=7 N poraste za jedan N=7 N=8

Zahvat elektrona (Electron capture -EC) 7 0 4 Be + -1 e 3 Li 7 (and an X-ray) • • Ovaj proces ima isti rezultat kao + raspad, osim što se ne emituje beta - čestica.

Primjeri: Raspad Urana i Radijuma • Raspad uranijuma (U) se predstavlja nuklearnom reakcijom: • što se piše i kao: • Ili, raspad radijuma (Ra): • ili:

Radioactive Decay Processes Jednostavni Branched Decay: raspad: represents radioaktivni a izotop decayse process pretvara where u atom the kčeri. 14 C) će Na radioactive primjer, radiocarbon isotope can (decay to uvijek more da than seone transformira radiogenicu daughter azot 14 N). For example 40 K can decay (atom. to either 40 Ca (88. 2% of the time) or 40 Ar (11. 8% of the time).

Određivanje starosti uzorka n Radioaaktivni 14 C se proizvodi u našoj atmosferi tako što se atomi 14 N bombarduju neutronima koje proizvode kosmički zraci. n Kada živi organizam umre, prestaje njegovo unošenje 14 C , i odnos 14 C / 12 C (= R) opada pošto se 14 C transformira. U periodu od prije 9000 godina odnos 14 C / 12 C je bio viši nego danas za faktor 1. 5. n Pošto period poluraspada 14 C iznosi 5730 godina, zgodno je koristiti ovaj odnos 14 C/12 C za određivanje starosti uzorka u periodu od 45, 000 godina.

• Radiougljik se sudarom se stvarau uatmosferi sudarom neutrona sa sa atomima (Azot imaima 7 protona i neutrona atomimaazota (Azot 7 7 neutrona jezgru). u jezgru). protona i 7 uneutrona protoniz iz azotnih jezgara • Neutron izbacuje proton azotnih jezgara zamjenjujući gasa saneutronom. Broj protona zamjenjujući ga protona se se smanjuje 1 (sad ali maseni smanjuje za 1 za(sad ih je ih 6), jeali 6), maseni broj ostaje isti (14). Jezgro sada ima 6 protona i 8 neutrona in its • nucleus Jezgro sada ima 6 protona i 8 neutrona i daje and form the isotope 14 C izotop ugljika 14 C (radiocarbon). C-14 je (radiocarbon). C-14 is radioactive and radioaktivan i raspada se s periodom decays with aodhalf-life of 5730 years back to poluraspada 5730 years pretvarajući se tako 14 N). Nitrogen ponovo u(azot (14 N). The 14 C atoms rapidly form CO 2 gas and • then C-14 exchanged atomi rapidno formirajuthe CO 2 gas koji se between atmosphere, tada razmjenjuje atmosfere hidrosfere i hydrosphere andizmeđu biosphere. As long as the biosfere. Sve dok je organizam živ on će organism is alive it will continually exchange kontinuirano izmjenjivati ugljik sa svojom carbon within its reservoir andkoji remain in okolinom i održavati nivo ugljika se s jedne equilibrium as new is replenished. strane raspada, ali sacarbon druge nadoknađuje i tako 14 After the organism dies the C clock isumre set se održava stalnim. Nakon što organizam 14 C/stable carbon (12 C and as theseratio ofraspada, C 14 samo a ne nadoknađuje pa 13 odnos 14 C decays 14 N. se C 14/stabilni (12 C and C) decreases as ugljik to 13 C) smanjuje jer se 14 C transformira u 14 N.

Alfa raspad • Polonium-210 raspada alfa raspadom na olovo-206 i alfa česticu : • 210 84 Po + 2 He 82 Pb 206 4 • Broj protona opada (84 82) i broj neutrona opada (126 124). • Svaki alfa raspad smanjuje Z za 2 i N za 2. • Kći nuklid se stvara dijagonalno dolei lijevo na karti nuklida. http: //www-nds. iaea. org/nudat 2/index. jsp

Radioaktivne serije • Postoje tri glavne radioaktivne serije (lanca) koje se označavaju simbolima važnih izotopa u seriji: U-238, Th-232, U-235 • Sve ove serije završavaju stabilnim izotopom olova Pb. • Prirodne rude urana i torijuma sadrže sve nuklide iz serije u određenoj ravnotežnoj koncentraciji.

Radioaktivna serija: Torijum-232

Radioaktivna serija : Uran-238

Radioaktivna serija : Uran-235

Lanci raspada za U-238 i Th-232

Kvalitativna slika karte nuklida • Stabilni nuklidi su u dijagonali karte nuklida oko koje su nestabilni nuklidi. • Što su nuklidi dalje od dijagonale, to su više nestabilni: imaju kraće periode polutaspada. • Nuklidi sa jedne strane dijagonale su - emiteri, a oni sa druge strane su + emiteri. • Teški nuklidi se raspadaju alfa raspadom i pretvaraju se u nuklide koji su bliži centralnoj liniji stabilnosti. • Egzotični raspadi: spontane fisije, p, ili n.

Karta nuklida sa periodom poluraspada