2. Atomové jádro a jeho stabilita Atom je nejmenší hmotnou a chemicky nedělitelnou částicí. Je tvořen jádrem, které obsahuje protony a neutrony, a elektronovým obalem. Elementární částice tvořící atom Elementární částice Objevitel (rok) Hmotnost Náboj e/C Symbol m/u proton Rutherford (1920) 1,0072 kladný 1,60210.10-19 p+ nebo 11p neutron Chadwick (1932) 1,0086 nemá náboj n0 nebo 10n elektron Thomson (1897) 5,4857 . 10-4 záporný 1,60210.10-19 e- nebo 01e protonové (atomové) číslo Z počet protonů v jádře nukleonové číslo A počet nukleonů, tj. protonů a neutronů v jádře neutronové číslo N počet neutronů v jádře 1 nukleonové číslo N+Z [USEMAP] [USEMAP] Definice prvku Soubor atomů, které mají stejné atomové číslo Z (N mohou mít různé) se nazývá prvkem. Definice nuklidu Soubor naprosto identických atomů, které mají stejné atomové číslo Z a neutronové číslo N, přičemž Z ≠ A (jediná výjimka je jádro lehkého vodíku 1 H), se nazývá nuklidem. Vykazuje-li nuklid radioaktivitu, pak jde o radionuklid. 1 Definice pojmu izotop Pojem izotop je nutno na rozdíl od pojmu nuklid chápat spíše kvalitativně, nechápe se jako soubor atomů. Tento pojem vyjadřuje skutečnost, že prvek je tvořen několika typy jader, tedy atomy, které mají stejné Z, ale mohou se lišit počtem neutronů v jádře. Použití pojmu izotop (izotopy) snad nejlépe vyplyne z tvrzení: Vodík je v přírodě zastoupen třemi izotopy. Jsou to nuklidy 11H; 21H; 31H 2 [USEMAP] [USEMAP] Prvky polyizotopické Prvek Ar (stř.) Izotop Výskyt v přírodní izotopové směsi (%) Ar Vodík 1,0179 1H 99,985 1,007825 2H 0,015 2,014102 Lithium 6,941 6Li 7,52 6,015126 7Li 92,48 7,016005 Uhlík 12,011 12C 98,892 12,00000 13C 1,108 13,003354 Kyslík 15,9994 16O 99,759 15,994915 17O 0,037 16,999133 18O 0,204 17,999150 Draslík 39,08 39K 93,08 38,963714 41K 6,92 40,961385 Cín 118,69 112Sn 0,96 111,904940 114Sn 0,66 113,902960 115Sn 0,35 114,903530 116Sn 14,30 115,902110 117Sn 7,61 116,903060 118Sn 24,03 117,901790 119Sn 8,58 118,903390 120Sn 32,85 119,902130 122Sn 4,72 121,903410 124Sn 5,94 123,905240 Uran 235U 0,72 235,03493 238U 99,28 238,050760 3 [USEMAP] Přirozené radionuklidy Některé přirozené radionuklidy, které nejsou členy přeměnových řad a2a 4 [USEMAP] Prvky monoizotopické beryllium (9Be) fosfor (31P) fluor (19F) kobalt (59Co) sodík (23Na) jod (127I) hliník (27Al) zlato (197Au) aj. Dnes je známo více než 2000 nuklidů, z nichž je pouze cca 266 stabilních. Ostatní jsou nukleárně nestabilní, a proto podléhají radioaktivní přeměně. Pojem radioaktivní prvek lze použít pouze pro prvky: ·které nemají stabilní nuklidy ·mohou se vyskytovat v přírodě nebo jsou připraveny uměle ·neoznačují se tak prvky, které mají pouze jeden radioaktivní izotop s malou aktivitou. (Platí Mattauchovo pravidlo, které říká, že v takové řadě nuklidů, které mají stejné nukleonové číslo, ale liší se v čísle protonovém, bývá prostřední nuklid radioaktivní).  40K je přirozeným beta zářičem, součást přirozeného radioaktivního pozadí 5 [USEMAP] [USEMAP] 40Ar [USEMAP] [USEMAP] Izotony (příliš se nepoužívá) představují nuklidy, které mají stejný počet neutronů v jádře, např. 31H 42He Pojem izobary (používá se v množném čísle) je vyhrazen nuklidům, které mají stejné nukleonové a různé protonové číslo, např. Hmotnost nuklidů a jejich zastoupení v přírodní směsi se dá zjistit např. hmotnostní spektrometrií. 6 [USEMAP] Izotopové složení přírodního xenonu [%] 124Xe 0,095 129Xe 26,44 132Xe 26,89 126Xe 0,090 130Xe 4,08 134Xe 10,44 128Xe 1,915 131Xe 21,18 136Xe 8,87 Hmotnostní spektrum xenonu 7 [USEMAP] Atomové jádro ·Jádra běžných atomů se skládají z protonů a neutronů, mezi kterými existují silné jaderné interakce. Jaderné síly jsou nábojově nezávislé (možnost výměny mezi protonem a neutronem), krátká doba interakce (10-23 s). · ·Je v nich soustředěna prakticky veškerá hmotnost atomu. · ·Nukleony mají svůj jaderný spin rovný ½. ·Mezi nukleony působí silné jaderné interakce, které jsou podstatou jaderných sil (výměna virtuálního pionu). Výměnné reakce nukleonů Výměna gluonu mezi dvěma nukleony 8 [USEMAP] [USEMAP] Hladinový model jádra ·spin protonu i neutronu je ½ · ·platí obdoba Pauliho principu: nukleony v potenciálové jámě obsazují postupně jednotlivé kvantové stavy a vyšší stav se obsadí tehdy, až je nižší plně obsazen · ·pro výpočet energie nukleonů platí obdobné vztahy jako pro elektrony (částice mají dualistický charakter) · ·pro protony a neutrony existují samostatné soustavy energetických hladin · 9 [USEMAP] Potenciálová jáma a energetická bariéra Z1Z2 A1/ 3  A1/ 3 1 2 B  (obdoba Coulombova zákona) Z1, Z2 – protonová čísla jádra a kladné částice (zde protonu) A1, A2 – jejich nukleonová čísla Výška potenciálové bariéry (v MeV) 10 Poloměr jádra působnost jaderných sil je omezena na oblast jádra – síly mají krátký dosah (cca 10-15 m). Hovoříme o poloměru jádra (ro =1,4.10- 15 m, A je počet nukleonů) r =ro. A1/3 [USEMAP] [USEMAP] ·protonové slupky obsahují při plném zaplnění 2, 6, 12, 18, 22 a 32 protonů · ·neutronové slupky obsahují při plném zaplnění 2, 6, 12, 18, 22, 32 a 44 neutronů ·pokud má jádro jednu nebo více slupek zaplněných, pak obsahuje celkem 2, 8, 20, 28, 50 nebo 82 protonů, resp. 2, 8, 20, 28, 50, 82 nebo 126 neutronů. Jde o tzv. magická čísla, tato jádra jsou velmi stabilní. Pokud jádro obsahuje magická čísla pro protony i neutrony, pak jde o jádra dvojitě magická s mimořádnou stabilitou, přičemž musí být splněna podmínka optimálního poměru počtů protonů a neutronů (N:Z = cca 1-1,5). Sn 100 Např. dvojitě magické jádro 50 11 Obsazení protonových a neutronových slupek v jádře [USEMAP] je velmi nestabilní pro relativní nedostatek neutronů. Na základě hladinového modelu jádra lze vysvětlit známé skutečnosti o výskytu nuklidů v přírodě. Kombinace Počet stabilních nuklidů Z N sudé sudé 164 sudé liché 55 liché sudé 50 liché liché 4 Také počty izotopů jednotlivých prvků se liší podle toho, jde-li o prvek sudý nebo lichý: 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I počet izotopů 2 8 1 10 2 8 1 12 [USEMAP] Hmotnost a vazebná energie jádra Např. pro jádro 4 2He je: Δ = 5,000618.10-29 kg = 4,5. 10-12 J/atom = 2,71.1012 J/mol. Toto množství tepla ohřeje 6500 tun vody z 0°C k varu. Vazebná energie jádra vztažená na jeden nukleon vypovídá o tom, zda je jádro stabilní nebo nikoliv !!! ε = Ev /A Závislost střední vazebné energie jádra na počtu nukleonů v jádře 13 [USEMAP] [USEMAP] Možnosti uvolnění energie při jaderných přeměnách: ·spojováním jader neboli jadernou syntézou čili fúzí nejlehčích jader (vodík, helium,...) v jádra těžší (termojaderná syntéza) ·rozštěpením nejtěžších jader (např. uranu) na jádra lehčí. V obou těchto procesech mají nukleony ve výsledných jádrech menší vazebnou energii než v jádrech výchozích a rozdíl těchto energií se uvolní v podobě jadernou energii (nejčastěji ve formě tepla). Obecně lze konstatovat, že stabilita jader je záležitostí jejich složité vnitřní struktury. Podle velikosti vazebné energie jádra vztažené na nukleon můžeme jádra rozdělit na nukleárně stabilní (mají velkou vazebnou energii a nukleárně labilní . „ostrov stability“ – očekávaný výskyt supertěžkých jader, očekává se jejich relativní stabilita – viz další kapitoly 14 [USEMAP] [USEMAP] Kapkový model jádra je založen na představě krátkého dosahu jaderných sil, kdy nukleony v jádře interagují pouze se svými sousedy v jádře podobně jako tomu je v kapce kapaliny. Tvar jádra ·Dvojitě magická jádra mají kulovitý tvar. · ·Ostatní jádra s vysokým spinem mají tvar deformovaný, protáhlý elipsoid – lanthanoidy, aktinoidy, zploštělý. Snadno se rozštěpí. 15 [USEMAP] Izotopový efekt je záležitostí rozdílných hmotností jader izotopů téhož prvku. Projevuje se na fyzikálních vlastnostech látek, kterých jsou tyto izotopy součástí a kde hmotnost má na příslušnou fyzikální vlastnost vliv. Střední kinetická energie molekul plynu těžší molekuly se pohybují pomaleji Rychlost chemických reakcí reakce s těžšími izotopy probíhají jinou rychlostí Vibrace chemické vazby změna vlnočtu vibrace v molekulových spektrech Teplota tání lehká voda 0 °C, těžká voda 3,82 °C Rychlost difuze dělení izotopů uranu 235 + 238 (Grahamův zákon) 16 [USEMAP]