Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 30.

Kategoria: Izotopy i promieniotwórczość Typ: Podaj i uzasadnij/wyjaśnij

Jądra atomowe, w których stosunek liczby neutronów do liczby protonów przekracza znacznie wartość 1, ulegają przemianom nazywanym promieniotwórczymi. W przemianach tych zachowana jest zarówno masa, jak i ładunek elektryczny, a produktami tych przemian mogą być: jądra ⁴₂He nazywane cząstkami α, elektrony nazywane cząstkami β^– , jądra innych pierwiastków, a także neutrony. Cząstki niebędące składnikami jądra atomowego powstają na skutek przemian zachodzących pomiędzy nukleonami, czyli cząstkami tworzącymi jądro atomu. Wielkością charakteryzującą przemiany promieniotwórcze jest okres półtrwania jądra pierwiastka aktywnego promieniotwórczo, zdefiniowany jako czas, po którym pozostaje połowa liczby aktywnych jąder tego pierwiastka. Przykładem pierwiastka ulegającego przemianom promieniotwórczym jest pluton. Izotop plutonu ²³⁹₉₄Pu , jako produkt przemiany zachodzącej z emisją cząstki β^– izotopu neptunu o liczbie masowej równej 239, po raz pierwszy został wyodrębniony w 1941 r. przez grupę badaczy McMillana i Seaborga. Ta sama grupa badawcza odkryła go w 1942 r. w rudach uranu w ilości około 10–9%. Izotop ten jest uważany za najtrwalszy produkt rozpadu izotopu uranu o liczbie masowej równej 238.

Na podstawie: A. Czerwiński, Energia jądrowa i promieniotwórczość, Warszawa 1998, s. 50–51, 106–107.

Wyjaśnij, dlaczego podczas przemiany promieniotwórczej zaobserwowanej przez zespół McMillana i Seaborga w 1941 r. doszło do emisji cząstki, która nie jest składnikiem jądra atomowego. Dlaczego przemianę tę nazywamy przemianą jądrową?

Rozwiązanie

Przykład poprawnej odpowiedzi
Tylko poprzez emisję elektronu można wyjaśnić przemianę, w czasie której liczba neutronów zmniejszyła się o jeden, zaś liczba protonów wzrosła o jeden: ¹₀n → ^A_Zx + ¹₁p . Rozpad neutronu prowadzi więc do protonu i elektronu: ¹₀n → ⁰₋₁e + ¹₁p, dlatego powstaje cząstka niebędąca składnikiem jądra atomowego. Przemianie ulega neutron, składnik jądra atomowego, dlatego przemianę nazywamy jądrową.

Wskazówki

Korzystając z rozwiązania do poprzedniego zadania, należy porównać liczbę neutronów i protonów dla poszczególnych izotopów (ulegającego rozpadowi izotopu neptunu-239 i powstającego w wyniku przemiany izotopu plutonu-239): dla izotopu neptunu-239 liczba neutronów = 239 – 93 = 146, liczba protonów wynosi 93;
dla izotopu plutonu-239 liczba neutronów = 239 – 94 = 145, liczba protonów wynosi 94.
Na tej podstawie stwierdzamy, że ubytkowi neutronu towarzyszy powstawanie protonu i elektronu, zapisując bilans masy i ładunku: ¹₀n → ⁰₋₁e + ¹₁p, co pozwala nam wyjaśnić, że podczas rozpadu neutronu (cząstki budującej jądro atomu) otrzymujemy proton (cząstkę budującą jądro atomu) i elektron niebędący składnikiem jądra. Składniki jądra pozostają w nim związane siłami jądrowymi (dlatego przemiana nazywana jest jądrową: zachodzi w obrębie jądra), a niebędący częścią jądra elektron jest usuwany w postaci strumienia elektronów nazywanych cząstkami β^–.