Kapittel 21 Kjernekjemi

Transkript

1 Kapittel 21 Kjernekjemi 1. Radioaktivitet 2. Ulike typer radioaktivitet (i) alfa, α (ii) beta, β (iii) gamma, γ (iv) positron (v) elektron innfangning (vi) avgivelse av nøytron 3. Radioaktiv spaltingsserie 4. Band stabilitet 5. Bruk av radioaktivitet - C-14 metoden - I medisin 5. Fusjon og fisjon

2 1. Radioaktivitet Radioaktivitet: Spalting av atomkjerner der det blir dannet nye atomkjerner og andre partikler. Hvorfor blir de spaltet? Kjernen består av proton og nøytron. Protonene er positivt ladd og de vil frastøte hverandre, nøytronene utvanner frastøtningene. Kjerner med mange protoner i forhold til nøytron er ustabile. 2. Ulike typer radioaktivitet (i) Alfa, α: Avspalting av heliumkjerner Eksempel: U He+ Th He 2 Balansering: Masse tallene må være like og antall proton må være like (ii) Beta, β: Avspalting av elektron PS! Elektronet kommer fra kjernen. Det blir dannet ved spalting av nøytron n e+ p Eksempel: H e+ He (iii) Gamma, γ: Høg-energetisk foton Ofte vil avgivelse av γ være en del av en radioaktivprosess U He+ Th+ γ (iv) Avgivelse av positron, 1e Et positron har samme masse som elektron men det er positivt Positron dannet ved spalting av proton: p n+ e Eksempel: Na e + Ne Positron er antipartikkel til elektron (iv) Avgivelse av nøytron En danner en annen isotop av samme grunnstoff Kr 0n+ 36Kr (v) Elektron innfanging Et elektron blir fanget inn i kjernen. Dette er veldig uvanlig for naturlige isotoper, men vanlig for syntetiske isotoper. Elektronet vil reagere med proton og danne et nøytron p + e n

3 3. Radioaktiv spaltingsserie Ofte vil en radioaktiv kjerne bli spaltet til en ny kjerne som også er radioaktiv. En får en spaltingsserie der en til slutt kommer til en stabil kjerne. Halveringstid: Den tiden det tar før halvparten av en prøve med radioaktivt materiale har forsvunnet

4 Sammenligning av kjemisk reaksjon og kjerne reaksjon Kjemisk reaksjon 1 Atom er omordnet ved at kjemiske bindinger blir brutt og dannet 2 Bare elektron i atom eller molekylorbitaler inngår i bryting og danning av bindinger 3 Ved reaksjoner blir det avgitt eller tatt opp relativt små mengder med energi 4 Farten til reaksjonen er bestemt av temperatur trykk, konsentrasjon og katalysator Kjernereaksjon Element (eller isotoper av samme element) blir omdannet fra et til et annet Proton, nøytron, elektron og andre elementær partikler kan være involvert Ved reaksjoner blir det avgitt eller tatt opp enorme mengder energi Farten til reaksjonen er normalt ikke avhengig av temperatur, trykk og katalysator 4. Bandstabilitet: Dersom en plotter antall proton mot antall nøytron for alle kjent isotoper av alle grunnstoff. Vi en finne at der er en sone der de stabile isotopene ligger. Leg merke til at når atomnummeret øker (antall proton) så vil den stabile sonen gå bort fra et 1:1 forhold mellom proton og nøytron. Til flere protoner i kjernen til flere nøytroner trenger en. Isotoper over bandet avgir β-stråling (elektron)

5 De har formange nøytron i forhold til proton For å danne β-stråling må nøytron bli spaltet til proton og elektron Isotoper under bandet avgir positron (elektron) De har formange proton i forhold til nøytron For å danne positron elektron må proton bli spaltet til nøytron og positron Stabilitet til atomkjerner - Noen antall nøytroner og protoner er spesielt stabile o n eller p = 2, 8, 20, 50, 82 og Kjerner der antall av både proton og nøytron er partall er mer stabile enn de med oddetall. - Alle isotoper at grunnstoff der atomnummeret er høyere enn 83 er radioaktive - Alle isotoper av Tc og Pm er radioaktive Antall stabile isotoper der antall protoner og nøytroner er oddetall eller partall Proton Nøytron Antall stabile Isotoper Oddetall Oddetall 4 Oddetall Partall 50 Partall Oddetall 53 Partall Partall 157

6 5. Bruk av radioaktivitet (i) C-14 metoden Metoden blir brukt til datering av tre, bein osv. Metoden bygger på følgende: C-14 - en isotop av karbon som er radioaktiv (den avgir β-stråling) C-14 blir dannet ved at kosmisk stråling (strøm av partikler fra solen for det meste nøytron) reagerer med N-14: N + n C+ H Forholdet mellom C-14 og C-12 i atmosfæren er konstant Menneske får i seg karbon gjennom maten de spiser og mengde C-14 i mennesker er derfor konstant (så lenge de lever)

7 (ii) I medisin Radioaktive og stabile kjerner av samme grunnstoff har de samme kjemiske og ofte fysiske egenskapene. Eksempel: 131 I blir brukt i diagnose og behandling av sykdommer i skjoldbrusk kjertelen. Diagnose: Pasienten drikker en løsning av Na 131 I og en kan finne ut hvor mye jod det har blitt tatt opp i skjoldbrusk kjertelen *Underaktiv skjoldbruskkjertel: Har ikke evne til å ta opp nok jod Behandling: En kan behandle hyperaktiv skjoldbrusk kjertel En gir en stor dose med 131 I. Stråling som blir avgitt fra 131 I setter ned produksjonen av tyroksin. Eksempel: 201 Th blir å finne hvor stor skade hjertemuskulaturen har fått etter et hjerteinfarkt. Thallium vil samle seg i frisk hjertemuskulatur 6. Fusjon og fisjon (i) (ii) (i) Fusjon: Kombinasjon av to lette kjerner til en tyngre Fisjon: Spalting av en tung kjerne til to kjerner med lavere atomnummer Fisjon: Oppdaget i slutten av 30-årene 235 U kjerner ble bombardert med nøytroner og delte seg: N + n Ba + Ba + 3 n Denne prosessen gir 3,5*10-11 J pr. spalting, dvs. 2.1*10 13 J/mol PS! Forbrenning av metan gir 8,0*10 5 J/mol Ved fisjon av 235 U blir det produsert flere nøytron enn det som blir tilført kjedereaksjon

8 For at en skal få en kjedereaksjon må en ha en viss masse (kritisk masse) av 235 U (et par kilo). Non-critical Critical

9 Atombombe: To separate kammer med 235 U, begge har en masse som er under den kritiske masse. Når de blir koblet sammen vil en ha større masse enn det som er den kritiske masse kjedereaksjon eksplosjon Elektrisk energi: Kjernereaktorer: Bruker fisjonsenergi til å produsere strøm. En har staver med 3% 235 U. Kontrollstaver som absorberer nøytron og derfor regulerer kjernereaksjonen. Vann som absorberer varme. En har ikke nok 235 U til at der kan skje en eksplosjon, men dersom kontrollstavene svikter vil temperaturen bli så høg at reaktoren smelter eller at en får eksplosjon pga. høgt trykk. (ii) Fusjon Store energimengder kan også bli dannet når to lette atomkjerner smelter sammen H + 1H 1H e Det krever svært høg temperatur for at dette skal kunne skje (4,0*10 7 K).

10 Oppgave 1 Skriv balansert reaksjonsligning for fosfor-32 som spalter av en β-partikkel: Oppgave 2 Hvilke radioaktiv partikkel blir spaltet av i følgende reaksjoner? (i) (ii) Ga Pt 76 Ge Os Oppgave Ra spalter av α-stråling. Skriv balansert reaksjonsligning