1 Prvek, nuklid, izotop, izobar, izoton A = Nukleonové (hmotnostní) číslo A = počet protonů + počet neutronů A = Z + N Z = Protonové číslo, náboj jádra Prvek = soubor atomů se stejným Z Nuklid = soubor atomů se stejným A a Z Izotopy = soubor nuklidů daného prvku Izobary = nuklidy se stejným A a různým Z (14C-14N; 3H-3He) Izotony = nuklidy se stejným počtem neutronů, N = A – Z Izomery = stejné nuklidy, liší se obsahem energie Frederick Soddy (1877-1956) NP za chemii 1921 (objev izotopů) F19 9 2 Izotopy Izotopy jsou souborem nuklidů pro daný prvek existuje asi 2600 nuklidů (stabilních i radioaktivních) 340 nuklidů se vyskytuje v přírodě 270 stabilních a 70 radioaktivních, ostatní uměle připravené Monoizotopické prvky: 9Be, 19F, 23Na, 27Al, 31P, 59Co, 127I, 197Au Polyizotopické prvky: 1H, 2H (D), 3H (T) 10B, 11B Sn má největší počet stabilních izotopů – 10 112, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 122, 124Sn 3 Stabilita jader Stabilita vzhledem k radioaktivnímu rozpadu je určena počtem protonů a neutronů Zóna stability Lehké nuklidy stabilní pro Z ~ N (stejný počet p a n) Jen 1H a 3He mají více p než n. 2H, 4He, 6Li, 10B, 12C, 14N, 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar a 40Ca mají stejný počet p a n Všechny ostatní nuklidy mají více n než p N > Z Mattauchovo pravidlo: ze dvojice izobarů, které se liší o 1 v protonovém čísle, je jeden radioaktivní. 40Ar 40Ca Z = 2 40Ar 40K 40Ca Z = 1 40K je radioaktivní 4 Stabilita jader Početneutronů,N Počet protonů, Z Pb208 82 2600 nuklidů 270 stabilních 5 Stabilita jader U některých prvků existují v přírodě radioaktivní izotopy s dlouhým poločasem přeměny 40K, 0,012%, 1,3 1010 roků Prvky s Z  83 (po Bi) mají alespoň jeden stabilní izotop Výjimky: Z = 43 (Tc), 61 (Pm) se nevyskytují v přírodě Umělé radioaktivní izotopy připravené jadernými reakcemi Nuklidy s Z  84 (od Po dále) jsou nestabilní vzhledem k radioaktivnímu rozpadu = radioaktivní prvky 6 Magická čísla Počet Protonů, Z Počet Neutronů, N Počet stabilních nuklidů Sudá Sudá 168 Sudá Lichá 57 Lichá Sudá 50 Lichá Lichá 4 Nuklidy se sudým počtem p a n jsou nejčastější Astonovo pravidlo: prvky se sudým Z mají více izotopů, prvky s lichým Z nemají více než dva izotopy, z toho jeden nestabilní, prvky s lichým počtem nukleonů (A) mají jen jeden stálý izotop (9Be, 19F, 23Na, 27Al, 31P, 59Co, 127I, 197Au). Jen 2H, 6Li, 10B,14N, 40K, 50V, 138La, 176Lu mají lichý počet jak p tak n 7 Magická čísla Magická čísla 2, 8, 20, 28, 50, 82 a 126 Prvky s Z = magické číslo mají velký počet stabilních izotopů, pokud je izotop radioaktivní, pak má dlouhý poločas rozpadu Sn Z = 50, 10 stabilních izotopů Nuklidy 4He, 16O, 40Ca, 48Ca a 208Pb mají magický počet p i n 8 Hmotnost elektronu a nukleonů Symbol m / kg m / amu e 9,11 1031 0,0005486 p 1,673 1027 1,007276 n 1,675 1027 1,008665 1 amu = 1,6606 1027 kg 9 Hmotnostní úbytek Hmotnost jádra je vždy menší než součet hmotností nukleonů Mj < Z mp + (AZ) mn Hmotnostní úbytek m < 0 [m v jednotkách amu] Vazebná energie jádra Ev =  m c2 Ev =  931,5 m [MeV] 1 eV = 1,60210 10−19 J NP za fyziku 1921 10 Vazebná energie jádra, Ev Nuklid Ev, MeV 2H 2.226 4He 28.296 14N 104.659 16O 127.619 40Ca 342.052 58Fe 509.945 206Pb 1622.340 238U 1822.693 11 Střední vazebná energie jádra, Ev(st) Nuklid Ev(st), MeV Ev, MeV 2H 1.113 2.226 4He 7.074 28.296 14N 7.476 104.659 16O 7.976 127.619 19F 7.779 147.801 40Ca 8.551 342.052 55Mn 8.765 482.070 58Fe 8.792 509.945 62Ni 8.795 545.259 206Pb 7.875 1622.340 238U 7.658 1822.693 Ev(st) = Energie na odtržení 1 nukleonu A )( VE stEV  12 Střední vazebná energie jádra4He 12C 16O 13 Střední vazebná energie jádra Tato jádra mají sudé A a sudé Z 14 Výskyt prvků ve vesmíru 15 Vazebná energie jádra a chemické vazby Střední vazebná energie jádra 58Fe 8.792 MeV Energie vazby CH 411 kJ mol1 = 4.25 eV Jaderná vazebná energie je milionkrát větší než chemická vazebná energie. 16 Vazebná energie jádra a chemické Chemické reakce se odehrávají ve vnější elektronové slupce, atomové jádro zůstává neovlivněno. Energetické změny při chemických reakcích jednotky eV 1 eV (molekula)−1 = 96,485 kJ mol−1 Hmotnostní úbytek neměřitelný, platí zákon zachování hmotnosti. Jaderné reakce mění složení jader, elektronový obal nehraje žádnou roli. Energetické změny řádu MeV. Významné hmotnostní úbytky, platí zákon zachování energie a ekvivalence hmoty a energie. E = m  c2 17 Objev radioaktivity Antoine Henri Becquerel (1852-1908) Uran, Thorium NP za fyziku 1903 M. C. NP za chemii 1911 Radium, Polonium Marie Curie (1867-1934) Pierre Curie (1859-1906) Objev radioaktivity 1896 NP za fyziku 1903 Radium 18 Musée Curie 19 Radioaktivita Radioaktivita = schopnost některých jader přeměňovat se na jiné jádro, emitují se menší částice a uvolňuje se energie (exo) Radioaktivita = samovolný děj, produkty mají nižší obsah energie a jsou stabilnější Má-li jádro příliš málo nebo mnoho neutronů  20 Geigerův čítač Hans Geiger (1882-1945) částice Ionizace = proud 21 Měření radioaktivity Radioaktivita 1 Bq (becquerel) = 1 rozpad za 1 s (40K v lidském těle 4 kBq) 1 Ci (curie) = 3,7 1010 Bq = 37 GBq Radiační dávka 1 Gy (gray) = absorpce 1 J v 1 kg 1 Gy = 100 rad Ekvivalentní dávka 1 Sv (sievert) = 1 Gy  Q faktor 1 Sv = 100 rem 3 Sv = LD 50/30 2 mSv/rok = dávka od kosmického záření a přirozeného radiačního pozadí v ČR Fotony a elektrony všech energií Q = 1 Protony Q = 2 Neutrony Q je funkcí energie Alfa částice a jiná jádra Q = 20 22 Jaderné reakce Rutherford – odklon radioaktivního záření v elektrickém a magnetickém poli Alfa = pozitivně nabité částice Beta = negativně nabité částice Gama = neutrální částice Tvorba nového nuklidu Posuvové zákony – změny v Z a N Posun v periodické tabulce Radioaktivní látka 23 Emise alfa částice U těžkých jader Alfa částice opouští jádro rychlostí 10% c Velmi malá penetrace, několik cm ve vzduchu, zastaví je list papíru Velmi škodlivé pro buňky Inhalace HePoRn 4 2 218 84 222 86  24 Alfa emise Posun v periodické tabulce o dva prvky doleva A Z N1 A  4 Z  2 N2 25 Alfa emiseRadium-226 Kalifornium-252 Curium-240 Uran-232 Zlato-185 Thorium-230 Americium-241 detektory kouře Polonium-210 A Z N1 A  4 Z  2 N2 Posun v periodické tabulce o dva prvky doleva 26 Beta částice Jádra s nadbytkem neutronů, nedostatek protonů Beta částice jsou elektrony (ale ne z elektronového obalu!!!) Vznikají rozpadem neutronu e opouští jádro rychlostí 90% c Penetrace větší než alfa, několik m ve vzduchu, zastaví je 1 cm Al folie eNC 0 1 14 7 14 6  epn 0 1 1 1 1 0  27 Beta emise Posun v periodické tabulce o jeden prvek doprava A Z N1 A Z +1 N2 28 Beta emiseKrypton-87 Zinek-71 Křemík-32 Kobalt-60 Hořčík-27 Sodík-24 Železo-59 Fosfor-32 A Z N1 A Z +1 N2 Posun v periodické tabulce o jeden prvek doprava 29 Gama částice Jádra s nadbytkem energie emitují gama částice Elektromagnetické záření s velmi krátkou vlnovou délkou, Vysoká energie, MeV Rychlost světla Hluboká penetrace, 500 m ve vzduchu m99Tc  99Tc +  30 Tracer Gyorgy Hevesy 1913 NP 1943 m99Tc  99Tc +  31 Positronová emise Jádra s nadbytkem protonů, nedostatek neutronů Positron (antičástice) se rekombinuje během 1010 s Velmi malá penetrace Anihilace 1e + 1e   A Z  1 N2N1 A Z Posun v periodické tabulce o jeden prvek doleva eBC 0 1 11 5 11 6 enp 0 1 1 0 1 1  32 Positronová emise Rubidium-81 Germanium-66 Praseodym-140 Neon-18 Kyslík-15 Dusík-13 Měď-59 A Z N1 A Z  1 N2 Posun v periodické tabulce o jeden prvek doleva PET 18 8O (p, n) 18 9F 18 9F  0 1e + 18 8O 33 Elektronový záchyt Elektron z elektronového obalu atomu může být zachycen jádrem Zachycený e přemění p na n, e z vnější slupky klesne na volnou hladinu, emise rentgenového záření Jádra s Z > 83 nemohou dosáhnout stabilitu beta emisí, pozitronovou emisí nebo elektronovým záchytem A Z  1 N2N1 A Z AreK 40 18 0 1 40 19  Posun v periodické tabulce o jeden prvek doleva nep 1 0 0 1 1 1  34 Elektronový záchyt Posun v periodické tabulce o jeden prvek doleva nep 1 0 0 1 1 1  Rubidium-83 Vanad-48 Gallium-67 Beryllium-7 Vápník-41 Kobalt-57 Selen-72 A Z N1 A Z  1 N2 35 Beta emise Alfa emise Positronová emise, elektronový záchyt 36 Rozpadové řady Thoriová 232Th - 208Pb A = 4n Neptuniová (umělá) 241Pu - 209Bi A = 4n + 1 Uranová 238U - 206Pb A = 4n + 2 Aktinuranová 235U - 207Pb A = 4n + 3 37 Samovolné štěpení Těžké jádro se rozpadá na dva nebo tři fragmenty a jeden nebo více neutronů 252Cf - průmyslová výroba (ORNL: 0,25 g/rok) a využití • Alfa-emise 97 % • Samovolné štěpení 3 % (~3,7 neutronu) Poločas rozpadu 2,65 let Zdroj neutronů pro start reaktorů, aktivační analýzu, difrakci, detektory zlata, výbušnin, vody a ropy, terapii rakoviny, BNCT 38 Syntéza a štěpení jader Štěpení jader Syntéza jader 39 Syntéza a štěpení jader - vazebná energie jádra Syntéza Štěpení 40 Syntéza jader ve vesmíru Big Bang 1n  1H + e Slunce (teplota = 2 ×106 K v nitru, energie z PP nebo CN cyklu) PP cyklus 1H + 1H  2H + e+ +  + 0.42 MeV 1H + 2H  3He + + 5.49 MeV 3He + 3He  4He + 2 1H + 12.86 MeV 3He + 1H  4He + e+ e+ + e  + 1.02 MeV 41 PP cyklus CN cyklus 42 Uhlíkový cyklus 12 C 13 C 13 N 14 N 15 O 15 N 1 H 1 H 1 H 1 H e+ 4 He e+   CN cyklus 4 1H  4He 43 Syntéza jader ve vesmíru Slunce  rudý obr  bílý trpaslík 3He + 4He  7Be + + 1.59 MeV 4He + 4He  8Be 7Be + p  8B + + 13 MeV 8B  8Be + + e+ + 10.78 MeV 8Be + 4He  12C 12C + 4He  16O 44 Syntéza jader ve vesmíru Těžké hvězdy 12C  Ne, Mg 16O  Si, S Si  58Fe Fe jádra nejstabilnější Jak dál? Vysoké toky neutronů Fe + n  Au  Pb  Bi Výbuch supernovy Pb  Bi  U 45 Termojaderné reakce 2H + 2H  3He + n + 3.3 MeV 2H + 2H  3H + p + 4.0 MeV 3H + 2H  4He + n + 17.6 MeV ITER Cadarache, Francie National Ignition Facility, USA A další… 1952 H-bomba Eniwetok 46 Transmutace 1919, Rutherford, první umělá příprava prvku ekvivalentní zápis jaderné rovnice 14N(, p)17O OHNHe 17 8 1 1 14 7 4 2  47 Transmutace OHNHe 17 8 1 1 14 7 4 2  48 Wilsonova mlžná komora Plyn (vzduch, He, Ar,...) a páry vody nebo alkoholu v komoře se zářičem, píst pro změnu objemu Expanze, ochlazení, vznik přesycené páry, částice při průletu ionizují okolní atomy, kondenzace na ionizovaných atomech – kondenzační stopa Charles Wilson (1869-1959) NP za fyziku 1923 49 Cyklotron Ernest O. Lawrence (1901-1958) NP za fyziku 1939 1929 urychlovač pozitivních iontů (H+, D+, ...) průchod potenciálovým rozdílem, střídavé poz/neg nabíjení D elektrod, kruhový pohyb v magnetickém poli, energie do 100 MeV duté elektrody tvaru D 50 Large Hadron Collider Lineární urychlovače (protony a ionty) Proton Synchrotron Super Proton Synchrotron 27 km LHC tunel Protony 13 TeV Pb ionty 1 PeV (1015 eV) 51 Štěpení jader 1932 John D. Cockcroft (1897-1967) a Ernest T. S. Walton (1903-1995) Kaskádový urychlovač, protony 800 keV První štěpení stabilního jádra urychlenou částicí 1951 společně NP za fyziku HeHeLiH 4 2 4 2 7 3 1 1  52 Objev neutronu James Chadwick (1891-1974) NP za fyziku 1935 neutron = částice s nulovým nábojem, spin ½ m = 1,67470 1027 kg 1932 nCBeHe 1 0 12 6 9 4 4 2  53 BNCT = Boron Neutron Capture Therapy 10B + 1nth = 7Li + 4He +  + 2.4 MeV Dolet v tkáni asi 12 m – průměr buňky Akumulace v tumoru (20 g/g tumoru) 54 Transmutace Cyklotron Bombardování neutrony nPuUHe 1 0 239 94 238 92 4 2 3 ConCo 60 27 1 0 59 27  55 Umělá radioaktivita Frederic and Irene Joliot-Curie (1900-1958) (1897-1956) 1933 nPAlHe 1 0 30 15 27 13 4 2  eSiP 0 1 30 14 30 15  56 Štěpení jader Otto Hahn (1879-1968) NP za fyziku1944 235U, 0.71% Pomalé neutrony 190 MeV Štěpení 235U 57 Rozložení výtěžku štěpných produktů pro 235U. Atomová hmotnost 58 Řetězová reakce neřízená 59 Jaderný reaktor Enrico Fermi (1901-1954) NP za fyziku 1938 1942 Chicago Pile - 1 První řízená štěpná reakce 235U 49 60 Řízená štěpná reakce 235U Moderátor = zpomalení neutronů – grafit Cd dobře pohlcuje neutrony – zachycení n 61 Transurany Do 1940 nejtěžší přírodní prvek Z = 92 (U) Prvky Z  93 (Np) transurany pouze umělé 1940 První umělý transuran = 239 93Np bombardování neutrony 238U + n  239U  239Np + e 239 94Pu Adresa Glenna Seaborga Sg, Lr, Lv, Bk, Cf, Am Glenn T. Seaborg (1912-1999) Edwin M. McMillan (1907-1991) Sdílená NP za chemii 1951 Sg 62 Syntéza transuranů • Spojený ústav jaderných výzkumů, Dubna, Rusko • GSI (Gesellschaft fur Schwerionenforschung), Německo • Lawrence Berkeley and Livermore National Laboratories, CA, USA • RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Japonsko Bombardování kladnými ionty 4He, 12C, 15N, 18O, ... připraveny transurany po Z = 118 208 82Pb + 62 28Ni  269 110Ds + 1n t½ = 270 s 208 82Pb + 64 28Ni  271 110Ds + 1n 209 83Bi + 54 24Cr  262 108Bh + 1n 63 Syntéza transuranů Bombardování kladnými ionty 4He, 12C, 15N, 18O, ... 70Zn připraveny transurany po Z = 118 249 97Bk + 48 20Ca  293 117X + 3 1n 208 82Pb + 70 30Zn  278 112Cn  277 112Cn + 1n 48 20Ca + 248 96Cm  296 116Lv  293 116Lv + 3 1 0n Nihonium Nh, 113 Moscovium Mc, 115 Tennessine Ts, 117 Oganesson Og, 118 64 Kinetika radioaktivního rozpadu dN/dt = k N dN/N = k dt Integrace t = 0 N = N0 ln(N/N0) = k t N/N0 = exp(k t) N = N0 exp(k t) N t 65 Poločas rozpadu, t½ t = t½ N = N0/2 ln(N/N0) = k t ln(1/2) = k t½ t½ = ln(2) / k k = ln(2) / t½ ln(N/N0) = t ln(2) / t½ 66 Poločas rozpadu - Radiometrické datování Radiometrické datování stáří hornin v geologii a paleontologii 235U  207Pb t½ = 700 106 let 238U  206Pb t½ = 4,5 109 let 67 Datování pomocí 14C 14C vzniká kontinuálně vysoko v atmosféře (15 km) dopadem kosmického záření 14 7N + 1 on  14 6C + 1 1p Rozpadá se beta rozpadem s poločasem t½ = 5730 let 14 6C  14 7N + 0 1e V atmosféře (oxidace na CO2) a živých rostlinách (fotosyntéza) se ustaví rovnovážná koncentrace 14C – N0 (známe) Po smrti organismu koncentrace 14C klesá: N = N0 ekt Poměr 14C/ 12C ve vzorku se určí hmotnostní spektrometrií Stáří vzorku t lze určit z rovnice: ln(N/N0) = k t k = ln(2) / t½ ln(N/N0) = t ln(2) / t½ Willard Libby (1908 - 1980) NP za chemii 1960 68 1 Å = 1010 m 1015 m 3 Å 1018 m 69 Elementární částice Murray Gell-Mann (1929 -) NP za fyziku 1969 Zoologická zahrada částic Quarky - Spin - Zlomkový náboj 70 Elementární částice – Standardní Model Astrofyzika a částicová fyzika Elmagn. Silné inter. Slabé inter. Chemická hmota  a g nemají hmotnost Z a W mají hmotnost Higgs dodává hmotnost Z a W bosonům Přenašeče interakcí Higgs 71 Antičástice 72 Leptony lepton značka el. náboj m [amu] elektron e 1 5.5 104 elektronické neutrino e 0 mion  1 0.1144 mionické neutrino  0 tauon  1 1.915 tauonické neutrino  0 Chemická hmota 73 Leptony Existují volné, nevážou se Náboj číslo 0 nebo –1, kvantování el. náboje Levoruké a s opačnou helicitou (neexistují pravoruká neutrina) Antileptony mají opačný náboj Leptonové číslo L L = 1 pro leptony L = 1 pro antileptony L = 0 pro ostatní 74 Quarky Quark značka el. náboj down d  1/3 up u +2/3 strange s  1/3 charm c +2/3 bottom b  1/3 top t +2/3 Chemická hmota 75 Quarky Quarky nejsou známy volné, nemají hmotnost Existují jen ve vázaných stavech – Hadrony (Baryony a Mezony) Nábojové číslo +2/3 a 1/3 Levoruké a s opačnou helicitou Antiquarky opačný náboj Baryon = 3 quarky (např. proton se skládá z uud) Antibaryon = 3 antiquarky Mezon = 1 quark + 1 antiquark Baryonové číslo B = 1 pro baryony B = – 1 pro antibaryony B = 0 pro ostatní 76 Quarky Vazebné síly mezi quarky: • Zprostředkovány gluony • Slabé na malou vzdálenost, při oddalování rostou (Proto není možné quarky zachytit volné) 77 Hadrony Hadron značka el. náboj složení pozitivní pion + +1 ud pozitivní kaon K+ +1 us proton p +1 uud neutron n 0 udd lambda  0 uds Chemická hmota 78 Bosony Boson značka el. náboj interakce foton  0 elektromagnetická gluon g 0 silná W-boson W+ W +1 1 slabá Z-boson Z 0 slabá Zprostředkovatelé interakcí 79 Zákon zachování B a L čísla Součet B a L před reakcí a po reakci musí být stejný např. 1e + 1e  2  L 1  1 0 p+ + 1e  n B 1 1