Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół Ekonomiczno-Usługowych im. Fryderyka Chopina w Żychlinie • Zespół Szkół nr 2 im. M. Kopernika w Stargardzie Szczecińskim • ID grupy: • 97/28_MF_G1, Opiekun: mgr Agnieszka Gantzke-Parus • 97/34_MF_G1, Opiekun: mgr Agnieszka Lewandowska • Kompetencja: matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: • Pierwiastki promieniotwórcze • Semestr/rok szkolny: V 2011/2012

3. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Zespół Szkół nr 2 im. M. Kopernika w Stargardzie Szczecińskim • ID grupy: 97/34_MF_G1 • Opiekun: mgr Agnieszka Lewandowska • Kompetencja: matematyczno-fizyczna • Temat projektowy: • Pierwiastki promieniotwórcze • Semestr/rok szkolny: V 2011/2012

4. Spis Treści: • Budowa atomu i jądra atomowego • Kwantowy opis budowy atomu • Postulaty Bohra • Efekt tunelowy i zasada nieoznaczoności • Trwałość jąder • Rozpady promieniotwórcze • Zagrożenie promieniowaniem jonizującym

5. promieniotwórczość • To zjawisko polegające na samorzutnym rozpadzie jąder w połączeniu z emisją cząstek alfa, cząstek beta, promieniowania gamma.

6. 1. Budowa atomu i jądra atomowego • 1.1 Atom – podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym.

7. 1.2 Atomy mają rozmiary rzędu 10−10 m • i masę rzędu 10−26 kg. Rysunek obok przedstawia wymiary atomu wodoru.

8. 1.3 Atomy można obserwować jedynie przy użyciu specjalnych urządzeń, takich jak skaningowy mikroskop tunelowy.

9. 2. Postulaty Bohra • Bohr, budując swój model atomu, przyjął dwa postulaty, bez których model ten nie byłby zgodny z doświadczeniem.

10. 1. Orbitalny moment pędu elektronu jest skwantowany i może on przybierać dyskretne wartości, tzn. z nieskończoności ilości orbit, które umożliwia mechanika klasyczna, elektron może przyjąć tylko dokładnie te, dla których jego moment pędu jest równy tej wielokrotności.

11. 2. Podczas zmiany orbity, której towarzyszy zmiana energii elektronu, atom emituje foton. Energia fotonu równa jest różnicy między energiami elektronu na tych orbitach

12. 3. Liczby kwantowe i ich znaczenie

13. 4. Efekt tunelowy i zasada nieoznaczoności • 4.1 Zjawisko tunelowe zwane też efektem tunelowym – zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia cząstki, opisane przez mechanikę kwantową. Przejście tunelowe cząstki alpha

14. 4.2 Zasada nieoznaczoności (zasada nieoznaczoności Heisenberga lub zasada nieokreśloności) − reguła, która mówi, że istnieją takie pary wielkości, których nie da się jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością. O wielkościach takich mówi się, że nie komutują. Akt pomiaru jednej wielkości wpływa na układ tak, że część informacji o drugiej wielkości jest tracona. Zasada nieoznaczoności nie wynika z niedoskonałości metod ani instrumentów pomiaru, lecz z samej natury rzeczywistości.

15. 5. Trwałość jąder • W jądrze atomowym siły jądrowe działają wyłącznie pomiędzy nukleonami, które są najbliższymi sąsiadami co jest wynikiem krótkiego zasięgu ich działania. Siły działające w jądrze atomowym.

16. Zwróćmy zatem uwagę, że w miarę wzrostu liczby atomowej (czyli w miarę wzrostu liczby protonów w jądrze) wyraźnie rosną siły odpychania elektrostatycznego, podczas gdy siły wiązania za pomocą sił jądrowych nie ulegają zasadniczej zmianie. Wynika z tego, że powinna istnieć krytyczna liczba protonów w jądrze powyżej której jądra powinny być nietrwałe. Rzeczywiście tak jest. Dla Z > 83 (bizmut) wszystkie jadra atomowe są nietrwałe.

17. Jednak to nie tylko liczba atomowa decyduje o trwałości jąder atomowych. Na rysunku obok przedstawiono zależność liczby neutronów N od liczby protonów Z dla wszystkich 272 trwałych nuklidów występujących w przyrodzie.

18. Jak można zauważyć dla wszystkich trwałych nuklidów spełniony jest warunek: N ≥ Z. • 272 punkty na powyższym wykresie tworzą tzw. ścieżkę trwałości. Dane przedstawione na powyższym wykresie można też zaprezentować inaczej, umieszczając na osi rzędnych zamiast liczby neutronów N, stosunek N/Z:

19. 6. Rozpady promieniotwórcze • Zjawiska spontanicznej przemiany jądra atomowego danego izotopu w inne jądro. Podstawową własnością rozpadu promieniotwórczego jest brak wpływu fizykochemicznych czynników zewnętrznych na proces.

20. Okres połowicznego zaniku (rozpadu)

21. Ze względu na rodzaj przemiany zachodzącej w jądrze i towarzyszące mu zjawiska wyróżnia się: • rozpad alfa, • rozpady beta (beta plus lub beta minus), • wychwyt elektronu, • rozszczepienie jądra atomowego • i inne, np. rozpad protonowy, hipotetyczny rozpad podwójny beta itp.

22. 6.1 Rozpad alfa

23. 6.2 Rozpad beta

24. 6.3 Rozpad gamma

25. 7. Zagrożenie promieniowaniem jonizującym • Człowiek oraz wszystkie żyjące na Ziemi organizmy są stale narażone na wpływ promieniowania jonizującego. Na skutek oddziaływania promieniowania na tkankę żywą, zachodzą w niej pewne zmiany. Zależą one od rodzaju promieniowania, jego natężenia i energii, a także rodzajów tkanki, położenia źródła promieniowania i czasu ekspozycji. Promieniowanie jonizujące oddziałując z tkanką żywą powoduje jonizację atomów i zmianę przebiegu biologicznych procesów w komórce.

26. Przykłady naturalnego źródła promieniowania

27. Maria Skłodowska-Curie - matka promieniotwórczości Prekursorka nowej gałęzi chemii- radiochemii. Za pionierskie prace nad promieniotwórczością oraz za wyodrębnienie dwu nowych naturalnych pierwiastków promieniotwórczych (polon i rad) Maria Skłodowska- Curie została dwukrotnie uhonorowana Nagrodą Nobla: po raz pierwszy w roku 1903 w dziedzinie fizyki oraz powtórnie w 1911r. w dziedzinie chemii. Wywarła ona niezwykle ogromny wpływ na rozwój nauki w Europie.

28. pierwiastek chemiczny z grupy metali ziem alkalicznych w układzie okresowym nazwa pochodzi od łacińskiego słowa radius oznaczającego promień Rad został odkryty przez Marię Skłodowską-Curie i jej męża Piotra Curie. Jako datę tego odkrycia, zgodnie z zeszytem laboratoryjnym Marii, przyjmuje się rok 1898 Rad występuje naturalnie w rudach uranu, w formie tlenku RaO i wodorotlenku Ra(OH)2. W skorupie ziemskiej występuje w ilości ok. 6x10-7 ppm. Rad Próbka izotopu Ra-226

29. Charakterystyka • w formie czystej rad jest srebrzystym, lśniącym i miękkim metalem • posiada silne własności promieniotwórcze • jego własności chemiczne są zbliżone do baru • reaguje stosunkowo powoli z tlenem atmosferycznym tworząc tlenek RaO i dość gwałtownie z wodą tworząc wodorotlenek Ra(OH)2. • kationy Ra2+ należą do IV grupy analitycznej • sole radu barwią płomień na kolor karmazynowy Właściwości atomowe: • Masa atomowa: 226 u • Promień atomowy: 215 pm • Konfiguracja elektronowa: [Rn]7s2 • Zapełnienie powłok: 2, 8, 18, 32, 18, 8, 2 • Elektroujemność: 0,89 (Pauling) 0,97 (Allred) • Stopień utlenienia: 2 • Właściwości kwasowe tlenków: silnie zasadowe Właściwości fizyczne: • Stan skupienia stały • Gęstość 5000 kg/m3 • Temperatura topnienia 973 K, 699,85 °C • Temperatura wrzenia 2010 K, 1736,85 °C • Objętość molowa 41,09×10-6 m³/mol • Ciepło parowania 136,8 kJ/mol • Ciepło topnienia 37 kJ/mol • Ciśnienie pary nasyconej 327 Pa (527 K)

30. Zastosowanie Najważniejsze związki radu to sole Ra2+ (chlorek i węglan) które były używane w terapii nowotworowej i do produkcji farb luminescencyjnych. Obecnie rad nie jest już stosowany, ze względu na dużą radioaktywność, powodującą białaczkę u osób uczestniczących w produkcji soli radu.

31. Znaczenie biologiczne • Rad pośrednio zwiększa szybkość mutagenezy organizmów, szczególnie żyjących w jaskiniach. Średnia zawartość radu w kościach i tkankach ludzkich wynosi ok. 2x10-9 ppm. Działanie mutacyjne radu w środowisku jaskiniowym spotęgowane jest przez radon, który powstaje z radu i przenika do izolowanej atmosfery jaskini. Obecność radu w dzisiejszym środowisku naturalnym człowieka jest związana m.in. z kopalinami wchodzącymi w skład betonu. Rad dostający się do organizmu drogą oddechową jest 10 razy bardziej kancerogenny niż spożyty

32. Izotopy radu Rad posiada 33 izotopy. Wszystkie jego izotopy są niestabilne. Najtrwalszy z nich jest izotop 226, który ma czas połowicznego rozpadu 1599 lat. Izotopy radu występujące w szeregu promieniotwórczym aktynu i toru noszą nazwy zwyczajowe

33. Polon Polon — pierwiastek chemiczny z grupy metali bloku p w układzie okresowym. Nazwa pochodzi od łacińskiej nazwy Polski. Polon bywa klasyfikowany jako półmetal, co jest krytykowane jako błędne, gdyż polon wykazuje typowe właściwości metalu.

34. Historia odkrycia Pierwiastek ten został odkryty w 1898 r. przez Marię Skłodowską-Curie i Piotra Curie – w tym samym roku co rad. Curie nadała mu nazwę na cześć Polski, która była wówczas pod zaborami, licząc na to, iż odkrycie nagłośni ten fakt na arenie międzynarodowej. Został on w ten sposób prawdopodobnie pierwszym pierwiastkiem, którego nazwa nosi w sobie wątek polityczny.

35. Właściwości radioaktywne Polon jest silnie radioaktywnym, srebrzystoszarym metalem. Jego własności fizyczne i chemiczne zbliżone są do selenu. Polon jest silnym emiterem promieniowania alfa – miligram polonu-210 emituje tyle samo cząstek alfa, co 4,5 grama radu-226. Próbka polonu emanuje niebieską poświatą – jest to efekt wzbudzenia otaczającego ją powietrza. Jeden gram polonu wydziela 140 watów mocy, ogrzewając się przy tym do ponad 500 °C. Z tego względu był on niegdyś używany jako lekkie źródło ciepła w satelitach i pojazdach kosmicznych, np. w radzieckich Łunochodach do ogrzewania podzespołów podczas zimnych nocy księżycowych. Obecnie jest jeszcze czasami stosowany jako wygodne, wysokowydajne źródło cząstek alfa.

36. Występowanie Polon występuje w skorupie ziemskiej w śladowych ilościach w rudach uranu oraz jako tlenek. Jego stężenie w tych rudach jest jednak tak małe, że przemysłowo opłaca się go otrzymywać na drodze wcześniej wspomnianego bombardowania bizmutu neutronami: - 209/83Bi + 1/0n → 210/83Bi → 210/84Po + e- + νe Jego światowa produkcja wynosi ok. 100 gramów rocznie. Ilość polonu w skorupie ziemskiej jest na tyle mała, że nie podaje się żadnych, nawet szacunkowych danych na ten temat.

37. Oddziaływanie na organizmy żywe Polon wprowadzony do organizmu jest silnie toksyczny. LD50 dla polonu wynosi ok. 1 mikrograma, co czyni go ok. 250 000 razy bardziej trującym niż cyjanowodór. Emitowane cząstki alfa z łatwością niszczą strukturę tkanek ludzkiego organizmu, jeśli tylko dostanie się on tam poprzez inhalację, połknięcie lub absorpcję. Polon nie przenika przez skórę, toteż znajdując się na zewnątrz ciała nie stanowi tak wielkiego zagrożenia. Izotopy polonu 214Po i 218Po, jako produkty rozpadu radonu w śladowych ilościach znajdują się w powietrzu wewnątrz pomieszczeń. Dodatkowe zagrożenie stwarza palenie tytoniu, do którego liści przenika polon obecny w nawozach fosforowych.

38. Pluton(Pu, łac. plutonium) – aktynowiec z II grupy układu okresowego. Pierwiastek transuranowy. Jest metalem dość aktywnym. Pluton i jego związki są bardzo trujące. Pluton towarzyszy rudom uranu. Bomba jądrowa zrzucona na Nagasaki miała ładunek z plutonu. Nazwę nadano mu na cześć psa Pluto oraz platformy telewizji cyfrowej n. Należy do grupy metali niestabilnych emocjonalnie, ponieważ cierpi na chroniczne rozszczepienia jaźni oraz lubi się rozpadać. Dwutlenek plutonu 238 rozgrzany do czerwoności pod wpływem własnego promieniowania

39. Występowanie Otrzymywany jest sztucznie, aczkolwiek stwierdzono występowanie jego śladowych ilości w rudach uranu. Występuje tam w postaci izotopu 239Pu, powstającego jako produkt naturalnych reakcji jądrowych, oraz cięższego 244Pu. Ten izotop ma okres połowicznego rozpadu ponad 80 milionów lat i jest najcięższym z pierwotnych nuklidów występujących na Ziemi. Po wybuchu elektrowni atomowej w Czarnobylu można go zbierać łopatami z terenów wschodniej i środkowej Europy oraz części Azji. Pośrednio otrzymywany jest przez destylację uranu i filtrowanie destylatu przez chlebek. Obecnie największą koncentrację tego pierwiastka można zaobserwować na terenach USA, Rosji oraz Chin.

40. Własności chemiczne Chętnie wchodzi w związki z rakietami balistycznymi o zasięgu krótkim, średnim i międzykontynentalnym. Łatwo wiąże się z reaktorami jądrowymi statków, elektrowni oraz łodzi podwodnych. Pluton jest stosunkowo reaktywny chemicznie. Wystawiony na działanie powietrza pokrywa się powoli warstwą żółtych tlenków. Występuje w sześciu odmianach krystalicznych i tworzy związki, w których występuje na czterech stopniach utlenienia. Jest bardzo radioaktywny, na tyle że proces rozpadu promieniotwórczego z emisją cząsteczek alfa powoduje wydzielenie dużych ilości ciepła: 0,567 W/g (w przypadku 238Pu). Izotop ten jest często wykorzystywany w radioizotopowych generatorach termoelektrycznych do zasilania energią elektryczną urządzeń kosmicznych.

41. Właściwości fizyczne Silnie radioaktywny, po włączeniu odbiorników radiowych pluton znajdujący się w pobliżu zaczyna świecić i lewitować w powietrzu. W skrajnych przypadkach przy dodatkowej obecności uranu, niklu oraz wilgoci może ewoluować w kilkukilometrowy grzyb pleśniowy. Znanych jest 15 izotopów plutonu o masach atomowych od 232 do 246. Ze względu na silną radioaktywność jest on zabójczy dla człowieka nawet w minimalnych ilościach (kumuluje się w tkance kostnej). Ze względu na mniejszą masę krytyczną niż w przypadku uranu bomby plutonowe mogą mieć mniejsze rozmiary. Kilogram plutonu-239 może wyzwolić taką energię jak wybuch 20 000 ton trotylu. Ogrzewany w temperaturze 320–480 °C zmniejsza swoją objętość, wykazując anomalną rozszerzalność cieplną. Roztwory związków plutonu, w których pluton występuje w różnych stopniach utlenienia.

42. Własności kulinarne

43. Związki Toksyczne związki z plutonem zwykle kończą się długotrwałą depresją, otępieniem umysłu, a czasami doprowadzają do przeterminowania człowieka. Pierwiastek ten wykazuje biseksualność; łączy się zarówno z kobietami jak i mężczyznami. Udokumentowane są również przypadki pedofilii zoofilii, roślinofilii, glebofilii oraz gazofilii, których dopuszcza się jurny pluton. Pierścień z plutonu o czystości 99,96 %. Waży około 5,3 kg, ma średnicę 11 cm i wystarczy do skonstruowania jednej bomby atomowej. Taki kształt został wybrany ze względów bezpieczeństwa (mniejsza koncentracja materiału).

44. Historia odkrycia Od początku 1939 roku branża produkująca alkohol w USA przeżywała kryzys, spowodowany eksportem żyta i ziemniaków do pogrążonej wojną europy. Zastój dodatkowo pogłębiały przygotowania Stanów Zjednoczonych do wojny. Z pomocą przyszli naukowcy, którzy w 1940 roku rozpoczęli badania nad substancjami mogącymi zastąpić brakujące suplementy. Badania doprowadziły do odkrycia wielu nowych pierwiastków, które mimo że nie nadawały się do produkcji wódki, znalazły zastosowanie w innych dziedzinach. Odkryto tak między innymi pluton.

45. Początkowo ze względu na zielony kolor i prosty sposób otrzymywania starano się zastąpić nim pleśń przy produkcji serów pleśniowych. Niestety nieszczęśliwy wypadek w mleczarni sprawił, że grzyb pokrył obszar o średnicy 5 km. Smród był tak silny, że poczuła go niewidoma dziewczyna w odległości 200 km od miejsca katastrofy. Wojsko mimo protestów mleczarzy postanowiło wykorzystać wybuchowy serek i napełniło nim bombę, która w późniejszym czasie spadła na Nagasaki. Tłumaczono to potem nieudanym transportem materiałów przeznaczonych do utylizacji.

46. Zastosowanie • Dzięki dużemu ciężarowi właściwemu, właściwościom, kolorowi oraz zielonkawej poświcie pierwiastek ten znalazł wiele zastosowań we współczesnym świecie: • Medycyna – mimo wielu produktów na bazie plutonu najpopularniejszy okazuje się plutonowy szampon na wypadanie włosów. Sprzedawany pod chwytliwą nazwą Head&Shoulders ponieważ oprócz pozbycia się włosów gwarantuje modną spaleniznę na głowie i ramionach. • Bioenergoterapia – silne pozytywne promieniowanie, które emituje dobrze wpływa na samopoczucie. Ludzie z okolic Czarnobyla-zdrój w którym łatwo zdobyć ten pierwiastek w postaci litej, chętnie sprzedają go turystom z Niemiec w postaci medalionów i amuletów.

47. Środki ochrony roślin – działa jedynie pośrednio na szkodniki myszowate podgryzające rośliny. Sprzedawany w postaci maści lub płynu do ręcznej aplikacji. Podawanie polega na smarowaniu szczura lub wstrzykiwaniu pierwiastka bezpośrednio w dupę gryzonia. • Przemysł zbrojeniowy – oprócz bomb wypełnionych trującym serkiem rozsiewającym grzyb, pluton wykorzystywany jest również do produkcji rdzeni pocisków artyleryjskich. Pociski te stosowane były głównie przez Rosjan w czasie wojny w Czeczenii. Powodem zastosowania nowoczesnych kul były bawole skóry, patyki oraz sznurek które skutecznie broniły bojowników przed konwencjonalnym ostrzałem.

48. Radon jako promieniotwórczy produkt rozpadu uranu od wielu lat jest obiektem dość dużego zainteresowania naukowców. Radon to efekt przemiany alfa radu. Występuje we wszystkich trzech istniejących w przyrodzie szeregach promieniotwórczych. Najpopularniejszy jest izotop 222Rn, z szeregu uranowo-radowego, którego czas połowicznego rozpadu wynosi prawie cztery dni. Radon

49. Szeregi promieniotwórcze Ciężkie nuklidy mogą być powiązane ze sobą genetycznie w tzw. szeregi lub rodziny promieniotwórcze.

50. Szereg promieniotwórczy uranowo-radowy