16.2 – Nukleare reaktioner – kemi.androide.dk

Nukleare reaktioner

I en proces kaldet radioaktivt henfald, nedbrydes en kerne spontant, ved at udsende stråling. Denne proces vises, ved at opstille en nuklear reaktionsligning, med symbolerne for de oprindelige radioaktive kerner til venstre, en pil, og den nye kerne og typen af stråling der udsendes til højre:

$\textup{Radioaktiv kerne}\rightarrow \textup{ny kerne}+\textup{str\aa ling }(\alpha , \beta ,\beta ^{+},\gamma )$

I en nuklear reaktionsligning, skal summen af massetallene og summen af atomnumrene på den ene side af pilen, stemme overens med summen af massetallene og summen af atomnumrene på den anden side.

Alfahenfald

En ustabil kerne, kan udsende en alfapartikel, der består af 2 protoner og 2 neutroner. Ved at gøre dette, falder massetallet for den radioaktive kerne med 4, og dens atomnummer falder med 2. For eksempel når uran-238 udsender en alfapartikel, har den nye kerne der dannes et massetal på 234. Sammenlignet med urans 92 protoner, har den nye kerne 90 protoner, hvilket svarer til thorium.

Konceptforståelse 16.2

Alfahenfald

Når francium-122 henfalder, udsendes en alfapartikel.

a. Har den nye kerne et større eller mindre massetal? Hvor meget større eller mindre?
b. Har den nye kerne et højere eller lavere atomnummer? Hvor meget højere eller mindre?

Svar

a. Tabet af en alfapartikel, vil give den nye kerne et mindre massetal. Fordi en alfapartikel er en heliumkerne, $_{2}^{4}\textrm{He}$ , vil massetallet for den nye kerne falde med fire, fra 221 til 217.

b. Tabet af en alfapartikel, vil give den nye kerne et mindre atomnummer. Fordi en alfapartikel er en heliumkerne, $_{2}^{4}\textrm{He}$ , vil atomnummeret på den nye kerne falde med to, fra 87 til 85.

Vi vil kigge på at opstille en afbalanceret kernereaktionsligning for americium-241, der undergår alfahenfald, som vist i Opgaveeksempel 16.2.

Opgaveeksempel 16.2

Opstille en ligning for alfahenfald

En røgalarm udløses når røg kommer ind i dens ioniseringskammer.

Røgalarmer der bruges i hjemmet, indeholder americium-241, som undergår alfahenfald. Når alfapartikler kolliderer med luftmolekyler, dannes der ladede partikler, der genererer en elektrisk strøm. Hvis røgpartikler kommer ind i detektoren i røgalarmen, forstyrrer de dannelsen af de elektrisk ladede partikler, og den elektriske strøm afbrydes. Dette forårsager alarmen til at gå af, og advare beboerne om at der er opdaget en brand. Færdiggør følgende kernereaktionsligning for henfaldet af americium-241:

${Am}_{95}^{241} \to ? + {He}_{2}^{4}$

Løsning

Trin 1:
Opstil den ufuldstændige kernereaktionsligning:

${Am}_{95}^{241} \to ? + {He}_{2}^{4}$

Trin 2:
Afgør hvad det manglende massetal er. I ligningen, er massetallet for americium-241 lig med massetallet for den nye kerne og en alfapartikel:

241 = ? +4
241 – 4 = ?
241 – 4 = 237 (massetallet for den nye kerne)

Trin 3:
Afgør hvad atomnummeret for den nye kerne bliver. Atomnummeret for americium-241, 95, skal være det samme som summen af atomnummeret for den nye kerne og alfapartiklen:

95 = ? + 2
95 – 2 = ?
95 – 2 = 93 (atomnummeret for den nye kerne)

Trin 4:
Afgør symbolet for den nye kerne. I det periodiske system, er grundstoffet med atomnummer 93, neptunium, Np. Kernen for denne isotop af Np skrives som $_{93}^{237}\textrm{Np}$

Trin 5:
Færdiggør kernereaktionsligningen.

${Am}_{95}^{241} \to {Np}_{93}^{237} + {He}_{2}^{4}$

Betahenfald

Dannelsen af en betapartikel, er resultatet af nedbrydningen af en neutron til en proton og en elektron (en betapartikel). Fordi protonen forbliver i kernen, stiger antallet af protoner med en, men antallet af neutroner falder med en. I en kernereaktionsligning for betahenfald, er massetallet for den radioaktive kerne og massetallet for den nye kerne det samme. Atomnummeret for den nye kerne, er imidlertid steget med en, hvilket gør det til en kerne af et andet grundstof (transmutation). For eksempel, danner betahenfaldet af en carbon-14 kerne, en nitrogen-14 kerne.

Opgaveeksempel 16.3

Opstille en ligning for betahenfald

Opstil den afbalancerede kernereaktionsligning for betahenfald af cobalt-60

Løsning

Trin 1:
Opstil den ufuldstændige kernereaktionsligning.

${Co}_{27}^{60} \to ? + e_{- 1}^{0}$

Trin 2:
Afgør hvad det manglende massetal er. I ligningen, er massetallet for cobalt-60 lig med summen af massetallet for den nye kerne og betapartiklen.

60 = ? + 0
60 – 0 = ?
60 – 0 = 60 (massetallet for den nye kerne)

Trin 3:
Afgør hvad atomnummeret for den nye kerne bliver. Atomnummeret for cobalt, 27, skal være lig med summen af atomnumrene for den nye kerne og betapartiklen.

27 = ? – 1
27 + 1 = ?
27 + 1 = 28 (atomnummeret for den nye kerne)

Trin 4:
Afgør symbolet for den nye kerne.I det periodiske system, er grundstoffet som har atomnummer 28, nikkel (Ni). Kernen for denne isotop skrives som $_{28}^{60}\textrm{Ni}$

Trin 5:
Færdiggør kernereaktionsligningen.

${Co}_{27}^{60} \to {Ni}_{28}^{60} + e_{- 1}^{0}$

Positronstråling

Ved positronstråling, omdannes en proton i en ustabil kerne, til en neutron og en positron. Neutronen forbliver i kernen, men positronen udsendes fra kernen. I en kernereaktionsligning for positronstråling, er massetallet for den radioaktive kerne og massetallet for den nye kerne det samme. Atomnummeret for den nye kerne, falder imidlertid med en, hvilket gør det til en kerne af et andet grundstof (transmutation). For eksempel, danner positronstråling fra en aluminium-24 kerne, en magnesium-24 kerne. Atomnummeret for magnesium (12) og ladningen af positronen (1+), giver atomnummeret for aluminium (13).

Opgaveeksempel 16.4

Opstille en ligning for positronstråling

Opstil den afbalancerede kernereaktionsligning for mangan-49, der henfalder ved udsendelse af en positron.

Løsning

Trin 1:
Opstil den ufuldstændige kernereaktionsligning.

${Mn}_{25}^{49} \to ? + e_{+ 1}^{0}$

Trin 2:
Afgør hvad det manglende massetal er. I ligningen, er massetallet for mangan-49 lig med summen af massetallet for den nye kerne og positronen.

49 = ? + 0
49 -0 = ?
49 – 0 = 49 (massetallet for den nye kerne)

Trin 3:
Afgør hvad atomnummeret for den nye kerne bliver. Atomnummeret for mangan, 25, skal være lig med summen af atomnumrene for den nye kerne og betapartiklen.

25 = ? + 1
25 – 1 = ?
25 – 1 = 24 (atomnummeret for den nye kerne)

Trin 4:
Afgør symbolet for den nye kerne. I det periodiske system, er grundstoffet som har atomnummer 24, Chrom (Cr). Kernen for denne isotop skrives som $_{24}^{49}\textrm{Cr}$

Trin 5:
Færdiggør kernereaktionsligningen.

${Mn}_{25}^{49} \to {Cr}_{24}^{49} + e_{+ 1}^{0}$

Gammastråling

Rene gammastrålingskilder er sjældne, selvom gammastråling forekommer sammen med de fleste alfa- og betastrålingskilder. I radiologi, er en af de mest almindelige gammastrålingskilder, technetium (Tc). Den ustabile isotop af technetium, skrives som den metastabile (med symbolet m) isotop, technetium-99m, Tc-99m, eller $_{43}^{99m}\textrm{Tc}$ . Ved at udsende energi som gammastråler, bliver kernen mere stabil.

${Tc}_{43}^{99 m} \to {Tc}_{43}^{99} + γ_{0}^{0}$

Figur 16.2 opsummerer ændringerne i kernerne for alfa-, beta, positron-, og gammastråling.

**Figur 16.2** – Når kernerne af alfa-, beta, positron-, og gammastrålingskilder udsender stråling, dannes der nye, mere stabile kerner.

Fremstilling af radioaktive isotoper

I dag, fremstilles mange radioisotoper i små mængder, ved at konvertere stabile, ikke-radioaktive isotoper, til radioaktive isotoper. I en proces kaldet transmutation, bombarderes en stabil kerne med partikler som for eksempel alfapartikler, protoner, neutroner, og andre små kerner, med høje hastigheder. Når en af disse partikler bliver absorberet, omdannes den stabile kerne til en radioaktiv isotop, og typisk også en eller anden form for strålingspartikel.

Når ikke-radioaktivt B-10 bombarderes med en alfapartikel, bliver produktet radioaktivt N-13 og en neutron.

Alle grundstoffer der har et atomnummer større end 92, er blevet fremstillet ved denne metode. De fleste er kun blevet dannet i meget små mængder, og eksisterer kun i ganske kort tid, hvilket gør det besværligt at studere deres egenskaber. For eksempel da man bombarderede californium-249 med nitrogen-15, blev der dannet det radioaktive grundstof dubnium-260 og 4 neutroner:

$N_{7}^{15} + {Cf}_{98}^{249} \to {Db}_{105}^{260} + 4 n_{0}^{1}$

En generator anvendes til klargøring af technetium-99m.

Technetium-99m, er en radioisotop der havendes i nuklearmedicin til adskillige diagnostiske procedurer, inklusiv opdagelse af hjernesvulster og undersøgelse af lever og milt. Kilden til technetium-99m, er molybdæn-99, der dannes i en kernereaktor ved at bombardere molybdæn-98 med neutroner.

$n_{0}^{1} + {Mo}_{42}^{98} \to {Mo}_{42}^{99}$

Mange radiologilaboratorier har små generatorer der indeholder molybdæn-99, som henfalder til technitium-99m radioisotopen.

${Mo}_{42}^{99} \to {Tc}_{43}^{99 m} + e_{- 1}^{0}$

Technetium-99m radioisotopen henfalder ved udsendelse af gammastråler. Gammastråler er ønskelige ved diagnostisk arbejde, fordi gammastrålerne passerer gennem kroppen til måleudstyret.

${Tc}_{43}^{99 m} \to {Tc}_{43}^{99} + γ_{0}^{0}$

Konceptforståelse 16.3

Opstil en ligning for isotopen dannet ved bombardement

Svovl-32 bombarderes med en neutron, til dannelse af en radioaktiv isotop og en alfapartikel. Hvad er symbolet på den nye isotop?

$n_{0}^{1} + S_{16}^{32} \to ? + {He}_{2}^{4}$

Svar

For at finde den nye isotop, er det nødvendigt at beregne dens massetal og dens atomnummer. På venstre side af ligningen, er summen af massetallene en neutron, 1, og svovlisotopen, 32, hvilket giver 33. På den højre side, skal summen af massetallene på den nye isotop og alfapartiklen, 4, være lig med 33. Derfor må den nye isotop have massetallet 29.

$n_{0}^{1} + S_{16}^{32} \to ?_{?}^{29} + {He}_{2}^{4}$

På den venstre side af ligningen, er summen af atomnumrene for en neutron, 0, og svovl, 16, lig med 16. På den højre side, skal summen af atomnummeret på den nye isotop og alfapartiklen, 2, være lig med 16. Derfor må den nye isotop have atomnummer 14. I det periodiske system, er grundstoffet med atomnummer 14, silicium. Derfor er symbolet for den nye isotop $_{14}^{29}\textrm{Si}$ .

$n_{0}^{1} + S_{16}^{32} \to {Si}_{14}^{29} + {He}_{2}^{4}$

Opgaveeksempel 16.5

Opstil ligning for isotopdannelse

Opstil den afbalancerede kernereaktionsligning for bombardementet af nikkel-58 med en proton, $_{1}^{1}\textrm{H}$ , som danner en radioaktiv isotop og en alfapartikel.

Trin 1:
Opstil den ufuldstændige kernereaktionsligning.

$H_{1}^{1} + {Ni}_{28}^{58} \to ? + {He}_{2}^{4}$

Trin 2:
Afgør hvad det manglende massetal er. I ligningen, er massetallet for protonen og for nikkel, 58, lig med summen af massetallet for den nye kerne og alfapartiklen, 4.

1 + 58 = ? + 4
59 – 4 = ?
59 – 4 = 55 (massetallet for den nye kerne)

Trin 3:
Afgør hvad atomnummeret for den nye kerne bliver. Summen af atomnummeret for protonen, 1, og nikkel, 28, skal være lig med summen af atomnumrene for den nye kerne og alfapartiklen, 2.

1 + 28 = ? + 2
29 – 2 = ?
29 – 2 = 27 (atomnummeret for den nye kerne)

Trin 4:
Afgør symbolet for den nye kerne. I det periodiske system, er grundstoffet som har atomnummer 27, cobalt (Co). Kernen for denne isotop skrives som $_{27}^{55}\textrm{Co}$

Trin 5:
Færdiggør kernereaktionsligningen.

$H_{1}^{1} + {Ni}_{28}^{58} \to {Co}_{27}^{55} + {He}_{2}^{4}$

16.3 – Strålingsmåling →