Přednáška 1 KMM/MCH1

1. Jádro, vazebná energie jádra, radioaktivita přirozená a umělá. Využití. Obal, elektrony - elektronový obal, vývoj názorů. Kvantověmechanistický popis, kvantová čísla, pravidla výstavby. Vyústění v periodický systém prvků. Chemická vazba jako základní fenomén, její typy Přednáška 1KMM/MCH1

2. ATOMISTIKA IONT(Y) • Kladně nabitý KATION (vznik odevzdáním elektronů) • Záporně nabitý ANION (vznik přijetím elektronů) • Příklady : Al3+ , H+ (= proton), H- Atom helia: 2 protony + 2 neutrony (obojí v jádře); 2 elektrony v obalu: 42He Nukleonové číslo (p+n) Protonové číslo (p=e) Kation helia: 2 protony + 2 neutrony (=jádro) : 42He

3. ATOMISTIKA IONT(Y) • Kladně nabitý KATION (vznik odevzdáním elektronů) • Záporně nabitý ANION (vznik přijetím elektronů) • Příklady : Al3+ , H+ (= proton), H- Atom helia: 2 protony + 2 neutrony (obojí v jádře); 2 elektrony v obalu: 42He Nukleonové číslo (p+n) Protonové číslo (p=e) Kation helia: 2 protony + 2 neutrony (=jádro) : 42He

4. VAZEBNÁ ENERGIE JÁDRAu = atomová jednotka (1/12 hmotnosti isotopu uhlíku 12C)Vazebná energie jádra = Dmc2Pro částici alfa ( 42 He ) je Dm= 0.0304 u (4.03188 - 4.00153)To znamená vazebnou energii 28.3 MeV. K zažehnutísamovolné reakce je třeba teplota 14 milionů K!! 2 protony + 2 neutrony 42He (částice a) Rozdíl v hmotnostech!!

5. SLUNCE • Teplota v nitru je dostatečně vysoká (20 milionů K) • Je tam vodík (při této teplotě protony H+) • Probíhá samovolná termonukleární syntéza • Slunce tedy uvolní 4.1026 J energie každou sekundu což odpovídá výkonu 4.1026 W. HVĚZDY • Termonukleární syntéza při hmotnosti hvězdy od 0.08 hmot. Slunce výše • Čím hvězda hmotnější, tím výkon syntézy roste

6. Využití:Termonukleárnísyntéza • Podmínky : vysoká teplota ( min. 107K, elementární částice a následně lehké prvky) – aby probíhala samovolně a)pro chladnější hvězdy – PP řetězová a dále reakce • 11H + 11H  21H + pozitron 42He + 42He  84Be • 21H + 11H  32 He + záření gama 84Be + 42He  126 C • 32 He + 32 He  42He + 2 11H b)pro teplejší hvězdy, tzv. Bethemův uhlíko-vodíkový cyklus (1939 126 C + 11 H 1 37 N + γ 137 N 136 C + e + γ 136 C + 11 H 147 N + γ147 N + 11 H 158 O + γ158 O 157 N + e+ + g 157 N + 11 H 126C + 42 He Dnes interpretováno jako CNO cyklus

7. Ve hvězdách probíhá konverze vodíku na helium (a tím i uvolňování energie) dvěma mechanismy: • Proton-proton řetězová reakce (PP- chain), důležitá u hvězd hmotnosti Slunce či lehčích, • Cyklus CNO (uhlík – dusík – kyslík), důležitý v těžších hvězdách.

8. PP řetězová reakce neutrino pozitron Rychlost PP řetězové reakce První reakce je nejpomalejší a tím i určuje rychlost celé řetězové reakce. Nicméně i tato neuvěřitelně pomalá reakce (bilion let) odpovídá za záření hvězd, neboť v jádře hvězdy je neuvěřitelně velké množství atomů vodíku, které v daném okamžiku vstupují do řetězové reakce.

9. Cyklus CNO

10. RADIOAKTIVITA • Přirozená (předěl 92U) • Umělá Důvod???? Nestabilita jader Moc neutronů Moc protonů

11. Radioaktivita • Radioaktivita je proces, při kterém se mění jádra nestabilních prvků. V přírodě existuje přibližně padesát radioaktivních nuklidů (= radionuklidů). O stálosti nuklidu rozhoduje zejména poměr počtu neutronů N ku počtu protonů Z. • Při těchto přeměnách se uvolňuje neviditelné ionizující záření. Existují tři základní druhy tohoto záření: alfa - α, beta - β a gama - γ záření. Existenci přeměn nestabilních prvků objevil jako první v roce 1896 francouzský vědec Antoine Henri Becquerel v solích uranu.  Radioaktivním zářením se jako první zabývala Polka Marie Curie-Skłodovská. • Rozpadové řady : • Uran-radiová • Thoriová • Aktiniová • Neptuniová

12. Radioaktivní rozpad jader • ROZPAD ALFA ( těžká jádra) - uvolňují se stabilní částice alfa (42 He) • ROZPAD BETA (-) (kde mají jádra nuklidů nadbytek neutronů – 31H, 20580Hg, ..) • Uvolňuje se neutron, ten se rozpadá na proton a elektron. Elektron opustí jádro. • ROZPAD BETA (+) (kde mají jádra nuklidů nadbytek protonů – u uměle připravených jader) • Proton se uvolňuje a rozpadá na neutron a pozitron (antielektron). Ten opouští jádro a anihiluje s elektronem za vzniku záření – fotonů. • ROZPAD GAMA (gama záření – fotony)

13. Záření αZáření alfa je tvořeno částicemi. Jsou to kladně nabitá jádra helia složení ze dvou protonů a dvou neutronů, která se uvolní z jádra tzv. alfa-zářiče (např. 238 U). Uvolněná částice se pohybuje směrem od jádra a naráží na další molekuly. Toto záření je nejslabší, má velmi malý dosah a zachytí ho i papír nebo tenká hliníková folie. Rozpad (přeměna) αJe typický pro přeměny jader těžkých prvků. Z jádra se vymrští částice obsahující dva protony a dva neutrony, takže vzniká prvek, který se v periodické tabulce prvků nachází o dvě místa vlevo před původním prvkem.- rovnice: A ZX → A-4 Z-2 X + 4 2 H

14. Záření β+Toto záření je tvořeno proudem pozitronů 0+1 e.Přeměna (rozpad) β+Pokud má jádro některého prvku relativní přebytek protonů, může se některý z nich změnit na neutron a pozitron.rovnice: 11 p → 10 n + 01 e Pozitron poté opustí jádro a zaniká po střetu s elektronem za vzniku dvou fotonů gama záření. Při tomto typu přeměny vzniká nuklid umístěný a jedno místo vlevo vůči výchozímu prvku. - rovnice: A Z X → AZ-1 Y + 01 e

15. Záření β-Záření tvořené proudem elektronů.Přeměna (rozpad) β-Je typická pro nuklidy výjimečné tím, že mají vyšší počet neutronů. V tomto případě se některý z neutronů může změnit na elektron a proton, který zůstává v jádře, elektron přitom jádro opouští. - rovnice: 10 n → 11 p + 0-1 eZ toho vyplývá, že vzniklé jádro má o proton více, než původní prvek, je proto umístěno o jedno místo vpravo v periodické soustavě prvků. - rovnice: AZ X → AZ+1 Y + 0-1 e

16. Záření γZáření gama je elektromagnetické záření (= proud velmi energetických fotonů), které se vyznačuje velmi krátkou vlnovou délkou (vysoká frekvence) a vysokou energií. Svými vlastnostmi se podobá rentgenovému záření a často se využívá k podobným účelům. Gama záření často vzniká spolu s alfa či beta zářením při radioaktivním rozpadu jader. Když jádro vyzáří částici α nebo β, nové jádro může být v excitovaném stavu. Do nižšího energetického stavu může přejít vyzářením fotonu gama záření. Je mnohem pronikavější než alfa a beta záření a na rozdíl od nich nemá žádný náboj. 1,3 cm silná vrstva olova zastaví cca 50% gama záření.NebezpečíGama záření je sice méně ionizující než předchozí dvě, přesto je pro člověka a ostatní živé organismy velmi nebezpečné. Působí podobně jako záření rentgenové - způsobuje popáleniny, rakovinu, nebo genové mutace. Těchnto účinků využívají jaderné zbraně, což jsou jedny z nejobávanějších a hlavně nejznámějších zbraní hromadného ničení.

18. Radioaktivní izotopy Poločas rozpadu (přeměny) = doba, za kterou se přemění právě polovina z výchozích atomů. Široké meze. U izotopu 146 C je to 5 600 – 5 700 let. Využití – např. archeologie, radiodiagnostika a radioterapie

20. Nejspíše se jedná o nejdůkladněji prozkoumaný předmět v moderní historii. Jde o několik století staré plátno, na kterém je znázorněna silueta člověka. Věřící tvrdí, že v něm byl zavinut Ježíš Kristus a že na něm je jeho otisk, ale vědci jsou přesvědčeni, že se jedná o padělek ze třináctého století. Turínské plátno: ilustrovaný důkaz sepsaná Ianem Wilsonem a Barrie Schwortzem vyzývá katolickou církev, aby případ znovu otevřela. Využití radioizotopů v archeologii Turínské plátno

21. Využití radioizotopů v archeologii Použitá metoda : radiokarbonová - 14C („radioactive dating“) Přírodně se vyskytují 3 izotopy uhlíku : 12C, 13C a14C Jejich zastoupení : 12C – 98.89% 13C – 1.11% 14C – 0.000 000 000 10% (1 atom 14C existuje v přírodě na každých 1 000 000 000 000 atomů 12C) (14C radioaktivní, nestabilní, poločas rozpadu 5 730 let) zjištěné stáří plátna :13. či 14. století (1260 až 1390)!! (Padělek artefaktu – „vyroben“ později??)

24. Radiografie (prozařování) – radiační defektoskopie • Radiografie kovových či nekovových látek poskytuje na filmu viditelný obraz dutin, prasklin, vměsků, cizích částic uvnitř materiálu nebo nepravidelností nepřístupných povrchu. • Prozařování • RTG-zářením (X-ray) o energii 60 – 200 keV • Gama-zářením z nuklidů 192Ir, 75Se, 60Co,169Yb, 137Cs, … • někdy tvrdé gama-záření z cyklotronu (energie až 10MeV)

25. Rentgenová difrakční analýza - XRD U krystalů různých látek dochází k difrakci a následně interferenci X-záření. Používá se pro analýzu (identifikaci) krystalické struktury látek. Rentgenová fluorescenční analýza – XRF Tato metoda nedestruktivního zjišťování složení látek je založena na měření charakteristického rentgenového záření vzbuzeného ozařováním zkoumaného vzorku. Měřený vzorek ozařujeme buď X-zářením z rentgenové lampy, nebo zářením gama z vhodného radionuklidu. Interakcí tohoto fotonového záření s atomy zkoumaného vzorku dochází k fotoefektu) většinou na slupce K, načež při přeskoku elektronů z vyšší slupky (L) na uvolněné místo dochází k emisi charakteristického X-záření, jehož energie je jednoznačně určena protonovým číslem Z atomu. Spektrometrickou analýzou energie (vlnové délky) takto vzniklého fluorescenčního záření lze zjistit, které prvky jsou přítomné ve zkoumaném vzorku a podle intenzity jednotlivých píků fluorescenčního záření lze určit množství (koncentraci) těchto prvků ve vzorku.

26. Neutronová aktivační analýza Neutronová aktivační analýza je vysoce citlivá metoda analýzy chemického složení látek, založená na záchytu neutronů v jádrech zkoumané látky, čímž vznikají radioaktivní jádra. Ozářením zkoumaného vzorku neutrony tak dochází ke vzniku radionuklidů (k "aktivaci" vzorku), načež spektrometrickou analýzou energií a intenzit emitovaného záření (především g) aktivovaného vzorku lze stanovit příslušný radionuklid a zpětně "dohledat" i jemu odpovídající (neaktivní) výchozínuklid obsažený ve vzorku; s použitím vhodné kalibrace též jeho obsah (koncentraci) ve zkoumaném materiálu.

27. Využití radioizotopů v medicíně • Radiodiagnostika • Radiotherapie ( ozařování) • ( 60Co 131I 192 Ir ) • NUKLEÁRNÍ MEDICÍNA • Radiodiagnostika • RTG diagnostika

28. Radiodiagnostika • Diagnostika in vivo – scintigrafie • Při radionuklidové diagnostice in vivo v nukleární medicíně se pacientovi aplikuje (většinou intravenózně nebo perorálně) malé množství vhodné g-radioaktivní látky – tzv. radioindikátoru či radiofarmaka. Použitý radioindikátor je specifický pro jednotlivé orgány a druhy vyšetření. Aplikovaná radioaktivní látka vstoupí do metabolismu organismu a distribuuje se tam podle svého chemického složení – fyziologicky či patologicky se hromadí v určitých orgánech a jejich částech a následně se vylučuje či přeskupuje. Z míst depozice radioindikátoru vychází záření gama, které díky své pronikavosti prochází tkání ven z organismu. Pomocí citlivých detektorů měříme toto záření g a zjišťujeme tak distribuci radioindikátoru v jednotlivých orgánech a strukturách uvnitř těla.Nejdokonalejšími zařízeními tohoto druhu jsou gamakamery (scintilační kamery) – pomocí nich zobrazujeme v záření g distribuci radioindikátoru v organismu. Tato metoda, zvaná scintigrafie, tak umožňuje získávat informace nejen anatomické, ale hlavně o orgánových funkcích a metabolismu. Matematickým vyhodnocením scintigrafických studií můžeme získat křivky časového průběhu distribuce radioindikátoru a vypočítat dynamické parametry charakterizující funkci příslušných orgánů.

29. Radiodiagnostika • Diagnostika in vivo – scintigrafie Nukleárně medicínské metody patří mezi minimálně zatěžující neinvazivní diagnostické vyšetřovací metody. Díky vysoké citlivosti detektorů je pacientovi aplikováno jen velmi malé množství radiofarmaka, které je potřebné k získání kvalitní obrazové informace. Radiační zátěž při metodách v nukleární medicíně je srovnatelná (a často i menší) jako při RTG vyšetřeních.

30. Radioterapie Léčení nádorových onemocnění se v současné době opírá o tři hlavní metody: chirurgie, chemoterapie a radioterapie *), přičemž tyto tři hlavní terapeutické postupy se často kombinují. Radioterapie nádorových onemocnění je založena na účincích ionizujícího záření na živou tkáň kdy dostatečně vysoké dávky záření jsou schopny inaktivovat a usmrcovat buňky.Strategickým cílem radioterapie je selektivní likvidace nádorového ložiska při co nejmenším poškození okolních zdravých tkání. Ozáření okolních tkání se přitom nikdy nedá zcela vyhnout. Do cílové oblasti je třeba zavést dostatečně vysokou dávku záření (pro nádorové buňky letální) takovým způsobem, aby okolní zdravé tkáně nebyly enormně poškozeny. Úkolem radioterapie v klinické praxi je najít optimální kompromis mezi těmito dvěma protichůdnými požadavky. *) Lze očekávat, že v budoucnu se bude výrazněji uplatňovat i imunoterapie či genová terapie nádorů, respektive využití nanotechnologických postupů.

31. Radioterapie • vnější ozařování zářením gama a X • (RTG záření zejména pro ozařování kůže, • gama zářiče 137Cs a 60Co) • hadronová radioterapie (použití urychlených protonů) • Radioisotopová terapie volnými zářiči • isotop 131I – radioterapie karcinomu štítné žlázy (T1/2 = 8 dní) • isotop 32P – radioterapie hematologických onemocnění

32. Jaderná energetika Jaderné elektrárnyJaderná (atomová) elektrárna je zařízení určené k přeměně vazebné energie jader těžkých prvků na energii elektrickou. Jako palivo se v současnosti nejvíce používá obohacený uran - přírodní uran, v němž byl zvýšen obsah izotopu 235U z původních z hruba 0,5 % na 2 – 5 %. . Ve světě fungovalo v roce 2005 440 jaderných reaktorů, které vyrábějí 16 - 17% veškeré elektřiny (přibližně tolik jako vodní elektrárny). Nové elektrárny přibývají nejrychleji v oblasti Ruska a asijských zemí. Největší podíl na výrobě elektrické energie mají jaderné elektrárny ve Francii (60%), dále v USA, Japonsku a Rusku. V Rusku se ale jedná z velké části o zastaralé typy elektráren (stejný typ jako proslulý Černobyl), proto je tato země tlačena mezinárodními společenstvími k uzavření některých jaderných elektráren. Jaderná elektrárna Temelín (JETE)

33. Nukleární (jaderné) štěpení 235U + 1n 90Sr + 143Xe + 31n + Energy 0 38 0 54 92

34. Řetězová Reakce Podkritické množství Kritické množství

35. Využití radioaktivity ve válečných technologiích Jaderné zbraněZbraně hromadného ničení založené na na nekontrolované řetězové reakci při štěpení jader těžkých prvků. Mezi jaderné zbraně se řadí i tzv. špinavé bomby, kde radioaktivní reakce slouží pouze jako zdroj radioaktivního zamoření oblasti. Jaderná bomba se obvykle skládá ze dvou oddělených podkritických množství štěpného materiálu, která v součtu tvoří množství nadkritické (asi 1 litr). Ta jsou proti sobě vymrštěna explozí klasické výbušniny. Síla výbuchu zajistí, že nebudou obě části od sebe během prvních několika milisekund odhozeny teplem počínající řetězové reakce a tlakem vylétajících neutronů.Používaným typem je také implozní puma. Liší se zejména tím, že je zde použito plutonium namísto uranu 235. Po výbuchu konvenční trhaviny je plutonium stlačeno, čímž se zvýší hustota a dosáhne se kritického množství. Uvnitř koule plutonia je zdroj neutronů, které ve vhodném okamžiku zahájí řetězovou reakci. Dále bývá puma vylepšena vnějším pláštěm z odražeče neutronů, které takto neunikají mimo štěpný materiál anebo je v plášti uran 238, který štěpí rychlé neutrony unikající z plutonia. Puma je výhodná tím, že zde stačí daleko menší množství štěpného materiálu a každé vylepšení snižuje jeho další množství a zvyšuje účinnost pumy.

36. Klasická jaderná zbraň (235 U) Implozivní bomba (plutoniová)

37. Termonukleární zbraněExistují tři typy termonukleárních zbraní: vodíková, kobaltová a neutronová.Vodíková bombaVodíková bomba je atomová bomba, s pouzdrem tvořeným těžkými izotopy vodíku – deuteriem a tritiem. Atomový výbuch vytvoří počáteční teplotu několika milionů stupňů Celsia, která rozběhne jadernou fúzi. Největší sestrojené vodíkové bomby mají účinek desítek megatun TNT. Taková bomba je schopna ničit domy v okruhu 20 km a zapalovat hořlavé předměty do vzdálenosti 100 km.Kobaltová bombaStejná jako vodíková bomba, v obalu se kromě deuteria a tritia nachází i kobalt. Ten se působením neutronů mění na izotop s poločasem rozpadu 5,24 roku a zamoří půdu.Neutronová bombaZákladním účelem této bomby je vyzařování proudu neutronů vzniklých při reakcích v obyčejné vodíkové bombě. Neutrony poškozují obaly buněk nezvratným způsobem. Bomba je primárně určená k zabíjení osob, například vojáků v pancéřovaných vozidlech.Třístupňová bombaJedná se o vodíkovou bombu s uranovým obalem. Uran je štěpen neutrony a tím je zvýšena účinnost bomby.

38. Více o jádře, využití radioaktivity etc. http://galaxie.web2001.cz/hvezdy/termonuklearni_reakce.html http://radioaktivita.yc.cz/index.php

39. Elektronový obal Vývoj názorů : 1897 Thomson : atomy všech prvků obsahují částice o hmotnosti 9,1 . 10-31 kg – elektrony Rutherfordův planetární model atomu – elektrony se pohybují po kruhových drahách kolem jádra.

40. Elektronový obal 1913 N. Bohr upravil tuto teorii tak, že se elektrony pohybují kolem jádra po uzavřených drahách o určitém poloměru bez vyzařování elmg záření. Energie elektronu se může měnit pouze nespojitě, ve skocích, v kvantech energie. (Počátek 20. stol. rozmach kvantové mechaniky – Einstein, Pauli, Schrödinger, Fermi, Heisenberg) ELEKTRON má duální charakter –jako částice (korpuskule) i jako vlnění Vlnová teorie elektronů (obecně vlnová mechanika) – elektrony se chovají jako stojaté vlnění

41. Oblast, kde je nejvyšší pravděpodobnost výskytu elektronu – orbital. Orbital a vlastnosti vlnové funkce charakterizují kvantová čísla:

42. s- orbitaly : kulová symetrie, čím je n větší, tím má l větší poloměr

43. p- orbitaly : tvar „činky“, čím je n větší, tím má l větší poloměr

44. Hlavním kvantovým číslům odpovídají řádky – periody Mendělejevovy soustavy prvků. Pro elektrony stejně jako pro protony či neutrony platí Pauliho vylučovací princip: V daném atomu nemohou existovat dva elektrony ve stejném kvantovém stavu, tj. se stejnými kvantovými čísly n, l, m, s. Pro vyplňování orbitalů elektrony platí ještě Hundovo pravidlo: V každém orbitalu daném magnetickým kvantovým číslem vznikají elektronové páry až po zaplnění každého orbitalu jedním elektronem. Všechny nespárované elektrony mají stejný spin. → elektrony nejprve po jednom vstoupí do orbitalů se stejným n a l a s, ale různým m. Teprve potom vstoupí do těchto orbitalů i s druhým spinem.

45. Valenční (optické) elektrony – elektrony v orbitalech s a p v nejvyšší slupce – určují chemické a optické vlastnosti atomů. Jejich maximální počet je v orbitalech (s+p)8 → elektronový oktetoxidační čísla- buď doplnění do prázdných orbitalů – záporná oxidační č. - nebo odtržení elektronů z orbitalů – kladná oxidační č. Příklady : Na – 1 valenční elektron, vyplatí se mu jej odtrhnout a dostat se na elektronovou konfiguraci předchozího prvku (Ne), který má elektronový oktet. F – 7 valenčních elektronů, vyplatí se mu jej doplnit valenční sféru o 1 elektron a dostat se na elektronovou konfiguraci následujícího prvku (Ne), který má elektronový oktet.

46. Více o orbitalech atd. http://sweb.cz/radek.jandora/f22.htm http://cheminfo.chemi.muni.cz/ianua/hopet/soc9697/node10.html#SECTION00710000000000000000 http://volejnik.tym.cz/02_elektronovy_obal.htm

47. Periodická tabulka - Historie Drahý Dmitrii Ivániči, tak už se na Tebe nezlobím. To jak jsi mi počmáral karty těmi Tvými symboly prvků. Cestou domů jsem si s nimi ve vlaku vykládal pasiáns a to bys nevěřil co mi vyšlo ... (Cimrman Mendělejevovi, 1867)

48. Seřazení prvků v periodické soustavě prvků podle stoupajícího počtu protonů.PLATÍ následující pravidla:1.    Počet elektronů je roven protonovému číslu prvku v periodické soustavě.2.    Stav každého elektronu v atomu je určen čtyřmi kvantovými čísly.3.    Energetické hladiny atomu v základním stavu se obsazují postupně, každý další elektron obsadí dosud volnou hladinu s nejmenší energií.4.    Musí být splněn Pauliho princip

50. Počet elektronů v orbitalu Žádný (prázdný čili vakantní orbital), 1 nebo 2 (s opačnými spiny – el. pár) Pauliho vylučovací princip V daném atomu nemohou existovat dva elektrony ve stejném kvantovém stavu, tj. se stejnými kvantovými čísly n, l, m, s. Hundovo pravidlo V každém orbitalu daném magnetickým kvantovým číslem vznikají elektronové páry až po zaplnění každého orbitalu jedním elektronem. Všechny nespárované elektrony mají stejný spin. → elektrony nejprve po jednom vstoupí do orbitalů se stejným n a l a s, ale různým m. Teprve potom vstoupí do těchto orbitalů i s druhým spinem. Llze lze lze nelze nelze