Fizyka atomów

Fizyka atomu
________________________________________
Zwróć uwagę, że długość fali emitowanego promieniowania podczas powrotu atomu wodoru do stanu podstawowego zależy tylko od tego, z której orbity i na którą przeskakuje elektron (rys. 3).

Rys. 3. Poziomy energetyczne atomu wodoru.
Jeżeli wzbudzimy jeden atom wodoru, to sposobów powrotu do stanu podstawowego nie jest dużo (może być nawet jeden, jeżeli elektron przeskoczy od razu na orbitę pierwszą. Zazwyczaj mamy jednak do czynienia z olbrzymim skupiskiem atomów. W takim skupisku wzbudzonych atomów elektrony znajdują się na orbitach drugich, trzecich i wyższych. Stan wzbudzenia jak już mówiliśmy jest krótkotrwały i atomy te wracają do stanu podstawowego na różne sposoby. Przeskoki elektronów zostały poglądowo przedstawione na modelu orbitalnym atomu wodoru (rys. 4).

Rys. 4: Wyjaśnienie powstawania serii widmowych na modela orbitalnym atomu wodoru.
Przeskokom elektronów na niższe orbity towarzyszy emisja promieniowania elektromagnetycznego o określonych długościach fal - powstają tzw. linie widmowe. Linie te podzielono na serie ze względu na to, do jakiej części widma fal elektromagnetycznych dana grupa linii należy.
Seria pierwsza leżąca całkowicie w nadfiolecie to seria Lymana, której odpowiadają przeskoki elektronów z wyższych orbit (n = 2, 3, 4,...) na pierwszy (s = 1).
Drugą serią, która częściowo leży w zakresie widzialnym jest seria Balmera. Odpowiadają jej przeskoki elektronów z orbit {n = 3, 4, 5,...) na drugą (s = 2).
Kolejne serie (nie wszystkie są uwidocznione na rysunku) leżą w obszarze podczerwieni.
Długości fal; które zostały obliczone w zadaniu leżą w zakresie widzialnym (są odbierane przez oko ludzkie). Te właśnie długości fal zostały najpierw wyznaczone doświadczalnie. Na zależności występujące między nimi pierwszy zwrócił uwagę szwajcarski nauczyciel Johann Balmer (1825-1898). W roku 1586 podał on wzór; za pomocą którego można było obliczyć długości fal odpowiadające poszczególnym liniom wodoru. Wzór ten później został zmieniony i przyjął postać równania 12.
Jasna interpretacja widma wodoru jest wielkim osiągnięciem Bohra. Za wyjaśnienie owych widm w roku 1922 ten wybitny uczony otrzymał nagrodę Nobla.
Postulaty Bohra mają już jedynie wartość historyczną, ale właśnie jego teoria zapoczątkowała kwantową teorię opisu struktury atomu.
________________________________________
2. Emisja i absorpcja promieniowania
2.1. Widma emisyjne.
Omawiając widmo promieniowania atomu wodoru dowiedziałeś się, że atom najczęściej znajduje się w stanie podstawowym, w którym energia atomu jest najmniejsza. Aby atom znalazł się w stanie wzbudzonym należy dostarczyć mu odpowiednią ilość energii, którą „zużyje” elektron na przeniesienie się na wyższy poziom energetyczny. Stan wzbudzenia trwa bardzo krótko i atom samorzutnie powraca do stanu podstawowego. Towarzyszy temu emisja promieniowania o określonej częstotliwości (rys. 7). Wypromieniowana energia jest równa


Rys. 6. Schematyczne przedstawienie emisji.
W wyniku promieniowania wzbudzonych atomów substancji otrzymujemy tzw. widmo emisyjne.
Promieniowanie wysyłane przez pobudzone do świecenia pary i gazy jednoatomowe nazywamy widmem liniowym. Składa się ono z oddzielnych linii ugrupowanych w serie. podobnie jak w widmie atomu wodoru.
Każdemu pierwiastkowi odpowiada specyficzny dla niego, niepowtarzalny układ linii. Widmo jest więc jak gdyby „wizytówką” pierwiastka - składa się z barwnych linii różniących się między sobą liczbą linii, położeniem i ich barwą (rys. 7).
Rys. 7. Przykłady widm.
Sód ma w zakresie widzialnym jedną tylko linię o barwie żółtej (l = 589,3 nm), wodór cztery linie o barwach: czerwonej, niebieskiej i fioletowej. Inne pierwiastki mają więcej linii i ich widmu liniowe jest bardziej złożone.
Najczęstszym sposobem pobudzania gazów do emisji światła jest
wyładowanie w gazie rozrzedzonym (rozrzedzony gaz umieszcza się w rurkach,
do których przykłada się wysokie napięcie). Sposób ten jest wykorzystywany w reklamie handlowej. Jeżeli zobaczysz czerwone świecenie w rurkach reklamowych to możesz sądzić, że wypełnione są one rozrzedzonym neonem. W przypadku innych barw rurki wypełnione są gazami szlachetnymi, takimi jak: hel; krypton czy ksenon. Innym sposobem pobudzania atomów do świecenia jest tzw. pobudzanie termiczne. Polega ona na wprowadzeniu, atomów substancji w płomieni palnika, lub w przypadku metali trudno topliwych do łuku elektrycznego.
Odrębną grupę stanowią widma, których źródłem są gazy wieloatomowe (np. fluorek ołowiu, antymonu czy cynku). Widma te składają się z szerokich pasm, dlatego noszą nazwę widm pasmowych.
Rozgrzane do wysokiej temperatury ciała stałe emitują widmo ciągłe: W widmie tym nie obserwujemy poszczególnych linii ale jasne, nieprzerwane pasmo, w którym poszczególne barwy płynnie przechodzą jedna w drugi (rys. 7).
Aby uzyskać widmo ciągłe należy promieniowanie np. żarówki „przepuścić” przez pryzmat, który spowoduje rozszczepienie światła białego - mówiliśmy o tym w module poprzednim. W, żarówce świeci włókno wolframowe rozgrzane do temperatury ponad dwu tysięcy stopni i wysyła ono jednocześnie wszystkie możliwe długości fal świetlnych, które: wywołują u człowieka efekt widzenia.
Światło o widmie ciągłym wysyłają nie tylko 'rozgrzane do wysokiej temperatury ciała stałe, ale także rozgrzane do wysokiej temperatury ciecze np. roztopione metale, oraz rozgrzane do wysokiej temperatury gazy, które znajdują się pod wysokim ciśnieniem. Widmo ciągłe daje Słońce, w którym wysokie ciśnienie gazu wywołane jest silnym polem grawitacyjnym.

2.2. Widma absorpcyjne.
Innym rodzajem widma niż widmo emisyjne jest widmo absorpcyjne, które związane jest, z pochłanianiem (absorpcją} promieniowania:
Z absorpcją mamy do czynienia wówczas, gdy foton biegnący przez gaz napotka na swej drodze atom w niższym stanie energetycznym.
Foton zostanie pochłonięty przez taki atom, a energia fotonu spowoduje przeniesienie tego atomu na wyższy poziom energetyczny (rys. 8).

Rys. 8. Schematyczne przedstawienie absorpcji fotonu.
Bardzo łatwo można uzyskać widmo :absorpcyjne sodu. Należy w tym celu strumień światła białego (widmo ciągłe) z silnej żarówki przepuścić przez płomień palnika gazowego zabarwionego uprzednio parami sodu (w płomień palnika naprószyć można nieco proszku do prania). Proszek spowoduje intensywne żółte zabarwienie płomienia - to pobudzony do świecenia sód (będący składnikiem proszku) emituje liniowe widmo emisyjne składające się z jednej żółtej barwy w zakresie widzialnym. Nas będzie interesować jednak skład widma ciągłego po przejściu przez pary sodu. Oczywiście bez specjalnych urządzeń żadnej różnicy nie zobaczymy. Promieniowanie przechodzące precz płomień palnika należy skierować np. na pryzmat lub urządzenie zwane spektroskopem, którego zasadniczym elementem jest właśnie pryzmat. Zaobserwować wówczas można, że na tle widma ciągłego pochodzącego z żarówki znajduje się wąska ciemna linia położona w tym miejscu, gdzie w widmie emisyjnym znajduje się żółta linia sodu. Można się o tym przekonać usuwając źródło światła białego, a zostawiając płomień sodowy - na ciemnym tle pojawia się wówczas typowa dla pary sodu żółta linia (rys. 9).

Rys. 9. Schemat widma sodu: a) emisyjne, b) absorpcyjne.
Widmo obserwowane w opisanym doświadczeniu w postaci ciemnej linii na tle widma ciągłego jest widmem absorpcyjnym sadu. Powstaje ono dlatego, że atomy pary sodu znajdujące się w płomieniu pochłaniają ta promieniowanie i tylko to, które same mogą wysyłać.
Charakterystyczne widmo złożone z ciemnych linii na tle widma ciągłego nazywamy widmem absorpcyjnym. Jest ono związane z pochłanianiem z widma ciągłego fal świetlnych a określonych długościach przez pary lub gazy o niższej temperaturze od temperatury ciała, które to światło wytwarza.
Z pewnym uproszczeniem można powiedzieć, że widma absorpcyjne są. odwróceniem widm emisyjnych (porównaj rys. 9).
Najczęściej występującym w przyrodzie widmem absorpcyjnym jest widmo absorpcyjne Słońca noszące nazwę widma Fraunhofera. W widmie ciągłym dochodzącym ze Słońca występują wyraźnie wąskie czarne linie przecinające widmo poprzecznie (rys. 7). Linie te zbadane w 1815 roku przez fizyka niemieckiego Josepha Fraunhofera (1787-1826), zajmują w widmie słonecznym zawsze te same miejsca. Występowanie tych linii tłumaczymy w ten sposób, że światło o widmie ciągłym powstające w głębszych warstwach Słońca (gdzie temperatura osiąga 6000 K) przechodzi przez wyżej położone warstwy stosunkowo chłodniejszego gazu. Warstwy te składają się ż różnych pierwiastków w stanie gazowym, których atomy pochłaniają niektóre długości fal. W widmie absorpcyjnym Słońca odnajdujemy ciemne linie odpowiadające liniom widma emisyjnego sodu, wodoru, helu itd. Widocznie te pierwiastki występują w stanie gazów jednoatomowych w zewnętrznej warstwie Słońca.
________________________________________
4. Promieniotwórczość
4.1. Promieniotwórczość naturalna.
W roku 1896 fizyk francuski Henri Becquerel odkrył, że związki uranu samorzutnie, bez działania na nie jakiegokolwiek czynnika, wysyłaj promieniowanie, które zaczernia kliszę fotograficzną i jonizuje powietrze. Własność ta zasiała nazwana promieniotwórczością naturalną a ciała ją posiadające - promieniotwórczymi. Badania prowadzone przez polskiego fizyka Marię Skłodowską-Curie (1867-1934) i jej męża fizyka francuskiego Piotra Curie (1859-1906) doprowadziły do odkrycia nowych pierwiastków promieniotwórczych: polonu i radu. Wykazali oni również, że promieniotwórczość jest właściwością atomów i nie zależy od rodzaju związku chemicznego; tylko od ilości pierwiastka promieniotwórczego.
Do dziś odkryto wiele pierwiastków promieniotwórczych. Wszystkie występujące w przyrodzie pierwiastki o liczbach atomowych Z większych od 83 są radioaktywne. Znamy też wiele pierwiastków o liczbie atomowej mniejszej od 83, które także są promieniotwórcze.
Badając niewidzialne dla oka ludzkiego promieniowanie wysyłane przez pierwiastki promieniotwórcze stwierdzono, że można w nim wyodrębnić trzy rodzaje promieniowania. Nazwano je promieniowaniem a , b i g . Ich wspólne cechy to:
zaczernianie kliszy fotograficznej,
przenikanie przez materię,
wywoływanie fluorescencji (świecenia) niektórych substancji,
zdolność jonizacji środowiska, pacz które przechodzą.
Badając oddziaływanie pola magnetycznego (rys. 15) i pola elektrycznego (rys. 14) na promieniowanie ciał promieniotwórczych stwierdzono, że:
Rys. 14. Promienie a , b i g w polu elektrycznym.

Rys. 15: Promieniea , b i g w polu magnetycznym.
Promienie a są strumieniem cząstek naładowanych dodatnio. Cząstki te to podwójnie zjonizowane atomy helu, czyli jądra helu. Fakt ten można zapisać następująco

co oznacza, że cząstka a składa się z 2 protonów i 2 neutronów - razem 4 nukleony. Ładunek cząstki a jest równy +2 (posiada ona 2 protony, czyli dwa dodatnie ładunki elementarne).
Energia cząstek a opuszczających pierwiastek promieniotwórczy przyjmuje zwykłe wartości w zakresie od 4 MeV do 9 MeV.
Promienie b są strumieniem cząstek naładowanych ujemnie. Jest to strumień elektronów a więc ich masa jest znacznie mniejsza od masy cząstek a , ładunek zaś wynosi e = - 1,6 × 10-19 C. Prędkości elektronów (promieni b ) mogą przyjmować wartości bardzo małe, a także. zbliżane do prędkości światła w próżni.
Promienie g nie są strumieniem naładowanych cząstek bowiem nie
odchylają się ani w polu elektrycznym, ni w magnetycznym. Jest to fala elektromagnetyczna o bardzo dużej częstotliwości. Fotony promieni g niosą energię około 10 000 razy większą niż fotony promieniowania widzialnego.
Każdy rodzaj promieniowania charakteryzuje się inną przenikliwością. Największą zdolność przenikania przez materię ma promieniowanie g : przechodząc przez grube warstwy ołowiu, w powietrzu jest zdolne przebyć nawet setki metrów a ciało ludzkie przenika z łatwością. Silniej pochłaniane jest promieniowanie b . Jest ono zdolne do wniknięcia w głąb ciała do 6 cm, zatrzymuje je płytka aluminiowa o grubości kilku milimetrów a warstwa powietrza około 40 m. Najmniejszą przenikliwością charakteryzują się promienic a , nie przechodzą nawet przez kartkę papieru a zatrzymuje już warstwa powietrza o grubości około 3-10 cm.
Okazuje się, że im mniejszą zdolność przenikania przez materię ma promieniowanie tym wykazuje większe zdolności jonizacyjne. Największą zdolność jonizacji mają promienie a - na 1 cm zostawiają około 30 000 par jonów. Zdolność jonizacyjna promieni a jest około 100 razy mniejsza niż cząstek a . Najmniejszą zdolność jonizacji wykazuje promieniowanie g .
Promieniowanie wysyłane przez pierwiastki promieniotwórcze niesie ze sobą energię znacznie większą niż energia wytwarzana w zwykłych reakcjach chemicznych. Promienie a , b i g wydobywa się z jąder atomów pierwiastków promieniotwórczych, dlatego nazywane jest promieniowaniem jądrowym a atomy tych pierwiastków ulegają tzw. przemianom jądrowym.
Pytania i zadania
1. Na czym polega promieniotwórczość naturalna?
2. Czym są promienie a ?
3. Jakie doświadczenie potwierdza dodatni ładunek promieniowania a ?
4. Czym są promienie b ?
5. Jak zachowują się promienie b w polu elektrycznym?
6. Czym są promienie g ?
7. Jak zachowują się promienie g w polu elektrycznym i magnetycznym?
8. Który rodzaj promieniowania jądrowego charakteryzuje się największą przenikliwością?

4.2. Przemiany promieniotwórcze.
Jądro atomu - jak sobie z pewnością przypominasz - składa się z protonów o elementarnym ładunku dodatnim i elektrycznie obojętnych neutronów. Masy protonów i neutronów są w przybliżeniu sobie równe.
Jeżeli więc z jądra pierwiastka promieniotwórczego wyrzucona zostanie cząstka a lub b to skład jądra ulegnie zmianie. Mówimy, że jądro ulega przemianie promieniotwórczej.
Przemianę promieniotwórcza, której towarzyszy emisja cząstki a nazywamy
rozpadem a a cząstki b - rozpadem b . Rządzą nimi specjalne reguły; zwane regułami przesunięć Soddy'ego i Fajansa.
Rozpad a symbolicznie zapisujemy wzorem
[18]
gdzie:
- jądro pierwiastka promieniotwórczego o liczbie atomowej Z (liczbie porządkowej
w układzie okresowym Mendelejewa) i liczbie masowej A (liczbie protonów
i neutronów w jądrze) przed przemianą promieniotwórczą,
- jądro pierwiastka promieniotwórczego po wysłaniu cząstki a ,
- jądro helu (cząstka a ).
Z równania 18 widać, że jądro pierwiastka X wysyłając cząstkę a (dwa protony i dwa neutrony) zamienia się w jądro nowego pierwiastka Y, którego liczba atomowa jest mniejsza o 2, a liczba masowa mniejsza o 4. Mówimy zatem, że na skutek rozpadu a pierwiastek przesuwa się o dwa miejsca ku początkowi układu okresowego.
Przykładem takiej przemiany jądrowej jest rozpad a jądra radu:

Jądro radu emitując czystkę przechodzi w jądro atomu radonu.
Rozpad b zapisujemy symbolicznie:
[19]
gdzie:
- cząstka b , czyli elektron o ujemnym ładunku elementarnym i masie zerowej
w porównaniu z masą protonów i neutronów.
Analizując równanie 19 dochodzimy do wniosku, że podczas rozpadu b z jądra pierwiastka X powstaje jądro nowego pierwiastka Y o takiej samej liczbie masowej jaką miał pierwiastek X i o liczbie porządkowej większej o 1: Możemy powiedzieć, że na skutek rozpadu b pierwiastek przesuwa się o jedno miejsce ku końcowi układu okresowego.
Z równania przemiany b wynika, że jądro emituje w tej przemianie elektron. Skąd się bierze elektron, skoro - jak wiadomo – jądro zawiera tylko protony i neutrony. Okazuje się, że podczas rozpadu b w jądrze pierwiastka następuje przemiana neutronu w proton i elektron. Proton zostaje w jądrze a elektron jest wyrzucony na zewnątrz. Przemiana ta wygląda następująco:
[20]
gdzie:
n - neutron,
p - proton,
b - elektron (cząstka b ).
Z powyższego zapisu widać, że w jądrze zostaje proton a wiec masa jądra nie ulega zmianie (suma protonów i neutronów nie zmieniła się), ale wzrósł ładunek jądra (przybył jeden proton). Dodatkowa cząstka powstająca w tej przemianie nosi nazwę antyneutrina, Zostaje ona podobnie jak elektron wyrzucona z jądra.
W przemianach promieniotwórczych (patrz równanie 18 i 19) spełniona jest zasada zachowania ładunku elektrycznego (suma ładunków po lewej i prawej stronie równań jest taka sama) oraz zasada zachowania liczby nukleonów.
Ostatni rodzaj promieniowania jądrowego - promienie g - towarzyszy prawie wszystkim przemianom promieniotwórczym związanym z emisją cząstki a i b . Emisja fotonu promieniowania Y nie zmienia ani ładunku, ani masy jądra rozpadającego się. Foton ten może unieść ze sobą nadmiar energii, przez co jądro nie zmienia swoich właściwości.
Często zdarza się, że pierwiastek pojawiający się w wyniku
przemiany promieniotwórczej ulega dalszej przemianie a lub b . Powstaje nowy
pierwiastek, który znów ulega przemianie jądrowej itd. Tworzą się wówczas
tzw. szeregi promieniotwórcze, czyli rodziny. W przyrodzie istnieją 3 naturalne rodziny promieniotwórcze: rodzina torowa, uranowa i aktynowa oraz jedna wytwarzana sztucznie - rodzina neptunowa. Na rys.16 przedstawiane są schematycznie przemiany promieniotwórcze w szeregu uranowym. Szereg rozpoczyna się od uranu . Dalej następują przemiany a i b . Łańcuch promieniotwórczy kończy się trwałym izotopem ołowiu . Ołów już nie promieniuje i na nim kończą się wszystkie szeregi promieniotwórcze. W tym szeregu znajduje się omawiany przez nas wcześniej rad, który na skutek rozpadu a zamienia się w radon.

Rys. 16. Rodzina promieniotwórcza uranu.
Kończąc rozważania dotyczące przemian promieniotwórczych podkreślmy raz jeszcze, że źródłem promieniowania a , b i g są jądra atomów, a nie powłoki elektronowe. Promieniowanie to samorzutnie, bez naszej ingerencji wydobywa się z jąder pierwiastków promieniotwórczych a pierwiastki te zamieniają się w inne i przemieszczają w układzie okresowym.

4.3. Prawo rozpadu promieniotwórczego.
Na skutek rozpadu a lub b maleje liczba jąder danego pierwiastka_ Doświadczalnie stwierdzono, że ilość substancji promieniotwórczej zmienia się w ten sposób, że co pewien czas rozpada się połowa jąder atomowych pierwiastka. Czas ten nazywamy czasem połowicznego rozpadu i oznaczamy symbolem T.
Czasem połowicznego rozpadu nazywamy czas, po upływie którego połowa atomów danego pierwiastka ulega rozpadowi.
Wynosi on dla
- 4,5 × 109 lat,
- 1590 lat,
- 138 dni,
- 3,82 dnia,
- 0,3 m s.
Jeżeli np. dla polonu czas połowicznego rozpadu wynosi 138 dni to znaczy, że po upływie tego czasu pozostanie tylko połowa pierwotnej liczby jąder polonu. Po upływie dalszych l38 dni pozostanie połowa z tej połowy itd. Zależność tę przedstawia rys.17.

Rys. 17. Krzywa zaniku promieniotwórczego.
Prawo rozpadu promieniotwórczego brzmi:
Ubytek liczby jąder pierwiastka promieniotwórczego w jednostce czasu jest proporcjonalny do liczby jąder, które jeszcze nie uległy rozpadowi.
Matematycznie prawo rozpadu promieniotwórczego możemy zapisać w następujący sposób
[21]
gdzie:
N0 - początkowa liczba jąder danego pierwiastka (w chwili t= 0),
N - liczba jąder tego pierwiastka, które nie uległy rozpadowi po czasie t,
t - czas rozpadu,
T - czas połowicznego rozpadu.
Oprócz czasu połowicznego rozpadu drugą wielkością charakteryzującą pierwiastki promieniotwórcze jest stała rozpadu promieniotwórczego oznaczona symbolem l . Informuje nas ona, jaka część początkowej liczby jąder rozpadła się w ciągu jednej sekundy.
Związek stałej rozpadu l z czasem połowicznego rozpadu ma następującą
[22]

4.4. Promieniotwórczość sztuczna.
Pierwszą sztuczną przemianę jądrową zaobserwował w 1919 roku fizyk angielski Ernest Rutherford. Przewidział on, że cząstki a niekiedy mogą trafić w jądro atomu materii przez którą przenikają. Przeprowadzając liczne doświadczenia stwierdził np. pojawianie się protonów podczas bombardowania cząstkami a atomów azotu, boru czy glinu. Reakcję taką możemy zapisali następująco:
[23]
Reakcję tę można sobie wyobrazić tylko tak, że cząstka a zderzając się z jądrem azotu zostaje przez nie pochłonięta. Następnym etapem jest powstanie jądra przejściowego, które bardzo szybko rozpada się wyrzucając proton. Przeważnie pomijamy fazę przejściową i przebieg reakcji zapisujemy w ten sposób, że po lewej stronie piszemy składniki wyjściowe a po prawej produkty reakcji jądrowej (równanie 23).
Tego typu reakcje jądrowe przebiegają również przy bombardowaniu pierwiastków innymi cząstkami, takimi jak proton i neutron. Neutrony działają bardzo skutecznie jako pociski bombardujące. Nie mając ładunku elektrycznego mocą zbliżać się bardzo blisko do jądra i dlatego łatwiej wywołują reakcje jądrowe niż cząstki a czy protony. Przykładem jest następująca reakcja, w której neutrony uderzają w atomy boru i z jąder tego pierwiastka wytrącają cząstki a :
[24]
Neutrony zaś działające na azot (równanie 25) wywołują przemianę odwrotną do reakcji przedstawionej równaniem 23
[25]
Możemy powiedzieć, że reakcja jądrowa jest to proces, w którym wskutek bombardowania cząstkami o dużej energii następuje przemiana jądra atomowego jakiegoś pierwiastka na nowe jądro innego atomu z równoczesnym wyrzuceniem nowej cząstki.
W każdej reakcji jądrowej obowiązuje:
prawo zachowania ładunku elektrycznego,
prawo zachowania liczby nukleonów.
Bywa tak, że nowo powstałe jądro jest promieniotwórcze (jest to izotop dobrze znanych nam pierwiastków nie występujący w przyrodzie). Powstają w ten sposób izotopy - izotopy „sztucznie promieniotwórcze". Promieniotwórczość ich podlega takim samym prawom jak promieniotwórczość naturalna; sztuczne jest tylko ich wytwarzanie.
Izotopy te odgrywają dużą rolę w medycynie (np. bomba kobaltowa), technice, przemyśle, naukach przyrodniczych, archeologii itd.
Pytania i zadania
1. Jaki rodzaj promieniowania ma największe zdolności jonizacyjne?
2. Czym różni się jądro nowego pierwiastka powstałego w wyniku rozpadu a w porównaniu z jądrem pierwiastka wyjściowego (przed rozpadem)?
3. W która stronę w układzie okresowym przesuwu się pierwiastek powstały w wyniku
rozpadu a ?
4. W którą stronę w układzie okresowym przesuwa się pierwiastek powstały w wyniku
rozpadu b ?
5. Czym różni się jądro nowego pierwiastku powstałego w wyniku rozpadu b w porównaniu z jądrem pierwiastka przed rozpadem?
6. Czas połowicznego rozpadu pewnego promieniotwórczego pierwiastka wynosi 1600 lat. Ile jąder tego pierwiastka nie ulegnie rozpadowi po czasie t = 3200 lat, jeżeli w chwili początkowej liczba jąder tego pierwiastka wynosiła 1000?
7. Preparat promieniotwórczy zawiera 1012 atomów pierwiastka, którego czas połowicznego rozpadu wynosi 7 dni. Ile atomów tego pierwiastka będzie zawierał preparat po upływie14 dni?
8. W ciągu 4 godzin uległo rozpadowi 75 % początkowej liczby jąder izotopu promieniotwórczego. Ile wynosi czas połowicznego rozpadu tego izotopu?
9. Preparat promieniotwórczy zawiera 8 × 1014 atomów pierwiastka, którego czas połowicznego rozpadu wynosi 10 dni. Ile atomów tego pierwiastka ulegnie rozpadowi po upływie 30 dni?
10. Bombardując beryl cząstkami a można otrzymać swobodne neutrony. Zapisz tę reakcję jądrową. Jaki izotop otrzymujemy w wyniku takiej przemiany?
11. Uzupełnij poniższe reakcje jądrowe:





gdzie oznacza tryt, czyli izotop wodoru, którego jądro składa się z jednego protonu
i dwóch neutronów.
________________________________________
5. Energia jądrowa
5.1. Odkrycie jądra atomowego.
Odkrycie promieniotwórczości naturalnej oraz elektronu stworzyło podstawy rozwoju teorii budowy atomu. Początkowo, gdy w istnienie atomów nikt już nie wątpił uważano, że atom jest kulą zbudowaną z masy o ładunku dodatnim w której jak rodzynki w cieście, umieszczone są elektrony. Taki model atomu dobrze tłumaczył fakt, że atom jako całość pozostaje elektrycznie obojętny. Pozwalał również wyjaśnić powstawanie jonów przez możliwość wyrywania z atomu elektronów.
Model ten jednak nie tłumaczył wyników doświadczeń przeprowadzonych przez Marsdena i Geigera. Eksperyment polegał na bombardowaniu cienkich folii metalu cząstkami a pochodzącymi z naturalnych promieniotwórczych źródeł. Z pomiarów, w których liczono cząstki a odchylane od pierwotnego kierunku wynikało, że bardzo nieliczne z nich odchylane są o duży - większy od 90° - kąt (rys. 18).

Rys. 18: Schemat doświadczenia Mardsena i Geigera.
Tylko niektóre cząstki a odskakiwały do tyłu co wyjaśnić można było tylko w ten sposób, że wewnątrz folii musiały się one zderzyć z cząstkami o masie wielokrotnie przewyższającej masę cząstki a .
Gdy doświadczenia powtarzano z foliami różnych substancji stwierdzano, że liczba cząstek rozpraszanych „do tyłu” wzrasta wraz ze wzrostem trasy atomowej substancji rozpraszającej. Tak silne oddziaływanie dodatnio naładowanych cząstek a z folią nasunęło Rutherfordowi wniosek, że:
cały dodatni ładunek atomu skupiony jest w bardzo małej przestrzeni,
ta centralna część atomu (jądro) skupia także niemal całą masę atomu.
Od tej chwili uważa się, że atom to ciężkie dodatnio naładowane jądro o bardzo małych rozmiarach, otoczone powłoką elektronową znacznie oddaloną od jądra.
Odkrycie w roku 1932 neutronu, neutralnej cząstki o masie prawie równej masie protonu pozwoliło postawić hipotezę, że bardzo małe jądro, w którym skupiona jest prawie cała masa atomu składa się z protonów i neutronów zwanych nukleonami.
Masa jądra zależy od sumy protonów i neutronów wchodzących w jego skład.
Jądra zawierające taką samą liczbę protonów, ale różniące liczbę neutronów nazywamy izotopami danego pierwiastka: Zajmują one to samo miejsce w układzie okresowym.
Na przykład wodór, którego .jądro składa się tylko z jednego protonu posiada dwa izotopy o nazwach deuter i tryt. Deuter posiada w jądrze oprócz protonu jeden neutron a tryt – jeden proton i dwa neutrony.
Jądro atomu jest dziesiątki tysięcy razy mniejsze od rozmiarów atomu (10-10 – 10-9 m). Promień jądra możemy obliczyć ze wzoru:

gdzie:
ro = 1,3 × 10-15 m,
r - promień jądra,
A - liczba masowa jądra.
Spróbujmy wyobrazić sobie stosunek rozmiarów jądra do rozmiarów
całego atomu na przykładzie atomu wodoru. Gdybyśmy cały atom wodoru
powiększyli 1012 razy, jego średnica wyniosłaby okuło 100 m, a średnica
jądra równałaby się wtedy 1 mm, czyli byłaby równa wielkości główki od szpilki. Wokół tak małego jądra po orbicie o promieniu około 50 m krążyłby elektron, którego rozmiary byłyby tego samego w przybliżeniu rzędu co rozmiary jądra.

5.2. Siły jądrowe.
Co sprawia, że protony o ładunku dodatnim i neutrony nie posiadające ładunku skupione w bardzo małej objętości nie rozpadają się. Siły grawitacji działające między dwoma protonami są około 1036 razy mniejsze od sił odpychania elektrostatycznego między nimi. Siła grawitacji nie może więc odgrywać żadnej roli w utrzymaniu nukleonów w jądrze. Pomiędzy nukleonami działają potężne, krótkozasięgowe siły jądrowe. O siłach tych wiemy wciąż zbyt mało, a wyjaśnienie ich natury stanowi jeden z podstawowych problemów fizyki jądrowej.
Z eksperymentów wynika, że wartość sił jądrowych (sił przyciągania między nukleonami) jest około 100 razy większa od sił odpychania elektrostatycznego. Dlatego właśnie jądro nie rozpada się. Siły te mają bardzo krótki zasięg bowiem ich wartość gwałtownie maleje do zera już w odległości około 2 × 10-15 m od centrum jądra. W odległościach większych od rozmiarów jądra przeważają siły odpychania elektrostatycznego, zależne od ładunku jądra (liczby protonów). Siły jądrowe nic zależą od ładunku, tzn. oddziaływanie pomiędzy dwoma neutronami, dwoma protonami czy neutronem i protonem jest takie samo.
Podsumowując możemy powiedzieć, że:
siły jądrowe są najsilniejszymi oddziaływaniami w przyrodzie,
są siłami o bardzo krótkim zasięgu,
wartość ich nie zależy od ładunku elektrycznego.

5.3. Energia wiązania jądra.
Znając składniki jądra i ich masy możemy obliczyć sumę mas składników jądra. Wynosi ona

gdzie:
Z - liczba atomowa (informuje nas ona o liczbie protonów w jądrze; jak również o ilości
elektronów krążących wokół jądra),
mp - masa protonu,
A - liczba masowa (suma protonów i neutronów w jądrze);
A - Z. - liczba neutronów;
mn - masa neutronu.
Obliczenia pokazują, że masa jądra Mj jest mniejsza niż suma mas jego składników

Różnica
[26]
nosi nazwę deficytu masy lub inaczej niedoboru masy.
Ten niedobór masy powstał w czasie tworzenia się jądra z części składowych. Kosztem części energii spoczynkowej składników jądra powstała inna energia o tej samej wartości, która została wydzielona na zewnątrz. Energię tę wyrazimy następująco (na podstawie wzoru E = m × c2 - moduł 2):
[27]
Ta sama ilość energii byłaby potrzebna do rozbicia jądra na jego części składowe. Energię tę nazywamy energią wiązania jądra atomowego.
Niedobór masy jest miarą energii wiązania; im większy jest niedobór masy, tym silniej są związane nukleony w jądrze, tym więcej energii trzeba dostarczyć, żeby dane jądro rozbić na części składowe. Energia wiązania jest więc wielkością charakteryzującą trwałość jądra.
W fizyce jądrowej stosowanie układu SI nie jest celowe ze względu na niewyobrażalnie małą masę cząstek. Jednostką masy jest tutaj jednostka masy atomowej (u); która jest równa masy izotopu węgla .
u = 1,66053 × 10-27 kg
Poniższa tabela przedstawia masy niektórych cząstek i jąder w jednostkach masy atomowej.
Tabela 1. Masy niektórych cząstek i jąder.
Symbol Nazwa Masa (u)

neutron 1,0087

proton 1,0073

deuter (p + n) 2,0136

cząstka a (2p + 2n) 4,0015
Natomiast energię w fizyce jądrowej wyrażamy zwykle w megaelektronowoltach (MeV). Przeliczając jednostkę masy atomowej (u) na MeV otrzymamy
1 u = 931 MeV
Im większą liczbę nukleonów zawiera jądro atomowe, tym większa jest energia wiązania jądra. Jednak o trwałości jądra decyduje energia wiązania przypadająca na jeden nukleon, tzw. średnia energia wiązania. Wielkość ta zależy od masy jądra co ilustruje rysunek 19.

Rys. 19. Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon.
Z wykresu (rys. 19) widać, że dla pierwiastków w obszarze liczb masowych od 40 do 120 średnia energia wiązania wynosi około 8,4 MeV. Dla większych liczb masowych wartość ta spada i osiąga 7,5 MeV na nukleon dla uranu. Pierwiastki chemiczne o najtrwalszych jądrach atomowych - jak wynika z powyższej analizy - zajmują środkową część układu okresowego pierwiastków.
Pytania i zadania
1. Czym spowodowane jest odrzucanie „do tyłu" niektórych cząstek a przenikających przez folię metolową?
2. Dlaczego tylko niewielka część cząstek a zostaje odrzucona do tyłu przenikając przez folię metalową?
3. Gdzie skupiona jest prawie cała masa atomu?
4. Czym różni się jądro izotopu danego pierwiastka od jądra tego pierwiastka?
5. Jakie siły utrzymują nukleony w jądrze?
a) siły przyciągania grawitacyjnego między nukleonami,
b) siły elektrostatycznego odpychania między protonami,
c) siły jądrowe.
6. Wybierz poprawną odpowiedź.
7. Czym charakteryzują się siły jądrowe?
8. Co nazywamy deficytem masy?
9. Udowodnij, że 1 u = 931 MeV
10. Oblicz energię wiązania jądra helu (cząstki a ).
11. Oblicz energię wiązania jądra deuteru wykorzystując dane z tabeli 1.
12. W jakim obszarze układu okresowego leżą pierwiastki o najtrwalszych jądrach atomowych a w jakim pierwiastki, których jądra są związane mniejszymi siłami?

5.4. Reakcje syntezy i rozszczepienia.
Z zależności średniej energii wiązania od liczby masowej wynikają dwie
możliwości otrzymania olbrzymich ilości energii. Jednym ze sposobów jest
reakcja syntezy, czyli reakcja tworzenia jądra z poszczególnych składników
lub reakcja łączenia lekkich jąder na przykład deuteru, w jedno większe. Gdzie dwa jądra deuteru łącząc się tworzą jądro helu, przy czym wydziela się ogromna ilość energii. Reakcja ta przebiega zgodnie z równaniem:
[28]
Aby reakcja syntezy mogła zajść, jądra pierwiastków muszą zbliżyć się do siebie na odległość rzędu 10-15 m, w której działają siły jądrowe. Jądra te muszą więc posiadać ogromną energię kinetyczną, by móc przezwyciężyć siły odpychania elektrostatycznego. Wynika z tego, że reakcja syntezy wymaga temperatury rzędu setek milionów stopni.. Proces łączenia jąder atomowych w bardzo wysokich temperaturach nazywamy syntezą termojądrową, zaś wydzieloną w tym procesie energię - energią termojądrową.
Reakcje termojądrowe w sposób naturalny zachodzą we wnętrzu Słońca i innych gwiazd, gdzie panuje odpowiednio wysoka temperatura. Właśnie poprzez reakcje syntezy Słońce „produkuje” energię, dzięki której może istnieć życie na Ziemi. Reakcję syntezy w sposób niekontrolowany wykorzystano w tzw. „bombie wodorowej”. Natomiast „kontrolowane” wykorzystanie reakcji syntezy ciągle jest jeszcze przyszłością. Prowadzone są badania w tym kierunku i jeżeli próby się powiodą na skalę przemysłową to problem braku energii zostanie rozwiązany. Będzie to energia bez szkodliwych spalin i niebezpiecznego promieniowania a paliwem tej energii może być zwykła woda, a dokładniej zawarty w niej wodór
Drugi proces, w którym może powstać duża ilość energii to proces rozszczepienia jąder ciężkich, dla których energia wiązania jest mniejsza niż dla jąder średnich.
Reakcja rozszczepienia jesz procesem, w którym pod wpływem bombardowania np. neutronami powstają z jądra ciężkiego dwa jądra lżejsze nazywane fragmentami rozszczepienia (rys. 20).


Rys. 20. Różne typy reakcji jądrowych.
Fragmenty rozszczepienia są przeważnie promieniotwórcze i emitują promieniowanie b i g . W procesie takim wydzielonych jest również kilka (najczęściej dwa lub trzy) neutronów. Deficyt masowy powstający w trakcie reakcji rozszczepienia wynosi
[29]
gdzie:
mF1, mF2 - masy fragmentów rozszczepienia,
mn - masa neutronu,
k - liczba neutronów;
Mj - masa jądra, które ulega rozszczepieniu.
Energia wydzielona podczas takiej reakcji, zgodnie z równaniem 27 wynosi

Jednym z izotopów wykorzystywanych w reakcji rozszczepienia jąder jest izotop uranu . Ogólny schemat takiej reakcji jest następujący

gdzie:
- jądro złożone
X*, Y* - fragmenty rozszczepienia, które nie są jeszcze jądrami stabilnymi (wyrzucają
nadmiar neutronów oraz ulegają kilku przemianom b ).
Fragmenty rozszczepienia nie są jednoznaczne. Możliwe są różne kombinacje fragmentów rozszczepienia oraz liczb wyzwalanych neutronów.
Jednym z przykładów reakcji rozszczepienia jest rozpad jądra uranu na jądra baru i kryptonu leżące w środkowej części układu okresowego



Rys. 21. Jądro wyjściowe i pocisk mają nieco większą masę niż fragmenty rozpadu. Różnica mas zamienia się w energię.
Proces rozszczepienia jąder uranu zachodzi z wydzieleniem ogromnych ilości energii. Aby oszacować jej wartość rozważmy energię wiązania przypadającą na 1 nukleon. Dla uranu wynosi ona około 7,5 MeV, natomiast dla pierwiastków środkowej części układu okresowego (a więc np. bar i krypton) - około 8,3 MeV. Zatem energia wiązania przypadająca na jeden nukleon zmienia się o (8,3-7,5) MeV » 0,8 MeV. Ponieważ jądro uranu zawiera 235 nukleonów, więc energia wydzielona podczas rozszczepienia jednego jądra uranu wynosi
D E = 235 × 0,8 MeV
D E » 200 MeV
Jak ogromna jest energia wydzielona podczas rozszczepienia 1 g uranu niech świadczy fakt, iż jest ona równoważna energii uzyskanej ze spalenia około 3 ton węgla!
Proces rozszczepienia można przeprowadzić w sposób niekontrolowany w trakcie wybuchu tzw. „bomby atomowej”, co uczyniono po raz pierwszy na atolu Bikini. Bomby takie wybuchły też 6 i 9 sierpnia 1945 roku nad Hiroszimą i Nagasaki.
W wybuchu jądrowym po połączeniu dwu tzw. mas podkrytycznych następuje niekontrolowane rozwinięcie się reakcji łańcuchowej. Neutrony powstające z rozszczepienia jądra uranu trafiają w następne jądra uranu powodując ich rozszczepienie i reakcja rozwija się lawinowo (rys. 22).


Rys. 22. Schemat reakcji łańcuchowej.
W ułamku sekundy zostaje wydzielona ogromna ilość energii. Równocześnie w atmosferze zostają rozpylone duże ilości elementów rozpadu izotopu, którego użyto do budowy bomby, powodując promieniotwórcze skażenie terenu.
Kontrolowany przebieg reakcji rozszczepienia zachodzi w reaktorach jądrowych. Rozszczepienie następuje w tak zwanym rdzeniu, w którego skład wchodzi uran lub inny materiał rozszczepialny o masie nieznacznie wyższej od masy krytycznej. Aby energia mogła wydzielać się w sposób kontrolowany w przestrzeń reakcji wprowadza się pręty spowalniające neutrony oraz sterujące zbudowane z kadmu, który pochłania powolne neutrony powodujące rozszczepienie uranu. Dzięki tym prętom reakcję można w każdej chwili przyspieszyć, zwolnić lub całkowicie przerwać. Rdzeń otoczony jest osłoną (wodną, metalową i betonową), w której znajdują się otwory do wypuszczania promieniowania jądrowego. Przekrój reaktora pokazany jest na rysunku 23.

Rys.13. Uproszczony schemat reaktora jądrowego.
Pierwszy reaktor zwany stosem atomowym uruchomił w roku 1942 Enrico Fermi. Obecnie na świecie pracuje ich wiele. W Polsce w Świerku pod Warszawą pracują dwa reaktory doświadczalne Ewa i Maria.
Reaktory wykorzystuje się do wytwarzania sztucznych izotopów, do prac badawczych oraz do celów przemysłowych - jako źródło energii do napędu generatorów w elektrowniach jądrowych.

Pytania i zadania
1. Na czym polega reakcja syntezy?
2. Jakich specjalnych warunków wymaga reakcja syntezy?
3. Na czym polega reakcja rozszczepienia?
4. W jakim obszarze układu okresowego leżą dwa fragmenty rozszczepienia?
5. Ile energii wydzieli się podczas rozszczepienia 1 g uranu ?
6. Gdzie wykorzystano niekontrolowaną reakcję rozszczepienia?
7. W jakim urządzeniu wykorzystuje się uzyskiwanie energii w procesie rozszczepienia w sposób kontrolowany?
8. Do czego służą pręty sterujące w reaktorze jądrowym?
9. Wymień zastosowania reaktorów jądrowych.
10. Oblicz ilość uranu zużywanego w ciągu 1 doby przez reaktor o mocy 5 MW.
________________________________________


Przykłady prac kontrolnych
Praca kontrolna nr 1
Według modelu Bohra atomu wodoru elektron w stanie podstawowym krąży po orbicie
o promieniu r1 = 0,53 × 10-10 m. Ile razy prędkość światła c = 3 × 108 m/s jest większa od prędkości elektronu na tej orbicie?
Prędkość elektronów padających na anodę lampy rentgenowskiej wynosi v = 106 m/s. Pod jakim napięciem pracuje ta lampa i jaka jest długość fali otrzymanego promieniowania?
Ile procent jąder promieniotwórczego izotopu ulega rozpadowi, w ciągu 24 lat jeżeli wiadomo, że okres połowicznego rozpadu izotopu wynosi 12 lat
Oblicz jaka energia zostanie wydzielona w trakcie syntezy 4 g helu z jąder deuteru , zgodnie z podaną wcześniej reakcją (równanie 28).

Praca kontrolna nr 2
Energia atomu wodoru w stanie podstawowym wynosi E1 = - 13,6 eV. Jaką porcję energii wyemituje ten atom przy przeskoku elektronu z orbity 3-ciej na 1-wszą i jaka długość fali odpowiadać będzie tej energii?
Oblicz prędkość elektronów padających na anodę lampy rentgenowskiej oraz częstotliwość uzyskanego w niej promieniowania, jeżeli lampa pracuje pod napięciem
U = 40 kV.
Czas połowicznego rozpadu jąder pewnego promieniotwórczego pierwiastka wynosi
T = 4 dni. Oblicz ile procent jąder tego pierwiastka pozostanie po czasie t = 12 dni.
W elektrowni jądrowej zużycie w ciągu doby paliwa jakim jest uran wynosi
m = 30 g. Oblicz moc elektrowni (energię produkowaną w ciągu 1 sekundy) pamiętając
o tym, że reakcja rozszczepienia jednego jądra uranu daje energię około 200 MeV.
Klucz odpowiedzi do ćwiczeń
PS.1. Ponieważ , więc
.
PS.2. .
PS.3. ; gdy
.
PS:4. Otrzymamy trzy linie widmowe. Jedna będzie należała. do serii Balmera, a dwie
do serii Lymana.
PS.5. . Częstotliwość
.
PS.6. .
PS.7. .
Wskazówka: elektronowolty należy zamienić na dżule .
PS.8. Jeżeli rozpadło się 75% początkowej liczby jąder to pozostało 25%, czyli .
Lecz i stąd otrzymujemy . Czas połowicznego rozpadu wynosi
.
PS.9. atomów nie rozpadło się po czasie t = 30 dni.
Uległo rozpadowi atomów.
PS.10. Obliczamy najpierw niedobór masy.
. Ponieważ stąd
.
PS.11. Energia wydzielona w czasie 24 godzin wynosi
.
Ponieważ z rozszczepienia jednego jądra uranu możemy otrzymać 200 MeV,
więc w czasie jednej doby powinno ulec rozszczepieniu N jąder,
jąder. Masę zużytego uranu obliczymy mnożąc
liczbę jąder przez masę jednego jądra , czyli .

Słownik
analiza widmowa - metoda oznaczania składu ilościowego i jakościowego substancji oparta na badaniu jej widma.
czas połowicznego rozpadu - czas, po upływie którego połowa atomów danego pierwiastka ulega rozpadowi.
deficyt masy - różnica między masą spoczynkową jądra atomowego , a sumą mas wszystkich nukleonów wchodzących w skład tego jądra.
energia wiązania jądra - energia, jaką trzeba dostarczyć jądru atomu, aby rozdzielić je na poszczególne składniki.
główna liczba kwantowa - liczba przyjmująca zwykle wartości dyskretne i całkowite, a związana jest z wartością energii atomu.
izotop - atom o tej samej liczbie Z protonów i różnej liczbie masowej A tj. różnej liczbie neutronów w jądrze.
jądro atomowe - centralna część atomu składająca się z nukleonów powiązanych siłami jądrowymi.
postulaty Bohra - postulaty leżące u podstaw Bohra teorii atomu, które głoszą, że:
atom nie promieniuje energii, jeżeli elektron porusza się po orbicie
stacjonarnej,
emisja promieniowania następuje wówczas, gdy elektron w atomie przeskakuje
z dalszej na bliższą jądra dozwoloną orbitę,
energia kwantu jest równa różnicy energii dwóch stanów energetycznych.
poziom energetyczny - ustalona wartość energii jaką może mieć układ.
prawo rozpadu promieniotwórczego - prawo mówiące o tym, że ubytek liczby jąder pierwiastka promieniotwórczego w jednostce czasu jest proporcjonalny do liczby jąder, które jeszcze nic uległy rozpadowi.
promienie alfa – strumień cząstek  (jąder atomów helu) wytwarzanych podczas rozpadów  jąder atomowych.
promienie beta - strumień elektronów (cząstek  ) o ładunku ujemnym lub dodatnim (tzw. pozytony) wytwarzanych podczas rozpadów  jąder atomowych.
promienie gamma - promieniowanie elektromagnetyczne najczęściej o długości fali poniżej 0,1 nm, emitowane przez wzbudzone jądra atomowe.
promieniotwórczość naturalna - własność atomów polegająca na samorzutnym wysyłaniu z jądra tzw. promieniowania jądrowego.
promieniowanie jądrowe - promieniowanie wydobywające się z jąder atomów pierwiastków promieniotwórczych; rozróżniamy promieniowanie  ,  i  .
promieniowanie rentgenowskie - promienie Roentgena, promienie X; promieniowanie elektromagnetyczne, w zakresie długości fal 10-11 – 10-8 m, emitowane przez substancję poddaną bombardowaniu wiązką elektronów. W wyniku tego oddziaływania może powstać:
promieniowanie hamowania dające ciągły rozkład w widmie promieniowania
rentgenowskiego,
charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie składające się z szeregu
linii charakterystycznych dla danego rodzaju materiału.
przemiana promieniotwórcza - rozpad promieniotwórczy, przemiana jądra atomowego w układ kilku produktów rozpadu o sumie mas mniejszej od masy jądra wyjściowego.
reakcja jądrowa - proces, w którym wskutek bombardowania cząstkami o dużej energii następuje przemiana jądra atomowego jakiegoś pierwiastka; na nowe jądro innego atomu z równoczesnym wyrzuceniem nowej cząstki.
reakcja łańcuchowa - reakcja rozszczepienia ciężkich jąder atomowych spowodowana pochłonięciem przez jądro neutronów, w której powstają neutrony wtórne wywołujące dalsze rozszczepienie innych jąder atomowych.
reakcja rozszczepienia - reakcja, w wyniku której jądro atomowe rozpada się na dwa lub więcej fragmentów leżących w środkowej części układu okresowego,
reakcja syntezy - reakcja tworzenia jądra z poszczególnych składników, lub reakcja łączenia dwu lekkich jąder w jedno cięższe.
reakcja termojądrowa - reakcja syntezy lekkich jąder zachodząca efektywnie w bardzo wysokich temperaturach rzędu 107 K.
reaktor jądrowy - urządzenie do przeprowadzania kontrolowanej reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder atomów pierwiastków ciężkich.
reguła przesunięć Soddy'ego i Fajansa - reguła podająca wartość zmian liczby masowej A i atomowej Z jądra atomu podczas przemiany  i  .
siły jądrowe - krótkozasięgowe siły działające między nukleonami w jądrze atomowym.
stałe rozpadu promieniotwórczego - stała informująca, jaka część początkowej liczby jąder pierwiastka promieniotwórczego uległa rozpadowi w czasie jednej sekundy.
stan podstawowy atomu - stan kwantowy o najniższej energii.
stan wzbudzony atomu - stan o wyższej energii niż stan podstawowy atomu.
szereg promieniotwórczy - rodzina promieniotwórcza; grupa izotopów promieniotwórczych o liczbie atomowej Z, zawierającej się w granicach 81-92 i przechodzących w siebie kolejno przez rozpady  i  .
teoria Bohra atomu - teoria oparta na planetarnym modelu Rutherforda, zakładającym istnienie dodatnio naładowanego jądra i krążącego wokół niego po orbicie kołowej elektronu.
widmo absorpcyjne - rozkład natężenia promieniowania elektromagnetycznego w funkcji częstotliwości lub długości fali po przejściu przez substancję, która pochłania (absorbuje) fale elektromagnetyczne o charakterystycznych dla siebie częstotliwościach.
widmo emisyjne - rozkład natężenia promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego przez daną substancję w funkcji częstotliwości. Źródłem tego promieniowania są atomy lub cząsteczki substancji będące w stanie wzbudzonym.
widmo Fraunhofera - widmo absorpcyjne liniowe światła słonecznego.
widmo liniowe - widmo promieniowania elektromagnetycznego składające się z wielu linii, spośród których dają się wydzielić serie widmowe: Liczba linii oraz ich położenie w widmie charakteryzuje źródło światła, którym są zwykle pary i gazy jednoatomowe.
widmo pasmowe - widmo cząsteczkowe powstające przy przejściach między poziomami energetycznymi swobodnych cząsteczek, które obserwuje się w postaci pasm widmowych.