W przyrodzie większość procesów zachodzi w wyniku wzajemnego oddziaływania ze sobą atomów pierwiastków i przekazywania sobie elektronów. Chemia jądrowa głównym zainteresowaniem obejmuje jądra atomowe. Bada ich właściwości oraz zmiany, jakie zachodzą w wyniku ich rozpadu. W porównaniu do innych reakcji, jądrowe prowadzą do powstania nowych indywiduów chemicznych. Ponadto reakcjom jądrowym towarzyszy wydzielanie się bardzo dużych ilości energii – nawet kilkaset tysięcy razy większych niż w wyniku konwencjonalnej reakcji chemicznej.

Stabilność jąder atomowych

Atomy stanowią podstawową, ale nie najmniejszą, jednostkę materii. Każdy z nich składa się z jądra atomowego oraz krążących wokół niego elektronów. Jądro atomowe jest natomiast zbudowane z dodatnich protonów oraz obojętnych neutronów. Atomy o takiej samej liczbie protonów, ale różnej neutronów, to izotopy. W przyrodzie zdecydowana większość z nich jest stabilna – nie ulega przemianom jądrowym, nawet po długim czasie. Ale pewna część izotopów jest nietrwała i łatwo ulega rozpadom np. beta plus, beta minus czy alfa. Aby dany izotop był stabilny, w jądrze atomowym powinna znajdować się identyczna ilość, zarówno protonów jak i neutronów. Im cięższe są jądra (im mają większą wartość liczby atomowej), tym występowanie różnicy pomiędzy ich ilościami jest większe. W wyniku tej dysproporcji, jądro atomowe jest znacznie bardziej podatne na rozpad promieniotwórczy. Najcięższy izotop w przyrodzie, który jest stabilny to ¹⁰⁹Bi.

Zarówno nadmierna ilość neutronów w jądrze lub ich znaczny niedobór, w stosunku do liczby protonów, prowadzi do przemiany jądrowej (lub jej serii), która w efekcie końcowym daje trwałe jądro atomowe. Ponadto na stabilność jąder wpływają także siły jądrowe, które powinny być większe od sił oddziaływań elektrostatycznych (zapewnia to właściwa ilość neutronów w jądrze w stosunku do ilości protonów) oraz masa jądra (im są cięższe, tym są mniej trwałe).

Największym zainteresowaniem, chemia jądrowa obejmuje te izotopy, których jądra atomowe nie są trwałe i łatwo ulegają rozpadowi. Pierwiastki chemiczne składające się z takich izotopów nazywane są promieniotwórczymi.

Promieniotwórczość pierwiastków chemicznych

Promieniotwórczość pierwiastków chemicznych (nazywana inaczej radioaktywnością) jest wynikiem rozpadu ich nietrwałych jąder atomowych. Oto, co powinniśmy o niej wiedzieć:

• Wyróżnia się promieniotwórczość pierwiastków chemicznych naturalną i sztuczną. O naturalnej jest mowa, gdy substancja sama emituje promieniowanie. W przypadku sztucznej promieniotwórczości, określona substancja nie wykazuje radioaktywności, ale emituje promieniowanie, gdy zostanie poddana ekspozycji na promieniowanie naturalne, pochodzące z substancji promieniotwórczej.
• Przemiany naturalne dzieli się na rozpady alfa, beta i gamma. A sztuczne to reakcje jądrowe, fuzje jądrowe oraz rozszczepienia jądrowe.
• Podczas rozpadu jąder atomowych, zostaje uwolnione promieniowanie, nazywane promieniowaniem jonizującym lub jądrowym. Izotopy promieniotwórcze mogą emitować trzy rodzaje promieniowania: alfa, beta i gamma.
• Cząstkami alfa są jądra atomów helu. Elektronami są cząstki beta (znacznie lżejsze w porównaniu z cząstkami alfa). Natomiast promieniowanie gamma nie jest cząstką, a należy do rodziny fal elektromagnetycznych.
• Większość jąder pierwiastków promieniotwórczych po rozpadzie tworzy nowe jądra. One również są nietrwałe i ulegają dalszemu rozpadowi. W ten sposób tworzą się tzw. szeregi promieniotwórcze.
• Radioaktywność określonego materiału chemicznego jest uzależniona przede wszystkim od jego ilości. W miarę upływu czasu spada, ponieważ zmniejsza się jego ilość. Inne czynniki mające wpływ na szybkość przemian jądrowych to temperatura i ciśnienie.

Reakcje jądrowe i termojądrowe

Wiele z reakcji jądrowych pierwiastków promieniotwórczych, które znajdują się w skorupie ziemskiej, zachodzi naturalnie. Jednak pewne reakcje można przeprowadzić w laboratorium chemicznym. Pierwsza taka przemiana, przeprowadzona przez człowieka, miała miejsce w 1919 roku. Jej autorem był Rutherford. Obecnie ilość przeprowadzanych reakcji jądrowych jest bardzo duża. Ilość uzyskanych izotopów sztucznych, w znaczny sposób przewyższa naturalnie występujące izotopy promieniotwórcze.

Reakcje jądrowe, między innymi, których analizą zajmuje się chemia jądrowa, przebiegają w wyniku bombardowania jąder atomowych określonymi cząstkami. Mogą to być neutrony, protony, cząstki alfa czy nawet jądra węgla. Zachodząca reakcja jądrowa jest uzależniona od rodzaju cząsteczki bombardującej oraz jej energii. Reakcje jądrowe prowadzą do wchłonięcia (wraz z wydzieleniem jednej lub dwóch cząstek elementarnych) przez jądro atomowe emitowanej cząsteczki bombardującej lub do destrukcji tego jądra. Pierwsza sytuacja ma miejsce, gdy energia “pocisku” jest niewielka (maksymalnie kilkadziesiąt MeV). Kruszenie jąder następuje przy dużych energiach, osiągających wartość nawet kilkuset MeV. Wiele prostych reakcji jądrowych zachodzi pod wpływem cząstek alfa, które zostają wyemitowane z naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. Rozszczepienie jądra atomowego można łatwo aktywować przy zastosowaniu neutronów. Dzięki temu, że mają obojętny ładunek, bez większych problemów docierają do jąder, jako nie podatne na odpychanie elektrostatyczne. Istotną cechą wszystkich reakcji jądrowych jest to, że towarzyszy im pochłanianie lub wydzielanie znacznych ilości energii.

W nieco innych warunkach zachodzą reakcje termojądrowe. Przebiegają one w bardzo wysokich temperaturach – od 10⁷ do 10⁸ K (często tylko wtedy zachodzą samorzutnie). Temperatury umożliwiające np. naturalną syntezę helu z wodoru, panują we wnętrzu gwiazd i prowadzą do wydzielania przez nie dużych ilości energii. W wyniku zachodzenia reakcji termojądrowych najmniejsze jądra (np. wodoru czy deuteru) łączą się w większe. Obecnie w warunkach ziemskich, doprowadzono do termojądrowej syntezy helu. W wyniku tej reakcji otrzymano ogromne ilości energii. Znacznie większe niż w przypadku wybuchu bomby atomowej uranowej lub plutonowej. Jednak cały proces nie był kontrolowany. Szacuje się, że po przezwyciężeniu trudności technicznych, pozyskiwanie energii z w pełni kontrolowanej reakcji termojądrowej, będzie możliwe.

Gdzie można wykorzystać promieniowanie jąder atomowych?

• Obrazowanie tkanek i narządów;
• Leczenie chorób nowotworowych;
• Diagnostyka w medycynie;
• Badania naukowe w ośrodkach badawczych i przemyśle;
• Wytwarzanie energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych (atomowych);
• Sterylizacja sprzętu medycznego.