10/28/14  

1  

Radioactivity  and  Nuclear  Reactions  

Ch  9.1-­‐9.2,  9.4  

Nucleus  and  the  Strong  Force  !   Protons  and  neutrons  are  packed  tightly  together  

!   Two  positives  normally  repel  each  other,  so  why  don’t  the  protons  in  the  nucleus  repel?  

!   Strong  force  =  one  of  four  basic  forces  that  causes  protons  and  neutrons  to  be  attracted  to  each  other  

!   100  times  stronger  than  electric  force  

!   Short-­‐range  force,  so  it  weakens  with  distance  

Small  vs  Large  Nuclei  !   Protons  and  neutrons  are  held  together  less  tightly  in  

large  nuclei.    Why?  

!   Small  nuclei  have  few  protons,  so  the  repulsive  force  on  a  proton  due  to  other  protons  is  small  

!   In  a  large  nuclei,  the  attractive  strong  force  is  exerted  only  by  the  nearest  neighbors.    All  the  protons  exert  repulsive  forces  making  the  repulsive  force  large.  

Radioactivity  !   In  many  nuclei,  the  strong  force  keeps  the  nucleus  

together  (STABLE)  

!   When  it  can’t,  the  nucleus  can  decay  and  give  off  matter  and  energy  in  a  process  of  radioactivity  

!   Larger  nuclei  tend  to  be  unstable  –  all  nuclei  containing  more  than  83  protons  are  radioactive  

!   All  elements  with  more  than  92  protons  are  synthetic  and  decay  soon  after  they  are  created  (UNSTABLE)  

Stable  and  Unstable  Nuclei  

!   Smaller  elements  neutron  to  proton  ratio  is  1:1  to  be  stable  isotopes  

!   Heavier  elements  neutron  to  proton  ratio  is  3:2  to  be  stable  isotopes  

!   Nuclei  of  any  isotopes  that  differ  much  from  these  ratios  are  unstable,  whether  heavy  or  light  

Nuclear  Radiation    !   When  an  unstable  nucleus  decays,  particles  and  

energy  are  emitted  from  the  decaying  nucleus  !   Alpha  Particles  –  (2  p  and  2  n  lost)  massive,  

comparatively  speaking;  loses  energy  quickly;  can’t  pass  through  paper;  changes  the  element  (transmutation);  mass  changes;  can  damage  the  body  

!   Beta  Particles  –  (n  turns  into  p  and  emits  e)  e  emitted  from  n;  transmutation  changes  the  element;  mass  doesn’t  change;  much  faster  and  penetrating;  damage  body  

!   Gamma  Rays  –  electromagnetic  waves  that  carry  energy;  most  penetrating  form;  cause  less  damage  to  biological  molecules  

10/28/14  

2  

At  a  glance…   Radioactive  Half-­‐Life  !   Some  radioisotopes  decay  in  less  than  a  second,  

while  others  take  millions  of  years  

!   Half-­‐life:    the  amount  of  time  it  takes  for  half  the  nuclei  in  a  sample  of  the  isotope  to  decay  

 

Radioactive  Half-­‐Life  cont  Ch  21.3:    Absolute-­‐Age  

Dating  of  Rocks  !   Relative-­‐age  dating  vs.  Absolute-­‐Age  Dating  

!   Relative-­‐age  dating:    compares  past  geologic  events  based  on  the  observed  order  of  strata  in  rock  record  

!   Absolute-­‐age  dating:    determines  actual  age  of  a  rock,  fossil,  or  other  object  

Radioactive  Decay  !   Radioisotopes  are  found  in  igneous  and  metamorphic  

rocks,  some  fossils,  and  organic  remains  

!   Emission  of  radioactive  particles  and  the  resulting  change  into  other  elements  over  time  is  called  radioactive  decay  

!   This  decay  stays  constant  regardless  of  the  environment,  pressure,  temperature,  or  any  other  physical  changes  

!   So,  these  atomic  particles  become  accurate  indicators  of  the  absolute  age  of  an  object  

!  I  love  you  Mrs.  Sjuts!  ☺  

10/28/14  

3  

Radioactive  Dating  !   Fossils  and  rocks  can  be  dating  using  radioactive  

isotopes  

!   Amounts  of  the  radioisotope  and  its  daughter  nucleus  are  measured  in  a  sample  

!   Then,  the  number  of  half-­‐lives  that  need  to  pass  to  give  the  measured  amounts  of  the  isotope  are  calculated  

!   The  number  of  half-­‐lives  is  the  amount  of  time  that  has  passed  since  the  isotope  began  to  decay  AND  usually  is  the  same  as  the  age  of  the  object.  

Carbon  Dating  !   The  radioactive  isotope  C-­‐14  is  often  used  to  find  the  

ages  of  once  living  objects  

!   It  is  naturally  found  in  most  all  living  things  

!   An  atom  of  C-­‐14  eventually  will  decay  into  N-­‐14  with  a  half-­‐life  of  5,730  years  

!   By  measuring  the  amount  of  C-­‐14  in  a  sample  and  comparing  it  to  the  amount  of  C-­‐12,  scientists  can  determine  the  approx  age  of  plants  and  animals  that  lived  within  the  last  50,000  years  

Uranium  Dating  !   Some  rocks  contain  uranium,  which  has  two  

radioactive  isotopes  with  long  half-­‐lives,  both  decaying  into  isotopes  of  lead  

!   By  comparing  the  uranium  isotope  and  the  daughter  nuclei  the  number  of  half-­‐lives  since  the  rock  was  formed  can  be  calculated  

!   U-­‐235  "  0.7  billion  years  

!   U-­‐238  "  4.5  billion  years  

 

Ch  9.4  Nuclear  Reactions  

!   Nuclear  Fission  –  the  process  of  splitting  a  nucleus  into  two  nuclei  with  smaller  masses  

!   Chain  reaction  –  ongoing  series  of  fission  reactions  

!   Critical  mass  –  the  amount  of  fissionable  material  required  so  that  each  fission  reaction  produce  approximately  one  more  fission  reaction  

!   Nuclear  Fusion  –  two  nuclei  with  low  masses  are  combined  to  form  one  nucleus  of  larger  mass  

 

Nuclear  Fission  !   Large  elements  need  a  TON  of  energy  in  order  to  hold  their  

nucleus  together.  

!   When  the  large  nucleus  is  split  into  smaller  nuclei,  those  smaller  nuclei  don’t  require  as  much  energy  to  stay  together…  

!   So,  that  leftover  energy  is  released!  

!   Atomic  bomb  –  used  in  Hiroshima  and  Nagasaki  

Fission  -­‐  Chain  Reaction      Nuclear  Fission:  Pros  and  Cons    

Nuclear  Meltdown    

Cooper  Nuclear  Station  near  Brownville,  NE  

Fort  Calhoun  Nuclear  Generating  System  between  Ft.  Calhoun  and  Blair  

10/28/14  

4  

Nuclear  Fusion  !   Need  very  high  temperatures  in  order  to  overcome  

the  repulsive  forces.  Sun's  Fusion    

!   Scientists  cannot  control  fusion  reactions  for  the  purpose  of  power.  

!   We  can,  however,  use  it  to  make  nuclear  weapons.    Large  ones.  Hydorgen  Bomb  -­‐  Fusion    

Nuclear  Decay  vs.  Nuclear  Reactions  

!   Decay  happens  spontaneously  

!   Reactions  are  controlled  and  self-­‐sustaining  and  release  much  more  energy  

Nuclear  Reaction:    Plutonium    

!   Pu-­‐239  Used  to  make  nuclear  weapons  like  the  one  dropped  on  Nagasaki  in  1945