10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of...

13
Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules & compounds 4. Radioactivity 5. Fission 6. Fusion Key to colour code Covered in Years 79 and forms the foundation of GCSE levels G to D Ordinary text Necessary for GCSE levels D to B Necessary for GCSE levels B to A* Necessary for Additional Physics 3 (SC3) Green text box Blue text box Purple text box

Transcript of 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of...

Page 1: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

 

 

   

Year 10/11 

The Structure of Physics 

Part 8: Atoms & rad

ioactivity

Contents

1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules & compounds 4. Radioactivity 5. Fission 6. Fusion 

 

Key to colour code                                 Covered in Years 7‐9 and forms the foundation of GCSE levels G to D  

Ordinary text        Necessary for GCSE levels D to B  

                                Necessary for GCSE levels B to A*  

                                Necessary for Additional Physics 3 (SC3) 

Green text box 

Blue text box 

Purple text box 

Page 2: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 1  02 November 2012 

1. Atoms & elements 1.1. Atoms 

Atoms & elements 

Atoms are the tiny units of all matter 

There are about 100 different types of atoms 

These different types of atoms are called the elements 

The elements are arranged in ‘families’ in the Periodic Table 

Hydrogen is the lightest element.   The size of atoms 

Atoms are very small 

The diameter of a helium atom is about 100 pm 

A pm stands for picometre 

A picometre is one millionth millionth of a metre. 

  

1.2. Elements & the periodic table The Periodic Table The Periodic Table groups the elements by their properties: 

Elements on the left are metals 

Metals are generally shiny 

Metals conduct heat and electricity 

Elements on the right are non‐metals 

Non‐metals are generally dull 

Non‐metals do not conduct heat or electricity as well 

Elements in the left‐hand column are highly reactive 

Elements in the right‐hand column do not react at all. 

  

1.3. Chemical symbols Every element has its own unique chemical symbol. Some of the more common elements (starting with the lightest) are: 

H – hydrogen 

He – helium 

C – carbon 

N – nitrogen 

O – oxygen 

Na – sodium 

Al – aluminium 

K – potassium 

Fe – iron 

Cu – copper 

Au – gold 

U – uranium.      

2. Atomic structure 2.1. The nucleus 

The atomic nucleus 

Most of the mass of an atom is at the centre 

The centre is called the nucleus 

The nucleus contains protons and neutrons 

Protons are heavy, positively charged particles 

Neutrons are heavy particles with no charge 

Surrounding the nucleus are the electrons. 

  Size of the nucleus 

The nucleus contains nearly all the mass of an atom 

The nucleus is, however, 100,000 times smaller than an atom 

Most of an atom is empty space!   

2.2. Protons & neutrons Protons 

Protons are positively charged particles 

Protons are nearly 2000 times heavier than electrons 

Protons are only found in the nucleus of atoms 

The number of protons in the nucleus determines the element. 

  Neutrons 

Neutrons carry no charge 

They are ‘neutral’ 

Neutrons are almost 2000 times heavier than electrons 

Neutrons have the same mass as protons. 

  Stability in the nucleus 

Protons on their own would try to repel each other 

This is the electrostatic force of repulsion 

The neutrons help to prevent this repulsion 

Neutrons bring stability to the nucleus. 

        

Page 3: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 2  02 November 2012 

The mass of an atom 

The electrons are so light that they can be ignored in working out the mass of an atom 

The atomic mass is the number of protons + neutrons 

Protons and neutrons are called ‘nucleons’ because they are in the nucleus 

The atomic mass is therefore the number of nucleon. 

  

2.3. Electrons  Electrons are tiny and light 

They only weigh 1/2000 of the mass of a proton or neutron 

Electrons have a negative charge 

They go around the nucleus, like planets around the Sun.  

  Electrons & the nucleus 

The negative electrons are attracted to the positive protons 

This is the electrostatic force 

This force holds atoms together 

Normally, atoms are neutral 

There are equal numbers of protons (+) and electrons (‐) 

The proton number determines the element 

The electrons determine the chemical properties. 

  Electron shells 

Electrons go around the nucleus 

Electrons are arranged in layers like an onion 

These layers are called shells.  Filling shells 

Each shell only holds a certain number of electrons 

When the inner shell is full, the next shell starts to fill up and so on. 

  Electron shells in detail 

Electrons are arranged in layers called shells 

The inner shell can only hold a maximum of 2 electrons 

When this shell is full the next shell starts to fill 

This second shell can only hold a maximum of 8 electrons 

   

The third shell also can only hold 8 electrons 

The fourth shell can hold 18 electrons 

The fifth and higher shells hold more electrons. 

  Filling up the shells 

Hydrogen has 1 electron in the inner shell 

Helium has 2 electrons thus filling the inner shell 

Lithium has 3 electrons with 1 electron in the second shell 

Beryllium has 4 electrons with 2 in the second shell. 

 This continues up to neon: 

Neon has 10 electrons 

2 in the inner shell 

8 of them filling the second shell which is now full. 

 Next is sodium 

Sodium has 11 electrons 

2 in the inner shell 

8 in the second shell 

One is in the third shell and so on.    Electron shells and chemistry 

In an element the number of protons and the number of electrons are the same 

The higher elements have more electrons 

The chemical behavior of an element depends on the number of electrons in the outer shell. 

   Ions 

It is very difficult to change the nucleus of an atom  

It is fairly easy to add or remove electrons 

An atom that has lost or gained electrons is called an ion  

When electrons are removed the atom becomes a positive ion 

When electrons are added the atom becomes a negative ion. 

          

Page 4: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 3  02 November 2012 

2.4. Electron shells & chemistry The periodic table in detail 

Atomic number increases as you move along each row 

Elements in each column have similar chemical properties 

These columns are called groups 

There are essentially 8 columns or groups 

These groups are numbered using Roman numerals 

These are Group I to Group VIII.   Group I 

These are the alkali metals 

They have 1 electron in their outer shell 

This electron is easily donated to other elements to form compounds 

They are shiny, soft and highly reactive 

They react violently with water 

In water they produce hydroxides (alkalis) and release hydrogen. 

 Group II 

These are the alkaline earth metals 

They have 2 electrons in their outer shell 

They are shiny 

They are fairly reactive 

They generally react with water to form alkalis 

They react strongly with acids.   Group III 

These are called rare earth metals 

They have 3 electrons in their outer shell 

This group contains the largest number of elements 

They are chemically active.   Group IV 

Known as the carbon group 

Contain 4 electrons in their outer shell 

Therefore contain 4 vacancies in their outer shell 

They have the ability to form complex compounds 

Carbon itself is central to organic chemistry. 

       

Group V 

Also called the nitrogen group 

They have 5 electrons in their outer shell 

They therefore have 3 vacancies in their outer shell 

They do not readily form compounds but when formed they tend to be stable 

Contains metals and non‐metals.   Group VI 

Sometimes called the oxygen group 

Consists mainly of non‐metals 

They have 6 electrons in the outer shell 

They have 2 vacancies in their outer shell 

Are chemically reactive 

But not as reactive as group VII.   Group VII 

This group are called the halogens 

They have 7 electrons in their outer shell 

This means they have one vacancy in their outer shell 

They are highly reactive non‐metals 

Fluorine is its most reactive member forming very stable compounds. 

  Group VIII 

This group contains the noble gases 

They have 8 electrons in their outer shell 

They are generally chemically inert 

They do not even exist in molecular form 

They are all gases at room temperature. 

  

2.5. Atomic number & atomic mass Atomic number 

The proton number determines the element 

The number of protons is called the atomic number 

Hydrogen is the first element (atomic number: 1) 

Helium is the second element (atomic number: 2) 

Lithium is the third element (atomic number: 3) and so on. 

      

Page 5: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 4  02 November 2012 

Atomic mass 

Protons & neutrons are heavy 

Protons & neutrons are 2000 times heavier than electrons 

Nearly all of an atom’s mass is in the nucleus 

Atomic mass is the number of protons + neutrons 

Protons & neutrons are collectively called nucleons 

Nucleons are in the nucleus 

The number of nucleons gives the atomic mass of that atom. 

  Element symbols Every element has its own unique symbol, for example: 

Hydrogen is H 

Helium is He 

Lithium is Li 

Carbon is C 

Oxygen is O, and so on.   Hydrogen in detail 

Normal hydrogen has 1 proton, no neutrons 

The nucleon count for hydrogen is therefore 1 

The proton count is also 1 

The combined information for 

hydrogen is  11H  

The top number is the nucleon count 

The bottom number is the proton count. 

  Helium in detail 

Helium has 2 proton and 2 neutrons 

The nucleon count for hydrogen is therefore 4 

The proton count is 2 

The combined information for 

hydrogen is  42He  

The top number is the nucleon count (mass number) 

The bottom number is the proton count (atomic number). 

  Other detailed examples Potassium: 

Element symbol K 

Has 19 protons and 20 neutrons 

Nucleon count is 39 

Potassium is therefore  3919K . 

Sodium: 

Element symbol Na 

Has 11 protons 

Has 23 nucleons 

Sodium is therefore  2311Na . 

How many neutrons are there in sodium?   Simplifying the symbols 

Hydrogen has 1 proton 

Any atom with one proton is hydrogen 

Lithium has 3 protons 

Any atom with 3 protons is lithium 

Therefore, there is no need to state the element and the proton count. 

 

Examples: 

Hydrogen  1 11H H  

Potassium  39 3919K K  

  

2.6. Isotopes   An isotope is an element with a 

different number of neutrons 

As long as the proton count does not change it is still the same element 

Isotopes of an element behave the same in chemical reactions 

They are, however, heavier or lighter depending on the number of neutrons. 

  Isotopes of hydrogen 

Normal hydrogen has no neutrons so 

the symbol is  11H  

Some hydrogen atoms also have a 

neutron so the symbol is then  21H  

This is an isotope of hydrogen called deuterium 

It also combines with oxygen to make water H₂O 

This types of water is called ‘heavy water’ 

There is no problem drinking heavy water 

In ordinary water about 1 in 5000 water molecules is heavy. 

 

  

3. Molecules & compounds 3.1. Chemical bonds 

Atomic forces, electrons & the nucleus 

The forces holding electrons in atoms are electrostatic in nature 

The electrons are held at certain energy levels 

These energy levels are sometimes called shells  

It takes energy to remove electrons from these shells 

The closer the shell is to the nucleus, the more energy required to remove its electrons. 

Page 6: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 5  02 November 2012 

 These facts are important when considering how atoms join together with what are called “chemical bonds”.   Chemical bonds, forces and energy 

On a simple level the bonds that hold atoms together in molecules are forces 

The forces are electrostatic in nature 

They involve the arrangements of negative electrons around positive nuclei 

The bonds which hold molecules together in a solid or liquid are also forces. 

 This does not give a complete picture, however, of what is happening at the atomic level. Work (energy), force and distance are related and it is just as important to see these chemical bonds in energy terms: 

It takes energy to remove electrons from an atom 

It takes energy to break apart atoms in a molecule 

It takes energy to overcome the forces of attraction between molecules. 

  Types of bonds There are 5 types of chemical bonds. In general order of strength, these are: 

Ionic 

Covalent 

Metallic 

Hydrogen bond 

Van der Waals.   Ionic bonds 

Usually involves metallic and non‐metallic atoms 

Outer electrons from the metal atoms move to the non‐metallic atom 

The metal atoms become positively charged ions 

The non‐metallic atoms become negatively charged ions 

The outer shell of the metal ion is empty and therefore removed 

The outer shell of the non‐metallic ion becomes stable full 

Ionic compounds form crystalline solids which dissolve in a solvent to form ionic solutions 

Ionic liquids can be formed by melting ionic compounds. 

  

 Covalent bonds 

Outer electrons are shared between atoms 

The idea of ‘sharing’ is, however, rather simplistic 

These electrons spend some of their time in the outer shell of one atom and some time in the outer shell of the other atom 

Molecular oxygen and water are examples of covalent bonds. 

  Ionic & covalent bonds 

Most chemical bonds are considered to have both ionic and covalent characteristics 

Some bonds are more ionic and some more covalent  

It usually takes less energy to break covalent bonds than ionic bonds. 

  Metallic bonds 

Outer electrons in metals are not held firmly in the outer shell 

These electrons are called conduction electrons 

These electrons move easily between the positive ions of the metal lattice 

It is the forces between these electrons and the positive ions that create the metallic bond 

Metallic bonds come in a wide range of strengths depending on the metal 

The bond strength determines the melting point. 

 Metals have a large range of melting points (MP): 

Tungsten, MP 3422 °C 

Iron, MP 1538 °C 

Lead, MP 327 °C 

Mercury, liquid at room temperature (MP  ‐39 °C). 

 Resulting properties of metals: 

Free electrons result in high electrical and thermal conductivity 

They have high tensile strength 

They are ductile and malleable – the ions can be rearranged under tension or compression leading to a change of shape. 

      

Page 7: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 6  02 November 2012 

The hydrogen bond 

This is the force between a hydrogen atom in one molecule and an electronegative atom in another molecule 

The hydrogen atom is electropositive 

The hydrogen bond is weaker than the covalent bond but stronger than van der Waals force 

It is responsible for the high boiling point of water 

It is also important in the structure of DNA. 

  Van der Waals force 

This is a relatively weak force 

It acts where atoms or molecules exhibit electric dipoles 

A dipole has a positive side and a negative side 

Dipoles line up with opposite charged sides attracted to each other 

These dipoles can be natural or induced 

The force increases with molecular size 

This explains why small hydrocarbons have a low boiling point and large hydrocarbons have a high boiling point. 

  

3.2. Size of atoms & molecules The size of an atom 

An atom is not easily measured 

Heavier atoms have more electron shells and become less well defined 

A hydrogen atom is approximately 100,000 fm 

1 fm = 10ˉ¹⁵ m  

A hydrogen atom is therefore 10ˉ¹⁰ m = 100 pm 

10 million hydrogen atoms = 1 mm.   Experiment Measuring the size of an oil molecule 

Prepare a 1mm drop (sphere) of oil on a thin wire 

Fill a large tray with water 

Sprinkle talcum powder lightly over the surface of the water 

Put the oil drop in the centre of the tray 

The oil expands over the water’s surface pushing the talcum powder out of the way 

This continues until the oil is one molecule thick 

Measure the diameter of the oil disc. 

Calculation Let: 

Radius of oil drop be r 

Size of oil molecule be t 

Radius of oil disc be R.  As the volume of the oil drop is the same as the volume of the oil disc then:  

⁴/₃ π × r³ = t × π×R²  So:    t = ⁴/₃ × r³/R²  From this formula, the thickness, t, of an oil molecule can be calculated. Typically an oil molecule is 2 × 10⁻⁹ m.   Estimating the size of an atom 

The oil drop experiment gives the size of an oil molecule as 2 × 10⁻⁹ m 

Given that an oil molecule is a long hydrocarbon chain consisting of about 12 atoms, the approximate size of an atom can be calculated: 

     2 × 10⁻⁹ ÷ 12 = 1.6  × 10⁻¹⁰ m = 160 pm  This compares favourably with the previous estimate of the size of an atom (100 pm).    

3.3. Intermolecular forces  Nearly all molecules are attracted to 

each other 

The forces involved are electrostatic in nature 

There are 2 kinds of forces called cohesion and adhesions. 

  Cohesion 

Cohesion is the force of attraction of molecules of the same kind 

These forces are electrostatic in nature 

The strength of the force depends on the kind of molecule. 

 Example: water 

Water molecules ‘stick’ to each other 

There exists a cohesive force between water molecules 

This is because the water molecules exhibit an electric dipole 

The molecules arrange themselves to be attractive. 

    

Page 8: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 7  02 November 2012 

Adhesion 

Adhesion is the force between different kinds of molecules 

This force is electrostatic in nature 

The strength of the force depends on the molecules involved 

This is why glues for sticking things together are called ‘adhesives’. 

  Surface tension in liquids 

Inside a liquid the cohesive force of surrounding molecules acts in all directions 

At the surface the cohesive forces only act downwards and sideways 

The molecules at the surface want to be closer together 

This creates a ‘skin’ effect at the surface 

This ‘skin’ effect is called surface tension. 

 Surface tension in water 

This tries to pull water into a ‘blob’ 

This is why raindrops are round.   The meniscus 

The shape of the liquid surface in a container is called the meniscus. 

 The meniscus shape depends on: 

The strength of cohesion between the liquid molecules 

The strength of adhesion between the liquid molecules and the container molecules 

The meniscus shape is more noticeable in a narrow container. 

 Example 1: water in a clean glass 

Adhesion is greater than cohesion 

The water prefers to stick to the glass 

The meniscus is concave 

This means the water curves downwards from glass. 

 Example 2: mercury in glass 

Cohesion is greater than adhesion 

The mercury prefers to stick to itself 

The meniscus is convex 

This means the surface curves upwards from the glass. 

      

Example 3: water on a greasy plate 

Adhesion of water with grease is low 

Cohesion is greater than adhesion 

The water prefers to stick to itself 

The water does not stick to the greasy plate 

We say the water does not ‘wet’ the plate. 

  Capillary action 

A capillary is a narrow tube 

The meniscus shape is more curved in a capillary. 

 If adhesion is greater than cohesion: 

The liquid will climb up the tube 

This is called capillary action 

This is why water climbs up filter paper in chromatography. 

  Surfactants Surfactants are compounds that: 

Reduce the cohesive forces in a liquid 

Reduce the adhesive forces between different molecules. 

 Surfactants in washing‐up liquids 

Help water to stick to the grease 

Increase the ‘wetting’ to improve cleaning. 

 Surfactants in biology 

The alveoli are small sacs in the lungs 

The alveoli surface is wet to promote gaseous exchange 

The water has a strong surface tension that would collapse the alveoli 

Biological surfactants prevent this collapse. 

   

4. Radioactivity 4.1. Stability in the nucleus 

Neutrons and stability 

Radioactivity is a property of unstable nuclei 

Positive charges repel 

Protons in the nucleus repel 

We would expect the nucleus to fly apart 

Neutrons help to make the nucleus stable 

The higher the element, the more neutrons are needed for stability. 

    

Page 9: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 8  02 November 2012 

Some isotopes are unstable 

If a nucleus has too many or too few neutrons it can be unstable 

This means the nucleus can change into another element by emitting radiation. 

  

4.2. Radiation Nuclear radiation There are 3 types of radiation: 

Alpha particles  

Beta particles 

Gamma rays.   Alpha particles 

These are helium nuclei 

They contain 2 protons (2+) and 2 neutrons 

They are large and easily stopped 

They only travel through about 1cm of air 

They are stopped by paper or skin 

Because they have 2 protons they are highly ionizing 

Alpha particles are written as  α⁺⁺ or 

as  42He  

Note: an alpha particle is NOT an atom – it has no electrons. 

  Beta particles 

Beta particles are electrons 

They are negatively charged 

Because they only have one charge they are only slightly ionizing 

They are very small 

They will travel through 5 cm of air, paper, skin & thin aluminium 

They are stopped by thick aluminium 

The beta particle symbol is  β⁻ or e⁻.  NOTE: these electrons are being emitted from the nucleus and NOT from the electron shells surrounding the nucleus.   Gamma rays 

Part of the electromagnetic spectrum 

High frequency, highly energetic waves 

Will pass through many materials unhindered 

Only stopped by thick lead and concrete 

If they do hit an atom they energize electrons and cause ionization 

Gamma rays are therefore also ionizing radiation. 

  

4.3. Radiation & living things  Radiation can damage living tissue 

DNA and cell instructions can be damaged 

Ionizing radiation can change the chemistry in the cytoplasm. 

 The effect of alpha particles 

Alpha particles carry 2 positive charges 

They will try to grab electrons from any surrounding atoms 

Alpha radiation is highly ionizing 

Inside a living cell this can change the chemistry. 

  The effect of beta particles 

Beta particles are electrons 

They have a single negative charge 

Being small they can easily enter a cell 

They increase the number of electrons in the cell 

These will ionize atoms 

This can disrupt the workings of the cell. 

 The effects of gamma radiation 

Gamma rays are very energetic 

They can travel right through the human body without hitting anything 

If they do hit an atom they can create a cascade of excited electrons 

This can seriously disrupt the workings of cells. 

  

4.4. Detecting & measuring radiation Some workers could be exposed to high levels of radiation: 

Hospital staff using X‐ray machines 

Workers in the nuclear industry.   Measuring activity of an isotope 

Activity is the number of decays per second 

This depends on the number of radioactive atoms and the half‐life 

Activity is measured in Becquerels (Bq) 

1 Bq = 1 decay per second.   Radiation dose 

Also called absorbed dose or total ionizing dose (TID) 

It is measured as the energy received per unit mass 

The SI unit is the Gray (Gy) 

1 Gy = 1 Joule per kg of body mass 

Page 10: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 9  02 November 2012 

This is not a good indicator of the biological effect 

More information is needed on the nature of the radiation e.g. alpha, beta or gamma. 

  Detectors 

Photographic film badges 

Geiger‐Müller tube (GM tube) 

Thermoluminescent dosimeters (TLD) 

Cloud chamber.   Background radiation 

Radioactive elements occur naturally 

They are found in the air, in rocks, building materials and so on 

All radiation detectors will pick up this natural radiation 

It is called background radiation 

To a certain extent, all living things can cope with this radiation. 

  

4.5. Radioactivity & decay Radioactive decay If a nucleus is unstable then: 

The nucleus can emit radiation 

The nucleus changes into another element 

This is called radioactive decay. There are 2 types of decay process: 

Alpha decay 

Beta decay.   Alpha decay 

The nucleus emits an alpha particle (helium nucleus) 

The nucleus loses 2 protons & 2 neutrons. 

 This means: 

The atomic number goes down by 2 

The atomic mass goes down by 4.   Beta decay 

A neutron changes into a proton and 

An electron is ejected from the nucleus. 

  0n p e  

 This means: 

The atomic number goes up by 1 

The atomic mass (nucleon count) stays the same. 

    

Radioactive decay is a random process 

We cannot predict when a radioactive atom will decay 

We can measure the time for half of the atoms to decay 

This time is called the half‐life 

Different elements have half‐lives varying from a fraction of a second to billions of years. 

 Example of alpha decay Thorium decays into radium emitting an alpha particle. 

Thorium isotope:   22890Th  

Radium isotope:   22488Ra   

  228 224 490 88 2Th Ra He  

 

Example of beta decay Potassium decays into calcium emitting a beta particle. 

Potassium isotope:  4019K  

Calcium isotope:  4020Ca  

 

  40 4019 20K Ca  

Note that: 

A neutron has changed into a proton, emitting an electron 

0n p e  

 

4.6. Half‐life The random nature of radioactivity 

Radioactivity is a random process 

There is no way of knowing when one atom will decay 

The activity of a sample will however decrease with time 

While there are a lot of radioactive atoms the decay rate is high 

Once they have decayed they cannot decay again 

Slowly, the activity falls.   Half‐life 

Half‐life is the time it takes for half of the radioactive atoms in a sample to decay 

Half‐life can be measured very accurately. 

 Example: A radioactive source has a half‐life of 3 hours. If there are 28 g to begin with, how much is left after 9 hours?     

Page 11: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 10  02 November 2012 

Solution: 

After 3 hours there will be 14 g left 

After another 3 hours there will be 7 g left 

After another 3 hours there will be  3.5 g left 

Therefore, after 9 hours there will be 3.5 g.  Isotope & half‐life 

Half‐life is unique to each isotope 

It cannot be changed by temperature or pressure or anything else 

Depending on the isotope, half‐life can range from fractions of a second to billions of years. 

  Examples of half‐lives 

Lanthanum (¹³⁸La): 10 billion years 

Carbon‐14 ( 146C ): 5,700 years 

Radium (²²⁶Ra): 1,600 years 

Bismuth (²¹⁰Bi): 5 days.    

4.7. Radioactive dating Radiocarbon dating All living things contain carbon 

Normal carbon is C12 (6 protons, 6 neutrons) 

C14 is a radioactive isotope 

C14 has 6 protons & 8 neutrons 

The half‐life of C14 is 5,700 years 

Measure the C14:C12 ratio in a dead organism 

This tells you how long ago it died.  Uranium dating 

Uranium has a half‐life of 4,500 million years 

Uranium decays into lead 

Measure the ratio of lead to uranium 

From this we can calculate the age of the Earth. 

   

5. Fission 5.1. Fission 

Energy & mass 

Albert Einstein (1879‐1955) is remembered for his theories of Special and General Relativity 

The great discovery here was the relationship between mass and energy 

This is encapsulated in the formula:  

2E mc     

Where: 

Mass m has an intrinsic energy (E) within it 

And c is the velocity of light.  If 5 tonnes of matter could be converted into pure energy it would be enough to run the whole planet for a year.   Nuclear fission 

Fission means splitting apart 

If an element heavier than iron can be split into lighter elements then energy is released 

The usual candidate here is     uranium‐235 

When U‐235 is hit by a neutron it briefly comes unstable U‐236 before splitting into 2 lighter elements and releasing 3 more neutrons 

These neutrons carry kinetic energy from the reaction 

This kinetic energy can be turned into heat. 

  Fission chain reaction 

In U‐235 fission, 1 neutron in leads to 3 neutrons flying out 

The U‐235 atom splits into 2 smaller atoms releasing energy 

If these 3 neutrons can be arranged to hit further U‐235 atoms then a chain reaction is established 

Very quickly enormous amounts of energy can be released. 

  

5.2. Nuclear bombs & power stations The atomic bomb (A‐bomb) 

A critical mass of U‐235 produces fission 

A chain reaction starts 

An enormous amount of energy is released in a very short space of time. 

 Nuclear reactors 

These use U‐235 to produce fission 

The chain reaction is controlled so as to avoid a nuclear explosion 

The heat produced is used to produce steam 

The steam drives a turbine 

The turbine drives a generator 

The generator makes electricity.       

Page 12: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 11  02 November 2012 

5.3. Nuclear waste By‐products of nuclear fission 

The products of nuclear fission are the lighter elements and the extra neutrons 

The lighter elements are themselves radioactive 

They release radiation as they decay into other radioactive elements 

The half‐lives of these processes can be very long 

The process continues until stable, non‐radioactive elements are created 

This can take tens of thousands of years 

The neutrons hit other atomic nuclei and make them radioactive 

Again, a series of radioactive decays occurs 

The half‐lives of these processes can be very long. 

  Handling nuclear waste Radioactive materials with short half‐lives: 

All radioactivity produces heat 

To prevent overheating these materials must be kept cool 

They can be kept in special containers in ponds until radiation levels are acceptable. 

 Radioactive materials with long half‐lives: 

Some of these materials have half‐lives of thousands if not millions on years 

There is no clear idea what to do with them yet 

They must be kept safe for longer than the Egyptian pyramids have been standing. 

   

6. Fusion 6.1. Fusion in stars 

Hydrogen fusion 

Fusion means joining together 

A star’s energy comes from the fusion of hydrogen into helium 

The core of a star has sufficiently high temperature and pressure to overcome the mutual repulsion that protons (hydrogen nuclei) feel 

If you compare the mass of the hydrogen nuclei before with the helium nuclei after the nuclear reaction then a small amount of mass has been ‘lost’ 

This lost mass has been turned into energy in the form of heat and light 

This is the process of hydrogen fusion that goes on in stars. 

  Fusion of higher elements 

Nuclear fusion doesn’t stop with making helium 

Helium can be fused together to make higher elements 

At each stage, energy is released 

The process stops, however, with iron 

Beyond iron, it takes more energy to produce the fusion 

Inside normal stars the fusion stops at iron. 

  Creating elements beyond iron 

Elements higher than iron can only be produced in a supernova 

A supernova occurs when a star larger than our Sun reaches the end of its life 

See Section 9: Creating the higher elements. 

  

6.2. Artificial fusion Hydrogen fusion has been achieved outside stars. These are: 

The uncontrolled fusion of hydrogen in a hydrogen bomb 

Attempts at the controlled fusion of hydrogen to produce energy for electricity. 

  The hydrogen bomb (H‐bomb) 

The H‐bomb derives its additional destructiveness from hydrogen fusion 

This is achieved by first detonating an A‐bomb 

Within the core of the U‐235 is a pellet of a hydrogen compound 

The intense temperature and pressure of the fission reaction compresses the hydrogen until fusion takes place 

This increases the energy released.   Fusion power 

Hydrogen fusion uses a fusion reactor 

High temperature and pressure mimic the centre of a star 

These conditions are needed to overcome the mutual repulsion that protons (hydrogen nuclei) feel 

As helium is formed energy is released 

This energy is turned into heat   

Page 13: 10/11 Physics of Atoms Year Structure Part The · 2014-08-21 · Year 10/11 The Structure of Physics Part 8: Atoms & radioactivity Contents 1. Atoms 2. Atomic structure 3. Molecules

Part8:Atoms&radioactivity 

Rob Gough  P a g e  | 12  02 November 2012 

The heat is used to make steam that can be used to make electricity 

These devices are still in the experimental and developmental stages. 

  Types of fusion reactor There are 2 main types of fusion reactor that can create the high temperature and pressure for proton confinement: 

Magnetic confinement 

Laser confinement.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Acknowledgements I would like to thank the following people for their help and advice on the section on Chemical Bonds: 

Nick Christou – Headteacher at East Barnet School, North London 

Warwick Conway.