Jaderná fyzika

V přírodě se můžeme setkat se stabilními nuklidy nebo radionuklidy, které podléhají radioaktivitě.

Radioaktivita je schopnost některých jader vysílat záření. Přitom se jádro radionuklidu přeměňuje v jádro jiné nebo se alespoň sníží energie radionuklidu.

Radioaktivita může být přirozená (vzniká rozpadem radionuklidů běžně se vyskytujících v přírodě) a umělá (radionuklidy jsou vyrobené v laboratoři).

Přirozená radioaktivita byla objevena v roce 1896 francouzským fyzikem A. H. Becquerelem, který se zabýval výzkumem fosforescence a při použití uranové soli zjistil, že tato látka vydává záření i bez předchozího osvětlení. Z toho usoudil, že tato látka má svůj vlastní vnitřní zdroj energie. Za objev radioaktivity dostal Becquerel v roce 1903 Nobelovu cenu.

Postupně bylo zjištěno, že existuje několik druhů radioaktivního záření.

2.1. Druhy radioaktivního záření

Existují čtyři druhy radioaktivního záření. Záření α, β a γ jsou záření přírodní, záření neutronové je umělé záření.

Obr. 48 – druhy radioaktivního záření

2.1.1. Záření α

Je tvořeno proudem jader atomů helia, které se skládají ze dvou protonů a dvou neutronů. Jsou to těžké, kladně nabité částice, jejichž zdrojem jsou těžké atomy (A > 150), má velkou energii 2 až 8 MeV a je nabité, proto má značný vliv na své okolí.

Při průchodu látkami silně ionizuje atomy podél své dráhy a tím ztrácí svoji energii, až se postupně zastaví. Alfa záření je tedy ionizující záření.

Vychyluje se v magnetickém i elektrickém poli a je poměrně málo pronikavé. Neprojde listem papíru, ve vzduchu urazí jen několik centimetrů a ve vodě méně než milimetr. Nebezpečné je však v případě, pokud dochází k α rozpadu přímo v těle.

Při přeměně alfa klesne počet protonů o 2 a nukleonů o 4, vznikne tak nové jádro, které leží v periodické tabulce prvků o dvě místa vlevo vzhledem k původnímu prvku.

Obr. 49 – záření alfa

`_{Z}^{A}X \rarr _{Z-2}^{A-4}Y + _{2}^{4}α `

Příklad:

`_{88}^{226}Ra \rarr _{86}^{222}Rn + _{2}^{4}α `

2.1.2. Záření β-

Je tvořeno proudem elektronů, tedy lehkých částic s energií v desetinách MeV. Zdrojem tohoto záření jsou lehké a středně těžké atomy. Při β přeměně vzniká sice z původního radionuklidu nové jádro, ale počet nukleonů zůstává zachován.

Jedná se o ionizující záření, při svém pohybu vysílá zároveň fotony a tak se energie beta částic postupně snižuje. V porovnání s alfa částicemi se však mnohem více rozptyluje do okolí.

Vychyluje se v elektrickém a magnetickém poli, je pronikavější než α záření. Ve vzduchu proletí několik desítek metrů, ve vodě i několik centimetrů. Chránit se můžeme kovovou destičkou o tloušťce několika milimetrů.

Záření β- je proud elektronů vylétávajících z jádra. Co je na tomto tvrzení divného?

V jádře se žádné elektrony nevyskytují, vznikají při beta přeměně z neutronů, které se mění na protony.

Obr. 50 – záření beta mínus

`_{0}^{1}n \rarr _{1}^{1}p + _{-1}^{0}e^{-} + \bar ν_e`

Z rovnice je vidět, že neutron se v jádře mění na proton (zůstává v jádře), elektron (záření beta) a neutrino (odnáší část energie).

Z rovnice plyne, že počet nukleonů v jádře zůstává stejný, ale počet protonů se zvětšuje o 1. Proto nově vzniklé jádro najdeme v periodické tabulce o jedno místo vpravo.

`_{Z}^{A}X \rarr β^{-} + _{Z+1}^{A}Y `

Příklad:

`_{6}^{14}C \rarr β^{-} + _{7}^{14}N `

2.1.3. Záření γ

Záření γ je tvořeno proudem fotonů. Jedná se tedy o elektromagnetické záření velmi krátkých vlnových délek (méně než 300 pm).

Toto záření obvykle doprovází α a β záření, tím dochází ke snižování přebytečné energie jader. Samotné γ záření pouze snižuje energii jádra, nemá tedy vliv na jeho složení. S látkou interaguje vždy celý foton (může být pohlcen, rozptýlen, vyrazit z atomu elektron apod.).

Toto záření nemá náboj, proto se nevychyluje v magnetickém ani v elektrickém poli. Je velmi pronikavé, ve vzduchu uletí stovky metrů, ve vodě několik desítek centimetrů, v kovech několik centimetrů. Odstínit ho lze silnější vrstvou těžkých kovů (olovo).

2.1.4. Neutronové záření

Je tvořené proudem neutronů, neutrony nemají náboj, proto se nejedná o ionizující záření. Neutrony se brzdí pouze vzájemnými srážkami s jinými atomy. Toto záření je velmi pronikavé a pro člověka nebezpečné. Neutronové záření lze vyvolat v jaderných reaktorech nebo při jaderné explozi.

Zpomalování neutronů v prostředí závisí na hmotnosti jader, se kterými neutrony interagují. Jsou neutrony více zpomalovány v látkách s velkou nebo malou relativní atomovou hmotností?

Vypracujte do sešitu:
Jedním z přírodních radionuklidů je thorium ²³²Th. Tento radionuklid postupně podléhá následujícím přeměnám – α, β^-, β^-, α, α, α, α, β^-, β^-, α. Jaké nuklidy vznikají při jednotlivých přeměnách?

Do obrázku vyznačte (přetažením), jak se budou jednotlivé druhy záření chovat při průchodu magnetickým polem.

Obr. 51

V obrázku jsou zakresleny látky, které slouží k odstínění radioaktivního záření. Označte, před jakým druhem záření nás jednotlivé látky ochrání.

Obr. 52

2.2. Radioaktivní rozpadové řady

Radionuklid se při radioaktivní přeměně nemusí rozpadnout na stabilní jádro, ale může vzniknout další radioaktivní jádro, které se dále rozpadá. Radionuklid se tedy může na stabilní nuklid přeměňovat postupně. V této souvislosti hovoříme o radioaktivních přeměnových řadách.

Existují celkem čtyři rozpadové řady, které bývá zvykem nazývat podle radionuklidu s nejdelším poločasem rozpadu. Všechny řady jsou zakončeny stabilním izotopem, většinou olova.

Na obrázku je Uran-radiová řada. Rozpadová řada se může větvit, radionuklid se může přeměnit na dva různé podle vnějších podmínek.

Obr. 53 – záření v elektromagnetickém poli

Úkol:
V tabulkách najděte další tři rozpadové řady, zapište jejich název, výchozí radionuklidy a izotopy, který stojí na koncích rozpadových řad.

2.3. Aktivita zářiče, poločas rozpadu

Mějme 1000 jader ²³⁸U a pozorujme je 4.5.10⁹ let. Každé z těchto jader má pravděpodobnost 50%, že se rozpadne a 50%, že se během této doby nerozpadne. Zjistíme, že z původních 1000 jader se 500 jader rozpadlo a 500 zůstalo nepřeměněných.

Co se stane po uplynutí dalších 4,5.10⁹ let? Z 500 nepřeměněných jader se opět polovina rozpadne a polovina zůstane nepřeměněná.

Doba, za kterou se rozpadne právě polovina jader radionuklidu, se nazývá poločas rozpadu T.

Poločas rozpadu je pro každý radionuklid konstantou, kterou nelze žádným způsobem změnit. Některé radionuklidy mají poločas rozpadu mnoho let, jiné zlomky sekund.

Obr. 54 – poločas rozpadu

Z grafu zjistěte:

kolik jader se rozpadlo po proběhnutí tří poločasů rozpadu

kolik jader zůstalo nepřeměněných

Čím více obsahuje vzorek radionuklidu nerozpadlých jader, tím více přeměn za jednotku času nastane. Zde je vhodné zavést další fyzikální veličinu.

Aktivita zářiče A vyjadřuje počet radioaktivních přeměn za jednu sekundu.

`[A] = Bq `

Aktivita zářiče je tím větší, čím vice nerozpadlých jader vzorek obsahuje. Po uplynutí poločasu rozpadu se aktivita vzorku zmenšuje vždy o polovinu.

2.4. Zákon radioaktivního rozpadu

Stejně jako klesá aktivita vzorku, klesá i počet nerozpadlých jader.

Obr. 55 – zákon radioaktivního rozpadu

Tuto závislost můžeme vyjádřit rovnicí:

`N_t = N_0 * e^{-ln2/T * t} = N_0 * e^{- λ * t} `

Zákon radioaktivního rozpadu se dá využít například při zjišťování stáří organických zbytků (radiouhlíková metoda). Uhlík v živých organismech obsahuje stejný podíl radioaktivního uhlíku jako atmosféra. V okamžiku, kdy živý organizmus zemře, přestane výměna uhlíku s atmosférou, a protože radioaktivní uhlík se rozpadá, jeho množství v organizmu se zmenšuje. Zjistíme-li, jaká část radioaktivního uhlíku se rozpadla, víme také, jak dlouho je organizmus po smrti.

Obsah radioaktivního uhlíku ve dřevě odpovídá 86% jeho obsahu v atmosféře. Který vladař seděl při své korunovaci na trůně, který je ze dřeva vyroben?

2.5. Využití radionuklidů

Defektoskopie

Při průchodu záření látkou klesá jeho intenzita. Měříme-li zeslabení záření při průchodu vrstvou materiálu, můžeme odhalit skryté vady materiálu, opotřebení strojních součástí apod.

Obr. 56 – defektoskopie

Změna vlastností materiálu vlivem záření

Při ozáření materiálu určitým typem částic pohltí materiál tyto částice a ty pak ovlivní jeho mechanické, optické, elektrické a chemické vlastnosti. Toho se využívá při polymeraci látek, vulkanizaci kaučuku, sterilizaci lékařských nástrojů, k ošetřování potravin.

Diagnostické účely v medicíně

sledování průtoku krve

léčba revmatických chorob

léčba zhoubných nádorů

Ochrana životního prostředí

Používají se v hlásičích požárů, při sledování exhalací v ovzduší, zjišťování přítomnosti toxických látek.

Radionuklidy jako nástroj k datování

Umožňují zjistit stáří odumřelých organizmů (radiouhlíková metoda).

Zkuste odhadnout, kolik radioaktivního uhlíku se přibližně nachází v 1 kg lidské tkáně. Uhlík tvoří asi 20 % živé hmoty.

Nejstarší člověk na světě tvrdí, že je starý 120 let. Dal by se tento věk ověřit radiouhlíkovou metodou? Vysvětlete.

Odhadněte jak stará je dřevěná soška, pokud v ní zbývá jen 5 % původního množství radioaktivního uhlíku.

2.6. Ochrana před zářením

Radioaktivní přírodní pozadí je součástí přírody a my jsme neustále vystavováni jejímu působení. Jaderné záření člověku slouží. Může však také člověku škodit, proto je potřeba se před ním chránit. Všechny druhy záření rychle při průchodu prostředím slábnou. Největším nebezpečím pro člověka jsou radionuklidy, které přijme tělo, a oni se v něm rozpadají.

Zvláště nebezpečný je ¹³¹I s poločasem rozpadu 8 dní, který může poškodit štítnou žlázu. Stroncium ⁹⁰Sr se ukládá v kostech místo vápníku a například cesium ¹³⁷Cs nahrazuje v lidském těle draslík. Záření může poškodit genetickou informaci v buňkách a způsobit tak mutace i v dalších generacích. Zvláště citlivé na přítomnost radioaktivního záření jsou buňky, které se rychle množí (pohlavní buňky, plod, kostní dřeň). Na obrázku jsou zakreslené některé zdroje, kterým jsme běžně vystaveni.

Obr. 57 – ukládání radioaktivního odpadu

Pro měření radiační zátěže se používají veličiny dávka, ekvivalentní dávka a efektivní dávka.

Dávka
značka: D
jednotka: Gy ( gray)

Jestliže člověk přijme dávku 1 Gy, znamená to, že přijal energii 1 J na 1 kg hmotnosti. Těžší člověk tedy při stejné dávce absorbuje menší množství energie.

Ekvivalentní dávka
značka: H
jednotka: Sv (sievert)

Tato jednotka zohledňuje, že při stejné přijaté energii mají různé druhy záření různý dopad na lidský organizmus. Hraniční hodnota pro člověka je 5 mSv ročně, normální dávka 2 mSv a přirozené pozadí odpovídá 1 mSv.

`H = D * Q `

Q je koeficient pro druh záření, kterému byl člověk vystaven. ( γ a β záření – Q=1, pomalé neutrony - Q=2,5 a rychlé neutrony - Q=10,2, α záření – Q=20).

Efektivní dávka určuje množství záření, které za jeden rok člověk obdrží.

Jak se před zářením chránit?

vzdálení od zdroje

omezení doby ozařování

stínění

Proč mají izotopy využívané v lékařství velmi krátký poločas rozpadu?

Atomová fyzika