Radioaktivní rozpad

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Fyzikální jev Radioaktivní rozpad (též radioaktivita nebo radioaktivní přeměna) je samovolný (spontánní) proces, při kterém se nestabilní atomové jádro (tzv. radionuklid) přeměňuje na jádro stabilnější, přičemž dochází k emisi energetických částic nebo elektromagnetického záření (souhrnně ionizující záření). Tento jev je statistické povahy, což znamená, že nelze předpovědět, kdy se konkrétní jádro rozpadne, ale pro velký soubor jader lze s vysokou přesností určit, jaká část se rozpadne za daný čas. Rychlost rozpadu se charakterizuje poločasem rozpadu.

Radioaktivita byla objevena v roce 1896 francouzským fyzikem Henrim Becquerelem u solí uranu. Na jeho práci navázali Marie Curie-Skłodowská a Pierre Curie, kteří objevili další radioaktivní prvky – polonium a radium. Radioaktivní rozpad je základem mnoha moderních technologií, od jaderné energetiky přes lékařskou diagnostiku a léčbu až po datování archeologických nálezů.

📜 Historie objevů

Objev radioaktivity na konci 19. století byl jedním z klíčových momentů, které odstartovaly éru moderní fyziky.

• 1896: Francouzský fyzik Henri Becquerel při studiu fosforescence uranových solí náhodou zjistil, že tyto látky vyzařují neviditelné záření, které dokáže proniknout černým papírem a exponovat fotografickou desku. Zjistil, že intenzita záření nezávisí na vnějších podmínkách (teplota, tlak) ani na chemické formě látky, což naznačovalo, že jeho původ je v samotném atomu uranu.
• 1898: Marie Curie-Skłodowská a její manžel Pierre Curie začali systematicky zkoumat Becquerelovo záření, které Marie nazvala "radioaktivitou". Při zkoumání smolince (uranové rudy) zjistili, že je mnohem radioaktivnější, než by odpovídalo obsahu uranu. To je vedlo k hypotéze o existenci nových, dosud neznámých a silně radioaktivních prvků. V tomto roce izolovali polonium (pojmenované na počest Mariina rodného Polska) a radium.
• 1899-1903: Ernest Rutherford na základě experimentů s pronikavostí záření v magnetickém poli identifikoval a pojmenoval dva typy záření: záření alfa (α) (méně pronikavé, kladně nabité) a záření beta (β) (pronikavější, záporně nabité). V roce 1903 objevil Paul Villard třetí, ještě pronikavější a elektricky neutrální typ záření, které bylo později nazváno záření gama (γ).
• 1902: Rutherford a Frederick Soddy formulovali teorii radioaktivní přeměny, podle níž se atomy jednoho prvku spontánně mění v atomy jiného prvku. Tím byla popřena do té doby platná představa o neměnnosti chemických prvků.
• 1913: Frederick Soddy a Kazimierz Fajans nezávisle na sobě formulovali posunovací pravidla, která popisují, jak se mění protonové číslo a nukleonové číslo jádra při rozpadech alfa a beta. Soddy také zavedl pojem izotop.

⚛️ Princip a zákonitosti

Příčinou radioaktivního rozpadu je nestabilita atomového jádra, která je dána nepříznivým poměrem mezi počtem protonů a neutronů nebo celkovou velikostí jádra. Jádro se snaží dosáhnout stabilnějšího, energeticky nižšího stavu, čehož dosáhne vyzářením přebytečné energie a/nebo částic.

Zákon radioaktivního rozpadu

Radioaktivní rozpad je náhodný proces. Pravděpodobnost, že se dané jádro v daném časovém intervalu rozpadne, je konstantní a nezávisí na jeho stáří ani na vnějších podmínkách. Pro velký počet jader N lze rychlost rozpadu (změnu počtu jader dN za čas dt) popsat rovnicí:

$-\frac{\mathrm{d}N}{\mathrm{d}t}=\lambda N$

kde λ je rozpadová konstanta, charakteristická pro daný radionuklid.

Integrací této rovnice získáme zákon radioaktivního rozpadu, který popisuje exponenciální úbytek počtu nerozpadlých jader v čase:

$N(t)=N_0{e}^{-\lambda t}$

kde:

• N(t) je počet nerozpadlých jader v čase t.
• N₀ je počáteční počet jader v čase t=0.
• e je Eulerovo číslo.
• λ je rozpadová konstanta.

Poločas rozpadu

Praktičtější veličinou než rozpadová konstanta je poločas rozpadu (značka T½). Je to doba, za kterou se rozpadne právě polovina z původního počtu jader radionuklidu. Vztah mezi poločasem rozpadu a rozpadovou konstantou je:

$T_{1/2}=\frac{\ln 2}{\lambda }\approx \frac{0.693}{\lambda }$

Poločasy rozpadu se u různých radionuklidů dramaticky liší – od zlomků sekundy až po miliardy let.

• Uran-238: 4,47 miliardy let
• Uhlík-14: 5730 let
• Cesium-137: 30,17 let
• Jod-131: 8,02 dne
• Radon-222: 3,8 dne
• Polonium-214: 164 mikrosekund

Aktivita

Aktivita (značka A) je veličina popisující rychlost rozpadu. Je definována jako počet radioaktivních rozpadů za sekundu. Její jednotkou v soustavě SI je Becquerel (Bq), přičemž 1 Bq = 1 rozpad za sekundu. Stále se používá i starší jednotka Curie (Ci), kde 1 Ci = 3,7×10¹⁰ Bq.

⚙️ Typy radioaktivního rozpadu

Existuje několik základních typů radioaktivního rozpadu, které se liší vyzářenou částicí a změnou v atomovém jádře.

α Rozpad alfa

Při rozpadu alfa je z jádra emitována částice alfa, což je jádro atomu helia-4 (²⁴He), složené ze dvou protonů a dvou neutronů. Tímto procesem se nukleonové číslo (A) původního jádra sníží o 4 a protonové číslo (Z) o 2. Vzniká tak jádro nového prvku, který leží v periodické tabulce o dvě místa vlevo.

${}_Z^{A}X\to {}_{Z-2}^{A-4}Y+{}_2^4\alpha$

Příklad: Rozpad uran-238 na thorium-234.

${}_{92}^{238}\mathrm{U}\to {}_{90}^{234}\mathrm{T}\mathrm{h}+{}_2^4\alpha$

Záření alfa má silné ionizační účinky, ale velmi malou pronikavost. Lze ho zastavit listem papíru nebo několika centimetry vzduchu. Je nebezpečné pouze při vnitřní kontaminaci (vdechnutí, požití).

β Rozpad beta

Rozpad beta je proces zprostředkovaný slabou jadernou interakcí, při kterém se v jádře mění jeden nukleon na jiný. Existují tři typy beta rozpadu:

Rozpad β⁻

V jádře s přebytkem neutronů se jeden neutron (n) přemění na proton (p), přičemž je emitován elektron (e⁻, částice β⁻) a elektronové antineutrino (${\overline{\nu }}_e$). Protonové číslo Z se zvýší o 1, nukleonové číslo A zůstává stejné. Vzniká prvek posunutý o jedno místo vpravo v periodické tabulce.

${}_Z^{A}X\to {}_{Z+1}^{A}Y+e^{-}+{\overline{\nu }}_e$

Příklad: Rozpad uhlík-14 na dusík-14.

${}_6^{14}\mathrm{C}\to {}_7^{14}\mathrm{N}+e^{-}+{\overline{\nu }}_e$

Rozpad β⁺

V jádře s přebytkem protonů se jeden proton přemění na neutron, přičemž je emitován pozitron (e⁺, antičástice elektronu) a elektronové neutrino (${\nu }_e$). Protonové číslo Z se sníží o 1, nukleonové číslo A zůstává stejné. Vzniká prvek posunutý o jedno místo vlevo.

${}_Z^{A}X\to {}_{Z-1}^{A}Y+e^{+}+{\nu }_e$

Příklad: Rozpad uhlík-11 na bor-11.

${}_6^{11}\mathrm{C}\to {}_5^{11}\mathrm{B}+e^{+}+{\nu }_e$

Záchyt elektronu (EC)

Jádro s přebytkem protonů může také pohltit jeden z elektronů z vnitřní slupky elektronového obalu (nejčastěji ze slupky K). Proton se v jádře spojí s elektronem a přemění se na neutron za emise neutrina. Výsledek je stejný jako u rozpadu β⁺ – protonové číslo Z se sníží o 1.

${}_Z^{A}X+e^{-}\to {}_{Z-1}^{A}Y+{\nu }_e$

Záření beta je pronikavější než alfa, lze ho zastavit tenkým hliníkovým plechem.

γ Rozpad gama

Záření gama je vysokoenergetické elektromagnetické záření (foton). K jeho emisi dochází, když se jádro nachází v excitovaném (energeticky vybuzeném) stavu, obvykle po předchozím rozpadu alfa nebo beta. Přechodem do základního, energeticky nižšího stavu, jádro vyzáří přebytečnou energii ve formě fotonu gama. Při rozpadu gama se nemění ani protonové, ani nukleonové číslo jádra.

${}_Z^A{X}^{*}\to {}_Z^{A}X+\gamma$

Záření gama je velmi pronikavé a k jeho odstínění jsou zapotřebí silné vrstvy materiálů s vysokou hustotou, jako je olovo nebo beton.

Ostatní typy rozpadu

• Spontánní štěpení: Velmi těžká jádra (např. kalifornium-252) se mohou samovolně rozštěpit na dvě nebo více menších jader a několik neutronů.
• Emise neutronu: Jádra s velkým přebytkem neutronů (vznikající např. při jaderném štěpení) mohou emitovat jeden či více neutronů.
• Emise protonu: Extrémně vzácný typ rozpadu u jader s velkým nedostatkem neutronů.

⛓️ Rozpadové řady

Mnoho těžkých radionuklidů se nerozpadá přímo na stabilní izotop, ale prochází sérií po sobě jdoucích rozpadů alfa a beta. Tato sekvence se nazývá rozpadová řada. V přírodě existují tři hlavní rozpadové řady, které začínají u dlouhožijících izotopů a končí u stabilních izotopů olova:

• Uranová (radiová) řada: Začíná ²³⁸U a končí ²⁰⁶Pb.
• Aktiniová řada: Začíná ²³⁵U a končí ²⁰⁷Pb.
• Thoriová řada: Začíná ²³²Th a končí ²⁰⁸Pb.

Existuje i čtvrtá, neptuniová řada, která začíná u uměle připraveného ²³⁷Np a končí u ²⁰⁹Bi. Vzhledem ke kratšímu poločasu rozpadu výchozího nuklidu již v přírodě vymizela.

🌍 Výskyt a využití

Radioaktivita je přirozenou součástí našeho prostředí. Dělí se na přirozenou a umělou.

Přirozená radioaktivita

• Primordiální radionuklidy: Existují od vzniku Země. Mají velmi dlouhé poločasy rozpadu. Patří sem např. uran-238, uran-235, thorium-232 a draslík-40.
• Kosmogenní radionuklidy: Vznikají neustále v horních vrstvách atmosféry působením kosmického záření. Nejznámější je uhlík-14, který vzniká z dusíku.
• Dceřiné produkty: Jsou součástí rozpadových řad primordiálních radionuklidů. Významným příkladem je plynný radon, který může pronikat z podloží do budov.

Praktické aplikace

Znalost a využití radioaktivního rozpadu zasahuje do mnoha oborů:

• Energetika: Jaderné elektrárny využívají řízené štěpné reakce těžkých jader. Radioizotopové termoelektrické generátory (RTG) využívají teplo z rozpadu (např. plutonium-238) k výrobě elektřiny pro kosmické sondy.
• Medicína:

   *   Diagnostika: Radiofarmaka (např. s technecium-99m) se používají pro zobrazení orgánů (scintigrafie, SPECT). Pozitronová emisní tomografie (PET) využívá radionuklidy s rozpadem β⁺.
   *   Terapie: Radioterapie využívá ionizující záření (např. z kobalt-60) k ničení nádorových buněk.

• Věda a výzkum:

   *   Datování: Radiokarbonová metoda datování (pomocí ¹⁴C) se používá v archeologii. Pro datování hornin a Země se používají metody založené na rozpadech s delším poločasem (např. uran-olovo, draslík-argon).

• Průmysl:

   *   Defektoskopie: Prozařování materiálů (např. svárů) zářením gama k odhalení skrytých vad.
   *   Hlásiče požáru: Ionizační hlásiče obsahují malé množství americium-241, jehož alfa záření ionizuje vzduch v komoře.
   *   Sterilizace: Ozařování lékařských nástrojů nebo potravin zářením gama ničí mikroorganismy.

☣️ Biologické účinky

Ionizující záření produkované při radioaktivním rozpadu má schopnost vyrážet elektrony z atomů a molekul, čímž vznikají vysoce reaktivní ionty a volné radikály. V živých organismech může toto záření poškodit klíčové biomolekuly, především DNA. To může vést k mutacím, buněčné smrti nebo nekontrolovanému dělení (vzniku nádoru).

Účinky záření závisí na dávce, typu záření a citlivosti tkáně. Měří se v jednotkách Gray (Gy), která vyjadřuje absorbovanou energii, a Sievert (Sv), která zohledňuje i biologickou účinnost daného typu záření.

💡 Pro laiky

Představte si radioaktivní jádro jako popcorn v hrnci. Nevíte přesně, které zrnko praskne jako další, ale víte, že když budete hrnec zahřívat dostatečně dlouho, praskne jich zhruba polovina za určitý čas. Tento čas je "poločas rozpadu".

• **Proč se jádra rozpadají?** Některá atomová jádra jsou "přecpaná" nebo mají špatný poměr stavebních kamenů (protonů a neutronů). Jsou nestabilní, podobně jako příliš vysoká věž z kostek. Aby se stala stabilnější, "odhodí" ze sebe nějakou částici nebo energii.
• **Co z nich vylétá?**

   *   **Záření alfa (α):** Je to jako by jádro "odplivlo" poměrně velký a těžký kus (dva protony a dva neutrony). Toto záření je jako bowlingová koule – nadělá hodně škody na krátkou vzdálenost, ale zastaví ho i list papíru.
   *   **Záření beta (β):** Jádro si uvnitř přemění jeden neutron na proton (nebo naopak) a přitom "vystřelí" malý a rychlý elektron. Je to jako kulka z pistole – pronikne papírem, ale zastaví ho tenký hliníkový plech.
   *   **Záření gama (γ):** Poté, co jádro odhodí částici, je často ještě "roztřesené" a plné energie. Tuto přebytečnou energii uvolní jako neviditelný, ale velmi silný záblesk světla (záření gama). Je to jako laserový paprsek – nemá žádnou hmotnost a projde téměř vším. K jeho zastavení je potřeba tlustá zeď z olova nebo betonu.

Šablona:Aktualizováno