Radionuklid

Rozbalit box

Obsah boxu

Radionuklid, také známý jako radioizotop nebo radioaktivní izotop, je nuklid (druh atomového jádra charakterizovaný počtem protonů a neutronů), který je nestabilní. Tato nestabilita způsobuje, že radionuklid podléhá samovolné přeměně, známé jako radioaktivní přeměna (nebo radioaktivní rozpad), při které emituje energii ve formě ionizujícího záření (například záření alfa, záření beta nebo záření gama). Během tohoto procesu se radionuklid přeměňuje na jiný nuklid, který může být buď stabilní, nebo rovněž radioaktivní.

Klíčovou vlastností každého radionuklidu je jeho poločas přeměny (T½), což je doba, za kterou se přemění právě polovina z původního počtu jader daného radionuklidu. Poločasy přeměny se pohybují v obrovském rozmezí od zlomků sekundy až po miliardy let. Radionuklidy jsou přirozenou součástí životního prostředí, ale jsou také vyráběny uměle pro široké využití v medicíně, průmyslu, vědě a energetice.

📜 Historie

Objev radioaktivity je spojen se jménem francouzského fyzika Henriho Becquerela, který v roce 1896 náhodou zjistil, že uranové soli vyzařují neviditelné záření schopné proniknout černým papírem a exponovat fotografickou desku. Tento jev byl dále intenzivně zkoumán manželi Marií Curie-Skłodowskou a Pierrem Curiem.

Marie Curie-Skłodowská zavedla termín "radioaktivita" a systematicky zkoumala mnoho prvků a sloučenin. Zjistila, že intenzita záření je úměrná množství přítomného uranu a nezávisí na jeho chemickém stavu, což ji vedlo k závěru, že radioaktivita je vlastností atomového jádra. Její výzkum smolince vedl v roce 1898 k objevu dvou nových, mnohem radioaktivnějších prvků: polonia (pojmenovaného na počest její rodné země, Polska) a radia.

Další klíčovou postavou byl Ernest Rutherford, který identifikoval a pojmenoval dva typy záření – záření alfa a záření beta. Později bylo objeveno i třetí, nejpronikavější záření gama. Rutherford také formuloval teorii radioaktivního rozpadu jako procesu, při kterém se atomy jednoho prvku samovolně přeměňují na atomy jiného prvku. Tyto objevy položily základy moderní jaderné fyziky a otevřely dveře k pochopení struktury atomu.

⚛️ Definice a vlastnosti

Každý chemický prvek je definován počtem protonů (protonové číslo, Z) v jádře. Počet neutronů (N) se však může lišit. Atomy se stejným počtem protonů, ale různým počtem neutronů, se nazývají izotopy daného prvku. Souhrnný termín pro jakýkoli konkrétní typ jádra definovaný Z a N je nuklid.

• Radionuklid je jakýkoli nuklid, který má nestabilní jádro.
• Radioizotop je technicky vzato radionuklid, který je izotopem určitého prvku. V praxi se však oba termíny často zaměňují.

Nestabilita jádra je způsobena nepříznivým poměrem mezi protony a neutrony nebo přebytkem energie. Jádro se snaží dosáhnout stabilnější konfigurace prostřednictvím radioaktivní přeměny.

⏳ Poločas přeměny

Poločas přeměny (symbol T½) je základní charakteristikou každého radionuklidu. Je to statistická veličina, která udává čas, za který se počet jader v daném vzorku sníží na polovinu. Tento proces je exponenciální. Po uplynutí jednoho poločasu přeměny zbývá 50 % původních jader, po dvou poločasech 25 %, po třech 12,5 % atd.

Příklady poločasů přeměny:

• Polonium-212: 0,3 mikrosekundy
• Technecium-99m: 6 hodin
• Jod-131: 8 dní
• Kobalt-60: 5,27 roku
• Uhlík-14: 5 730 let
• Uran-238: 4,47 miliardy let

⚡ Aktivita

Aktivita (A) je mírou rychlosti radioaktivní přeměny. Udává počet jader, která se přemění za jednotku času. Základní jednotkou aktivity v soustavě SI je becquerel (Bq), který odpovídá jedné přeměně za sekundu. Starší, ale stále používanou jednotkou je curie (Ci), která je definována jako aktivita jednoho gramu radia-226 (1 Ci = 3,7 × 10¹⁰ Bq).

💥 Typy radioaktivní přeměny

Radionuklidy se mohou přeměňovat několika různými způsoby, přičemž typ přeměny závisí na struktuře jejich jádra.

Přeměna alfa (α)

Při přeměně alfa jádro emituje částici alfa, která je identická s jádrem helia (dva protony a dva neutrony). Tím se protonové číslo Z sníží o 2 a nukleonové číslo A o 4.

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

Záření alfa má vysokou ionizační schopnost, ale velmi malou pronikavost. Lze ho zastavit listem papíru nebo několika centimetry vzduchu. Je nebezpečné pouze při vnitřní kontaminaci (vdechnutí, požití). Typickým příkladem je přeměna uranu-238 na thorium-234.

Přeměna beta (β)

Přeměna beta zahrnuje změnu v jádře, při které se zachovává nukleonové číslo A, ale mění se protonové číslo Z.

• Přeměna beta minus (β⁻): Neutron v jádře se přemění na proton, přičemž je emitován elektron (částice β⁻) a elektronové antineutrino. Protonové číslo Z se zvýší o 1.

$n^0\to p^{+}+e^{-}+{\overline{\nu }}_e$

Příkladem je přeměna uhlíku-14 na stabilní dusík-14.

• Přeměna beta plus (β⁺): Proton v jádře se přemění na neutron, přičemž je emitován pozitron (částice β⁺) a elektronové neutrino. Protonové číslo Z se sníží o 1.

$p^{+}\to n^0+e^{+}+{\nu }_e$

Příkladem je přeměna fluoru-18 na kyslík-18, využívaná v pozitronové emisní tomografii (PET).

• Elektronový záchyt (EC): Jádro zachytí jeden z elektronů z vnitřní slupky elektronového obalu. Proton se spojí s elektronem a přemění se na neutron.

$p^{+}+e^{-}\to n^0+{\nu }_e$

Záření beta je pronikavější než alfa, lze ho odstínit tenkým plechem hliníku.

Záření gama (γ)

Záření gama je vysokoenergetické elektromagnetické záření (foton) emitované z jádra, které se nachází v excitovaném (energeticky vybuzeném) stavu. Emise gama fotonu nemění složení jádra (Z i A zůstávají stejné), pouze snižuje jeho energii. Často doprovází přeměny alfa a beta.

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

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

🌍 Původ radionuklidů

Radionuklidy lze rozdělit podle jejich původu do tří hlavních kategorií.

1. Primordiální radionuklidy

Tyto radionuklidy existují na Zemi od jejího vzniku. Mají velmi dlouhé poločasy přeměny, srovnatelné se stářím Země (cca 4,5 miliardy let). Jsou základem přirozeného radiačního pozadí.

• Uran-238 (T½ = 4,47 mld. let)
• Uran-235 (T½ = 704 mil. let)
• Thorium-232 (T½ = 14,05 mld. let)
• Draslík-40 (T½ = 1,25 mld. let) - přítomen v lidském těle a potravinách (např. banány).

Mnohé z nich jsou na začátku tzv. rozpadových řad, kde se postupně přeměňují přes řadu dalších radioaktivních dceřiných produktů až ke stabilnímu izotopu olova.

2. Kosmogenní radionuklidy

Vznikají nepřetržitě v horních vrstvách atmosféry interakcí kosmického záření s jádry atomů vzduchu (především dusíku a kyslíku).

• Uhlík-14 (T½ = 5 730 let) - základ radiokarbonové metody datování.
• Tritium (³H) (T½ = 12,3 roku)
• Berylium-7 (T½ = 53 dní)

3. Antropogenní (umělé) radionuklidy

Jsou vyráběny lidskou činností.

• V jaderných reaktorech: Vznikají jako produkty štěpení uranu nebo plutonia (cesium-137, stroncium-90, jod-131) nebo záchytem neutronů (plutonium-239, americium-241).
• V urychlovačích částic: Ozařováním stabilních jader svazky částic vznikají radionuklidy pro medicínské účely (fluor-18, technecium-99m).
• Při jaderných explozích: Uvolňují do prostředí velké množství štěpných produktů.

⚙️ Využití radionuklidů

Vlastnosti radionuklidů umožňují jejich široké využití v mnoha oborech.

🩺 Medicína

• Diagnostika (nukleární medicína): Pacientovi je podána látka obsahující radionuklid s krátkým poločasem přeměny. Záření emitované z těla je detekováno a vytváří obraz funkce orgánů.

   *   Pozitronová emisní tomografie (PET) využívá radionuklidy emitující pozitrony, např. fluor-18.
   *   Jednofotonová emisní výpočetní tomografie (SPECT) využívá gama zářiče, nejčastěji technecium-99m.

• Radioterapie: Cílené ozařování nádorových buněk pomocí silných zdrojů záření.

   *   Externí ozařování (teleterapie) pomocí zdrojů jako kobalt-60 (Leksellův gama nůž).
   *   Brachyterapie, kdy je zdroj záření zaveden přímo do nádoru nebo jeho blízkosti (iridium-192, jod-125).

• Sterilizace: Záření gama z kobalt-60 se používá ke sterilizaci lékařských nástrojů, které nesnesou vysoké teploty.

🏭 Průmysl a technika

• Defektoskopie: Prozařování materiálů (např. svárů) zářením gama (iridium-192, kobalt-60) k odhalení skrytých vad.
• Měření a kontrola: Měření tloušťky materiálů, výšky hladiny v zásobnících nebo hustoty kapalin.
• Ionizační hlásiče požáru: Malé množství americia-241 ionizuje vzduch v komoře; kouř naruší tento proces a spustí alarm.
• Radioizotopový termoelektrický generátor (RTG): Zdroj energie pro kosmické sondy (Voyager 1, Curiosity) nebo odlehlé pozemské stanice. Využívá teplo vznikající při rozpadu plutonia-238.

🔬 Věda a výzkum

• Datování: Určování stáří archeologických nálezů a geologických formací.

   *   Radiokarbonová metoda datování (stáří organických materiálů do cca 50 000 let).
   *   Uran-olověná metoda (stáří hornin a minerálů).

• Stopovací metoda: Sledování průběhu chemických reakcí nebo biologických procesů nahrazením stabilního izotopu jeho radioaktivním protějškem.

☣️ Biologické účinky a ochrana

Ionizující záření emitované radionuklidy může poškozovat živé tkáně tím, že narušuje chemické vazby v molekulách, zejména v DNA. Míra poškození závisí na typu a energii záření a na absorbované dávce. Účinky se dělí na:

• Stochastické: Pravděpodobnostní účinky (např. vznik rakoviny), jejichž pravděpodobnost roste s dávkou, ale nemají prahovou hodnotu.
• Deterministické: Účinky, které nastanou vždy po překročení určité prahové dávky (např. popáleniny, nemoc z ozáření). Závažnost roste s dávkou.

Ochrana před zářením (radiační ochrana) je založena na třech základních principech: 1. Čas: Minimalizovat dobu pobytu v blízkosti zdroje. 2. Vzdálenost: Maximálně zvětšit vzdálenost od zdroje (intenzita klesá s druhou mocninou vzdálenosti). 3. Stínění: Používat vhodné materiály (olovo, beton, voda) k pohlcení záření.

🔬 Pro laiky

Představte si atomové jádro jako malou věžičku postavenou z kostek (protonů a neutronů). Většina věžiček je stabilní a drží pohromadě navždy. Radionuklid je ale jako nestabilní, vratká věžička, která má špatný poměr kostek nebo jich má příliš mnoho.

Tato nestabilní věžička se dříve nebo později sama od sebe "přestaví", aby byla stabilnější. Během této přestavby (radioaktivního rozpadu) odhodí nějakou částici (například "alfa" balíček dvou druhů kostek) nebo přemění jeden typ kostky na jiný (např. neutron na proton) a vyšle přitom "beta" kostku (elektron). Téměř vždy při tom uvolní i přebytečnou energii ve formě neviditelného "gama" záblesku.

Doba, za kterou se rozpadne polovina všech takových vratkých věžiček v hromádce, se nazývá poločas přeměny. U některých radionuklidů je to zlomek sekundy, u jiných (jako je uran) miliardy let. Právě toto kontrolované "odhazování" částic a energie se využívá například v medicíně k ničení nádorů nebo k "prosvícení" těla při diagnostice.

Šablona:Aktualizováno