Radioaktivita

Mezinárodní výstražný symbol, označující radioaktivní materiál.
Nový doplňkový výstražný symbol ionizujícího záření schválený dne 15. února 2007 Mezinárodní agenturou pro atomovou energii (IAEA) a Mezinárodní organizací pro normalizaci (ISO). Klasický žluto-černý symbol radioaktivity nahrazuje jen v určitých případech.

Radioaktivita neboli radioaktivní přeměna (nepřesně radioaktivní rozpad)[pozn. 1] je jev, při němž dochází k vnitřní přeměně složení nebo energetického stavu atomových jader, přičemž je zpravidla emitováno vysokoenergetické ionizující záření.[pozn. 2]

K radioaktivní přeměně může docházet spontánním štěpením u nestabilních radionuklidů[1] nebo jadernou reakcí při kolizi s jinou částicí. Může se jednat o štěpnou reakci, při které se jádro po dopadu subatomární částice rozpadne na jádra lehčích prvků, nebo o jadernou fúzi, při které dochází naopak ke slučování lehčích jader.

Změní-li se počet protonů v jádře, dojde ke změně prvku.

Radioaktivitu objevil v roce 1896 Henri Becquerel u solí uranu. K objasnění podstaty radioaktivity zásadním způsobem přispěli francouzský fyzik Pierre Curie a Marie Curie-Skłodowská polského původu.[2]

Přirozená a umělá radioaktivita

Radioaktivita se rozděluje na radioaktivitu přirozenou a umělou.

Přirozená radioaktivita

Přirozená radioaktivita je důsledkem samovolné přeměny atomového jádra. Přirozeně radioaktivních je mnoho látek v přírodě (takové látky se pak označují jako radioaktivní látky), včetně tkání živých organismů.[3]

Umělá radioaktivita

Umělou radioaktivitu získají prvky transmutací, vlivem řetězové reakce nebo působením urychlených částic. Umělá radioaktivita je tedy podmíněna přeměnou jádra, která je způsobena vnějším vlivem, například při ostřelování částicemi alfa se jádra mohou dále samovolně přeměňovat, tedy vykazují radioaktivitu. Takováto jádra v přírodě běžně neexistují, ale byla vytvořena uměle. Zákonitosti přeměny těchto uměle vytvořených jader jsou shodné se zákony popisujícími přeměny přirozeně radioaktivních jader. Poněvadž však ke vzniku těchto jader byl nutný vnější umělý zásah, hovoří se o umělé radioaktivitě.

Jev umělé radioaktivity lze demonstrovat na následujícím příkladu. Vložení radioaktivního izotopu polonia do hliníkové nádoby vede ke vzniku pronikavého záření, které vychází z nádoby, a které neustává ani po odstranění polonia z nádoby. Hliníková nádoba se tedy působením radioaktivního polonia sama stala (uměle) radioaktivní.

Polonium je totiž přirozeně radioaktivní, přičemž při své přeměně vyzařuje částice α, které přeměňují hliník na izotop fosforu

,
,

kde označuje neutron.

Izotop fosforu je však nestabilní s poločasem přeměny . Prostřednictvím kladné přeměny beta přechází na stabilní křemík, tedy

,

kde je vyzářený pozitron a představuje neutrino.

Umělou radioaktivitu poprvé pozorovali manželé Joliot-Curie v prosinci 1933. Omylem zapomenutá hliníková fólie po pokusech s pozitrony zůstala u čítače paprsků. Na něm se později objevil nezvykle vysoký počet záznamů. Při pátrání po příčině se podařilo objevit výše zmíněnou reakci a chemicky ji dokázat. Za svůj objev byli oba objevitelé oceněni Nobelovou cenou.

Zákon radioaktivní přeměny

Vlastnosti radioaktivní přeměny lze zkoumat pomocí statistických metod.

Předpokládejme, že za časový interval dojde k přeměně atomů radioaktivní látky. Počet přeměněných atomů je úměrný počtu částic v daném časovém okamžiku, který se označí . Tuto úměru lze vyjádřit vztahem

,

kde je přeměnová konstanta, která charakterizuje předpokládanou rychlost přeměny radionuklidu. Znaménko souvisí s tím, že s rostoucím časem dochází k poklesu okamžitého počtu částic.

Integrací předchozího vztahu je možné počet částic v čase vyjádřit jako

,

kde představuje počet částic v čase . Tento vztah se označuje jako zákon radioaktivní přeměny.

Pro praktické využití je vhodnější využít úměry mezi počtem částic a jejich celkovou hmotností, hmotností radioaktivního vzorku . Předchozí vztah pak lze přepsat ve tvaru

,

kde je počáteční hmotnost radioaktivního vzorku a je jeho hmotnost v čase .

Poločas přeměny

Podrobnější informace naleznete v článku Poločas přeměny.

Doba, za kterou dojde k rozpadu poloviny z původního počtu atomů radionuklidu, se označuje jako poločas přeměny . Počet částic po uplynutí této doby je , čímž vznikne pro poločas přeměny vztah

Střední doba života

Další veličinou charakterizující radioaktivní přeměnu je střední doba života , což je čas, po němž klesne původní počet atomových jader na hodnotu . Střední doba života má hodnotu

Aktivita (radioaktivita)

Rychlost radioaktivní přeměny charakterizuje fyzikální veličina aktivita (radioaktivita) , která se definuje vztahem

Dosazením z předchozích vztahů dostaneme

,

kde označuje aktivitu v počátečním čase a je aktivita v čase . Aktivita, tedy rychlost rozpadu, klesá s časem.

Jednotkou aktivity je becquerel (Bq), případně curie (Ci).

Druhy vznikajícího záření

Záření, které při radioaktivním přeměně vzniká, je zpravidla tří druhů:

  • Kromě těchto částic mohou při radioaktivních přeměnách, zejména některých uměle připravených nuklidů, být emitovány neutrony nebo protony (jednotlivě nebo ve dvojici[pozn. 3]). Proud elektricky neutrálních neutronů[pozn. 4] pohltí např. materiály bohaté na vodík (tlustá vrstva vody, uhlovodíky jako ethylen, parafín či organické plasty), bor (karbid boru, voda s kyselinou boritou), nebo tlustá vrstva betonu. Proud protonů má pronikavost mezi zářením alfa a beta.
  • Některé uměle připravené nuklidy se přeměňují spontánním štěpením (zpravidla doprovázeným emisí jednoho či více neutronů) nebo emisí „klastru“ nukleonů, např. jádra uhlíku-14 či neonu-24 (tyto přeměny již byly pozorovány u více než 20 nuklidů s emisí klastru více než 10 různých druhů). Odštěpky i klastry mají velmi silnou ionizační schopnost, a proto nižší pronikavost než záření alfa.

Rozpadové řady

Kvantová mechanika umožňuje pro každý izotop spočítat pravděpodobnost, že jádro se v daném časovém intervalu přemění. Pro větší množství látky z toho lze určit poločas přeměny, kterým se charakterizuje rychlost přeměny. Udává, za jak dlouho se přemění právě polovina jader ve vzorku. U těžkých prvků jsou produkty rozpadu rovněž nestabilní a přeměňují se dále. Tento proces popisuje přeměnová rozpadová řada.

Zajímavosti

  • Radioaktivní přeměna poskytla první důkaz toho, že zákony řídící subatomový svět mají ryze stochastický charakter.
  • Neexistuje vůbec žádný způsob, jak předpovědět, jestli dané jádro ze vzorku bude tím, které se přemění v následující sekundě. U všech jader je tato pravděpodobnost stejná bez jakéhokoliv ohledu na jejich minulost. Tedy např. pravděpodobnost rozpadu právě vzniklého jádra uranu je zcela stejná jako pravděpodobnost rozpadu jádra uranu z přírodní směsi, vzniklého před miliardami let a staršího než planeta Země. Tato skutečnost se někdy přirovnává k hypotetické situaci, kdy by lidé neumírali stářím a jejich smrt by byla způsobována pouze nešťastnými (tj. náhodnými) událostmi.

Odkazy

Poznámky

  1. U radioaktivní přeměny beta prostřednictvím záchytu elektronu nebo u inverzní přeměny beta se nejedná o rozpad, ale jde v podstatě o jadernou reakci, do které vstupuje jádro a další částice.
  2. U radioaktivní přeměny beta prostřednictvím záchytu elektronu není emise záření součástí vlastní radioaktivní přeměny, ale až následných změn v elektronovém obalu jádra.
  3. 5 protonů emitovaných při rozpadu uměle připraveného izotopu dusíku 9N jsou ve skutečnosti postupně vyzářený jeden proton, poté pár protonů a nakonec další pár protonů.[4]
  4. V souvislosti s radioaktivním rozpadem se u emise neutronů zpravidla nepoužívá pojem „neutronové záření“. Velkou produkcí emitovaných neutronů (neutronovým zářením) jsou však doprovázeny štěpné jaderné reakce, ale u nich se zase nehovoří o neutronové radioaktivitě, i když část emitovaných neutronů má prokazatelně zpožděný vznik a proto pochází až z radioaktivního rozpadu odštěpků.

Reference

  1. Ullmann, V. Jaderná a radiační fyzika - Radioaktivita. [cit. 2015-07-16] http://astronuklfyzika.cz
  2. Curie-Sklodowská Marie Archivováno 8. 6. 2012 na Wayback Machine. techmania.cz
  3. Radiouhlíkové datování: jak funguje nejrozšířenější datovací metoda [online]. Atom, 2012-11-19 [cit. 2015-02-19]. Dostupné online. 
  4. HOUSER, Pavel. Objevili dusík-9, izotop s pouhými 2 neutrony. SCIENCEmag.cz [online]. Nitemedia s.r.o., 2023-11-02 [cit. 2023-11-02]. Dostupné online. 

Související články

Externí odkazy

Média použitá na této stránce

Logo iso radiation.svg
The new supplementary ionizing radiation warning symbol launched on 15 February 2007 by the International Atomic Energy Agency (IAEA) and the International Organization for Standardization (ISO). Contains radiating waves, a skull and crossbones and a running person, on a red triangle.
The symbol is intended to be used inside equipment housings, as a warning to stop dismantling a device and get away from it. The symbol is not intended to be visible during normal use of the equipment. It is also not intended for use on building doors or walls, vehicles, or transportation containers.

For further information, see the 2007 press-release New Symbol Launched to Warn Public About Radiation Dangers Archived and PDF file depicting the symbol: http://www.iaea.org/NewsCenter/News/PDF/newradsymbol.pdf - Archived Link.
Radioactive.svg
Internationally recognized symbol. Warning sign of Ionizing Radiation.