Transcript Radioaktivita

Radioaktivita
(Učebnice strana 128 – 130)
Přelom let 1895–1896 byl pro rozvoj moderní fyziky opravdu výjimečný:
V prosinci 1895 objevil německý fyzik W. C. Röntgen zcela nový druh
záření, který nazval paprsky X (rentgenové záření). Jeho objev vzbudil
obrovský zájem a mnoho vědců se paprsky X začalo důkladně zabývat.
Jedním z nich byl francouzský fyzik Henry Becquerel,
který se domníval, že by mohlo jít o nějaký nový druh
luminiscence.
Už v únoru pozoroval, že
krystalky sluncem ozářené
uranové soli způsobí
zčernání fotografické desky.
Zdálo se, že se jeho
domněnka potvrdila a že
pronikavé záření uranu je
způsobeno jeho osvětlením.
Zanedlouho však zjistil, že uranová sůl vydává záření „sama od sebe“
i v případě, že nebyla vůbec osvětlena! Následující horečný výzkum
potvrdil, že se jedná o zcela nový druh záření, odlišný od luminiscence
i od paprsků X – Becquerel objevil radioaktivitu. V květnu 1896
napsal:„Za schopnost vydávat pronikavé záření nemůže ani fluorescence,
ani fosforescence, nýbrž uran sám o sobě. Tato vlastnost uranu
vůbec nezávisí na jeho fyzikální či chemické formě…“
Objev radioaktivity znamenal konec starých představ o nedělitelnosti
atomů a otevřel novou kapitolu výzkumu mikrosvěta.
V přírodě se vyskytují atomy, jejichž jádra jsou nestabilní a samovolně
se přeměňují na jádra jiných prvků za vzniku neviditelného
ionizujícího (radioaktivního) záření. Tento proces je označován jako
přírodní radioaktivita (ve starší literatuře se nazývá „přirozená“).
Pramen léčivé radonové
vody používané
v radioaktivních lázních je
výsledkem prosakování
srážkové vody vrstvami
hornin bohatých na uran.
Radioaktivními se však mohou stát
i původně stabilní jádra ozařováním,
například v jaderném reaktoru.
V tom případě se jedná o umělou
radioaktivitu. Nestabilní jádra,
která se rozpadají, se nazývají radionuklidy, případně radioizotopy.
Mají různé vlastnosti: mohou být přírodní nebo umělé, mohou se
rozpadat rychleji nebo pomaleji, vydávají záření různého druhu a toto
záření může mít různou intenzitu a pronikavost.
Pojmem ionizující záření rozumíme taková záření, která ionizují
prostředí, jímž procházejí. Patří sem záření vznikající rozpadem
radioaktivních látek alfa (α), beta (β) nebo gama (γ), rentgenové záření
vznikající dopadem urychlených elektronů na kovovou anodu rentgenky,
záření vyvolané částicemi urychlenými v urychlovačích nebo neutronové
záření, pocházející například z jaderného reaktoru nebo z některých
jaderných reakcí.
Radioaktivita je vyzařování jaderného záření nestabilními jádry atomů.
Radionuklidy se samovolně přeměňují na nuklidy jiné.
Kromě přirozených radionuklidů lze vyrábět i radionuklidy umělé.
Ionizující záření je všude kolem nás a jsme mu vystaveni po celý život.
Toto záření pochází z přírodních zdrojů - z kosmického prostoru, ze
zemské kůry, ze vzduchu i z potravin. Před kosmickým zářením nás
částečně chrání atmosféra. Zemská kůra obsahuje různé koncentrace
radioaktivních prvků (uran, thorium, radium), jsou v uhlí, ropě apod.
Rozpadem radia vzniká plyn radon, který z půdy proniká do budov a
pitné vody.
Kromě záření z přírodních zdrojů na náš organismus působí také
záření ze zdrojů, vytvořených člověkem. K nim patří televizní a
počítačové obrazovky, spalování fosilních paliv, zařízení na využívání
jaderné energie, pokusné atomové výbuchy, lékařské aplikace aj.
Z umělých zdrojů k našemu ozáření
přispívají nejvíce lékařské aplikace, tj.
rentgenová a CT vyšetření, používání
radionuklidů v diagnostice nebo léčení
nádorových onemocnění ozařováním.
Na obrázku je znázorněno, jak se
jednotlivé zdroje podílejí na celkové
dávce záření, které na nás působí.
Druhy záření radioaktivních látek
Záření alfa ()
Toto záření vydává většina přírodně radioaktivních izotopů. Jsou to
prudce letící kladná jádra helia 42 He (heliony). Původní jádro
radionuklidu ztratí dva protony a dva neutrony a vznikne jádro nového
prvku. V periodické tabulce je posunutý o dvě místa doleva. Záření α
silně ionizuje prostředí, kterým prochází a dá se snadno odstínit, např.
listem papíru. K nejznámějším zdrojům záření alfa patří rádium, které
objevila v roce 1898 Marie Curie-Sklodowská.
226
88
Ra
222
86
Rn He
4
2
222
226
86
88
Rn
Ra
Jádro radia se mění v jádro radonu.
Záření  je nebezpečné tehdy, když se dostane do těla například
v potravě nebo při vdechnutí. Proto je nebezpečné vdechování
radioaktivního plynu radonu, který de hromadí v nevětraných
prostorech budov a je zdrojem záření alfa.
4
2
He
Záření beta (β)
Záření β− je tvořeno proudem záporných elektronů e−, vznikajících
v jádře radioaktivního prvku. Dochází k tomu při přeměně neutronu na
proton. Nové jádro má přibližně stejnou hmotnost jako původní, jeho
kladný náboj je však o jednotku větší. V periodické tabulce je
posunuté o jedno místo doprava. Záření β má větší pronikavost než
záření α, lze ho odstínit tenkým hliníkovým plechem nebo vrstvou
14
14
vzduchu o tloušťce 1 metr.
e
N
C
14
6
C N    v~e
14
7

Posun nového prvku o jedno místo dopředu
při vyzáření záporného elektronu původním
prvkem.
Při přeměně β− se uvnitř jádra mění
neutron na proton, uvolní se elektron
a antineutrino
~
n11p01e00v
e
1
0
76
v~
1
0
n
1
1
p
e
v~
Neutrino a antineutrino jsou elementární částice ze skupiny leptonů.
Neutrino vzniká při jaderných reakcích, které zahrnují beta rozpad. Jeho
hmotnost je velmi malá ve srovnání s většinou elementárních částic,
avšak poslední experimenty ukazují, že je nenulová. Jeho elektrický náboj
je nulový, nepůsobí na něj ani silná ani elektromagnetická interakce, ale
jen slabá interakce a velmi málo také gravitace. Nereagují proto prakticky
vůbec s okolním prostředím a je velmi obtížné je detekovat. Jde o stabilní
částice – nepodléhají tedy samovolnému rozpadu.
Kromě záření β− může při radioaktivních přeměnách vznikat i záření β+,
které je tvořeno proudem kladných pozitronů (antičástice k elektronům).

1
1
Dochází k tomu při přeměně protonu na
e
p
1
0n
neutron. Nové jádro má přibližně stejnou
v
hmotnost jako původní, jeho kladný náboj
1
1
0
0
p

n

e

je však o jednotku menší. V periodické
1
0
1
0 ve
tabulce je posunuté o jedno místo doleva.
Při přeměně β+
e
se uvolní
v
se pozitron
30
30
30

Si
P
P

Si


 ve
14
15
15
14
a neutrino.
Záření gama (γ)
Záření γ je velmi pronikavé elektromagnetické záření,
které nenese žádný elektrický náboj. Nevzniká jiný
izotop, jádro pouze ztratí část své energie. Toto záření se
dá odstínit vrstvou olova. Často se používá k podobným
účelům jako rentgenové záření, protože má podobné
vlastnosti.
V současnosti má velký význam neutronové záření, které nevzniká
u radionuklidů, ale lze je vyvolat uměle v jaderných reaktorech nebo
při jaderné explozi. Spočívá ve výrobě umělých nuklidů, které se potom
dále přeměňují stejně jako při přirozené radioaktivní reakci. První takový
umělý nuklid byl připraven ozařováním hliníku částicemi alfa v roce
1
4
27
1934.
n
He
Al4 He30 P 1n
13
2
15
0
2
0
Vzniklý fosfor je radioaktivní
27
30
a při přeměně uvolňuje pozitrony (záření ).
P
13
15Al
Proud rychle letících neutronů má vysokou
pronikavost, protože nenese elektrický náboj.
K ochraně před neutrony je třeba volit materiály, obsahující vodík a
jádra lehkých prvků - voda, parafin, beton, které záření dobře pohlcují
Průchodem radioaktivního záření látkou se část záření v materiálu
pohlcuje, dochází k jeho absorpci. Energie záření se přitom mění na
jinou energii, např. na teplo.
Záření alfa (α) je tvořeno jádry helia, je nejméně pronikavé, zastaví ho
list papíru. Nebezpečné při vdechnutí.
Záření beta (β) je tvořeno pozitrony nebo elektrony, je pronikavější než
záření α, zastaví ho hliníkový plech.
Záření gama (γ) je krátkovlnné elektromagnetické záření, zastaví ho
vrstva olova.
Neutronové záření vzniká v jaderných bombách a v reaktorech, je
nejpronikavější, zastaví ho vrstva vody nebo betonu
záření



neutronové
papír
hliník
olovo
voda
(beton)
Jednotlivé druhy záření se chovají různě v elektrickém a magnetickém
poli. Například v homogenním magnetickém poli je záření α a β+
vychylováno jedním směrem, záření β− směrem opačným a na záření γ
a neutrony magnetické pole vůbec nepůsobí.
záření +
záření 
záření 
záření 
neutronové
záření
Při přeměnách radionuklidů vzniká
radioaktivní (ionizující) záření, tento
děj vystihuje zákon radioaktivní
přeměny. Rychlost radioaktivních
přeměn udává veličina poločas
přeměny T. Je to doba, za kterou se
rozpadne právě polovina jader
sledovaného izotopu. Ze zbývající
poloviny se za další poločas přeměny
rozpadne opět polovina jader atd.
Některé izotopy mají poločas přeměny
velmi dlouhý (např. pro rádium je to
1 590 roků), jiné se rozpadají téměř
okamžitě, během zlomku sekundy.
Poločas přeměny T je pro konkrétní
radionuklid stálou a charakteristickou
veličinou – nejde ovlivnit žádnou
změnou vnějších podmínek (tlak,
teplota, změna skupenství apod.).
Prvek
tritium
helium
beryllium
uhlík
síra
draslík
kobalt
jód
bismut
polonium
radon
francium
radium
thorium
uran
plutonium
Izotop
3
H
6
He
8
Be
11
C
14
C
35
S
40
K
60
Co
131
I
209
Bi
212
Po
219
Rn
220
Rn
222
Rn
223
Fr
226
Ra
228
Ra
223
Th
232
Th
235
U
238
U
239
Pu
Poločas rozpadu
12, 36 let
0,82 sekund
6, 7 · 10-17 s
20 minut
5 730 let
87, 5 dní
1, 26 miliard let
5, 27 let
8 dní
cca 1, 9 · 1019 let
0, 3 µs
3,92 s
54,5 s
3,82 dne
22 minut
1 622 let
6,7 roku
0, 9 s
14, 05 miliard let
710 milionů let
4, 468 miliard let
24 110 let
Po uplynutí jednoho poločasu rozpadu
zůstane jen jedna polovina původních jader,
po druhém jedna čtvrtina, po třetím jedna
osmina atd. Jádra radioaktivního nuklidu
nikdy nezaniknou veškerá, avšak nuklid lze
považovat za ,,vymřelý‘‘ po uplynutí
desátého poločasu rozpadu (tj. přítomna
jen 1/1024 původních jader).
Doba, za kterou se přemění právě polovina z celkového počtu jader
radionuklidu, je poločas přeměny.
Příklady:
1) Kolik gramů radia zbude po 1620 letech, když na počátku je
200 g tohoto radionuklidu? Poločas rozpadu je 1620 let.
Poločas rozpadu je 1620 let, tzn. za tuto dobu se rozpadne polovina
jader.
1
z 200 g  100 g
2
Za 1620 let zbude tedy 100 g radia.
2) Kolik gramů radia zbude z 200 g po 3 240 letech a kolik ho
bude po 13 000? Poločas rozpadu je 1620 let.
Poločas rozpadu je 1620 let, tzn. za tuto dobu se rozpadne polovina
jader.
1
z 200 g  100 g
2
Za 1620 let zbude tedy 100 g radia. Za dalších 1620 let se
rozpadne polovina ze zbývajících jader. 1
z 100 g  50 g
2
Za 3240 let zbude 50 g radia.
Za 13 000 let proběhne 8 poločasů rozpadu.
13000 : 1620  8
1
1
1
z 200 g  100 g
z 50 g  25 g
z 100 g  50 g
2
2
2
1
1
1
z 25 g  12,5 g
z 12,5 g  6,25 g
z 6,25 g  3,125 g
2
2
2
1
1
z 3,125 g  1,5125 g
z 1,5125 g  0,76 g
2
2
Za 13 000 let zbude z 200 g radia asi 0,76 g.
3) Poločas rozpadu radioaktivního nuklidu fosforu je 14 dní. Kolik
procent se rozpadne za 42 dní?
Jestliže je poločas rozpadu 14 dní, znamená to, že po prvních 14 dnech
se polovina jader přemění na jiný nuklid a polovina jader se nezmění.
Nepřeměněná tedy zůstává jedna polovina z původního počtu, tj. 50 %.
Za dalších 14 dní (tzn. celkem 28 dní) se polovina z dosud
nepřeměněného množství přemění a druhá polovina zůstává
nepřeměněna. Nepřeměněná tedy zůstává jedna čtvrtina z původního
počtu, tj. 25 %.
Za dalších 14 dní (tzn. celkem 42 dní) se polovina z dosud
nepřeměněného množství přemění a druhá polovina
zůstává nepřeměněna. Nepřeměněná tedy zůstává jedna
osmina z původního počtu, což činí 12,5 %.
Jestliže po 42 dnech zůstává nepřeměněno 12,5 %
z původního počtu, znamená to, že se rozpadlo 87,5 %.
Za 42 dní se rozpadne 87,5 % radioaktivního nuklidu fosforu.
Přírodně radioaktivní jádra se postupně přeměňují na jiné radioizotopy..
Existují 3 přírozené rozpadové řady, které mají na svém počátku
nuklidy 238U, 235U a 232Th a jsou zakončeny stabilním nuklidem olova.
Jediná umělá rozpadová řada začíná nuklidem 237Np a končí 239Bi.
Základní rozpadové řady:
 uranová, začínající uranem 238U a končící olovem 206Pb
 aktinuranová, začínající uranem 235U a končící olovem 207Pb
 thoriová, začínající thoriem 232Th a končící olovem 208Pb
 neptuniová (umělá), začínající neptuniem 237Np a končící thalliem 205Tl
Radium a radon v přírodě neustále vznikají při radioaktivních přeměnách,
proto nemohou z přírody vymizet. Některé radionuklidy vznikají vlivem
kosmického záření. I živé organismy obsahují radionuklidy (např. 40K, 14C).
Otázky a úlohy k opakování – učebnice strana 131.