Radioaktivita

Z Enpedie
Přejít na: navigace, hledání


Obsah

Historie

Vlastnost nestabilních jader atomů se samovolně rozpadat (přeměňovat) za vzniku jader s menší energii. Uvolněná energie se vyzáří ve formě záření. Obecně platí, že míra nestability jader stoupá s velikostí jádra a počtem neutronů. Schopnost jádra se rozpadat předpověděl a na základě výsledků zkoumání solí uranu posléze prokázal H. Becquerel v roce 1896. Pozorované záření pojmenoval jako Becquerolovo záření. Podrobně se zkoumáním radioaktivity zabývali a objasnili chování jádra včetně popisu záření manželé F. a M. Curie v roce 1898.

Druhy radioaktivního záření

Záření α

Záření α odpovídá proudu ionizovaných jader helia - ++ (původní označení α-částice/ záření α se v praxi běžně používá). Jedná se hmotnou částici, která nese kladný elektrický náboj. Při průletu záření hmotným prostředím (vzduch) silně ionizuje atomy v okolí dráhy a ztrácí energii. Dráha doletu záření ve vzduchu v závislosti na energii se pohybuje v jednotkách centimetrů, ve vakuu v desítkách a více centimetrů, neprochází hmotou s vyšší hustotou, např. papír, Typickými emitory záření alfa jsou izotopy těžkých prvků (uranu, thoria, protaktinia dalších).

V praxi se často používá označení mateřský a dceřiný izotop. Jádro dceřiného izotopu může být stabilní nebo nestabilní a dále se měnit emisí záření alfa, beta nebo gama (izomerním přechodem, záchytem elektronu) nebo kombinací (viz záření beta).

Záření β

Záření β odpovídá proudu z jádra emitovaných nehmotných nabitých částic nesoucích záporný (β- elektron), resp. kladný (β+ positron) náboj. Při průletu záření hmotným prostředím (vzduch) dochází ke slabé ionizaci atomů v okolí dráhy a ztrátě energie;dráha doletu záření ve vzduchu se tak pohybuje v jednotkách metrů, neprochází hmotou s vyšší hustotou nebo tloušťkou, např. 1 cm plexiskla (avšak 1 mm olova).

Jádro dceřiného izotopu může být stabilní nebo nestabilní a dochází ke kaskádě přeměn – rozpadové řadě – odkaz na uranové, thoriovou případně neptuniovou řadu.

Záření γ

Záření γ odpovídá elektromagnetickému záření (toku fotonů) o vysoké frekvenci vlnění (energii). Nenese elektrický náboj, nereaguje na elektrické pole, vyznačuje se vysokou pronikavostí ve hmotném prostředí. Vlastnostmi se podobá světelnému záření. Pro odstínění je nezbytné používat materiály (kovy) vysoké hustoty v kombinaci s sílou vrstvy. Stínící schopnost materiálu se charakterizuje t. zv. polovrstvou - síla vrstvy materiálu zeslabující intenzitu záření na polovinu. Záření gama ve většině případů doprovází emisi záření alfa (beta, neutronů). Energie záření odpovídá přechodů mezi orbity uvnitř jádro.


Neutronové záření

Záření neutronů odpovídá proudu neutronů. Nenese elektrický náboj, nereaguje na elektrické pole, vyznačuje se vysokou pronikavostí ve hmotném prostředí. K odstínění se zpravidla používají silné vrstvy betonu, resp. v případě malých zdrojů plastové profily plněné sloučeninami prvků s vysokými absorpčními průřezy pro neutrony (bor, grafit, kadmium gadolinium). Neutronové záření aktivuje jádra atomu materiálu stínění za vzniku „umělě“ připravených radioaktivních izotopů. Zdroje neutronového záření, s výjimkou spontánního štěpení těžkých jader se v přírodě nevyskytují a připravují se uměle.

Kvantifikace aktivity

Radioaktivita je chápána jako vlastnost materiálu. Základní jednotkou aktivity v soustavě SI je Becquerel (Bq) definovaný jako jedna přeměna (rozpad) za sekundu. Ve starší literatuře se uvádějí jednotky Ci (Curie, 1 Ci = 3,7×1010 Bq a odpovídá aktivitě 1 g radia-226 ) a dpm (počet přeměn za minutu).

Radioaktivní přeměnou „končí život mateřského jádra“, současně vzniká jádro nové často označované jako „dceřiné“. Počet přeměn (dN) z celkového počtu atomů (N) za jednotku času (dt) se vyjadřuje přeměnovou konstantou (λ), případě praktičtějším způsobem - poločasem přeměny (T1/2) – doba, za kterou se rozpadne polovina mateřského izotopu. Mezi proměnnými platí vztah λ = ln (2)/T1/2, resp. pro aktivitu A = λ.N. Prokázáno, že přeměna jader atomů se řídí jen zákony počtu pravděpodobností s Poissovým (četnost n < 100), resp. Gaussovým (n > 100) rozdělením. Pro závislost aktivity izotopu v čase byl odvozen vztah At=A0.e-λΔt - označovaný jako základní kinetický zákon popisující radioaktivní přeměnu. Poločas přeměny je charakteristickou konstantou izotopu a jeho hodnoty se pohybují od zlomků sekundy do miliard let. Poskytuje primární informaci o době života radionuklidu. Z praktického hlediska má opodstatnění informace o měrné aktivitě zářiče vyjádřené poměrem celkové aktivity a hmotnosti (objemu) zářiče (Bq/g, Bq/kg, Bq/l).

Přirozené radionuklidy

V přírodě se vyskytuje velmi omezený soubor tzv. primárních radionuklidů, tj. nuklidů, které vznikaly společně se stabilními prvky při vzniku Země. Do současné doby „přežily“ jen izotopy s velmi dlouhými poločasy přeměny (T1/2 >10e8 let).1,3 Typickými příklady jsou primární izotopy (mateřské) dále uvedených řad. Sekundární (dceřiné) izotopy jsou zpravidla radioaktivní a dále se rozpadají.

Přírodní rozpadové řady

  • thoriová ( -T1/2 1,4×1010 let, výskyt v přírodě – monazitové písky, obsah v zemské kůře 8-12 mg/kg)
  • uranová: aktiniová (T1/2 7,038•108 let, zastoupení izotopu v uranu 0,72 %, základní palivo jaderných reaktoru)
  • uranová: uran-radiová (T1/2 4,468•109 roku, zastoupení izotopu v uranu 99,275 %, potenciální palivo rychlých reaktorů). Průměrný obsah uranu v zemské kůře je cca 0,0003% a jeho rozložení je značně nerovnoměrné. Odhadované největší zásoby se nacházejí v Kazachstánu (33% těžby), Kanada (18%), Austrálie (11 %) a v minulosti i ČR.

Dalšími typickým radionuklidem je draslík-40 (T1/2 1,26•109 let, zastoupení izotopu v draslíku 0,012 %), přeměnou beta přechází na argon-39, resp. K-záchytem na vápník-40. Kromě uvedených se v literatuře uvádí široká škála dalších izotopů (48Ca, 64,70Zn, 76Ge, 82Se, 87Rb, 92,100Mo, 116Cd, 124Sn, 123Sb, 136,142Ce, 144,145,150Nd, 147-149Sm, 152Gd, 156Dy, 165Ho, 180,182,183,186W, 192Os, 190,192,198Pt, 196Hg, 209Bi. s poločasem přeměny 1014 - 1018 let, avšak věrohodnost informací může být problematická.

Kosmogenní radionuklidy

Jsou přírodní radionuklidy, které průběžně vznikají jadernými reakcemi při průchodu sekundární složky kosmického záření zemskou atmosférou. Patří sem především významné radioaktivní izotopy 14C a tritium 3H, ve velmi malých množstvích vznikají i některé další kosmogenní radionuklidy - např. 7,10Be, 32P, 35S, 36Cl. Přírodní radionuklidy se využívají pro datování stáří geologický matriálů. Metoda je založena na platnosti kinetického zákona radioaktivní přeměny. V následující tabulce je uveden přehled vybraných datovacích metod. Uhlíková radiometrická metoda nalezla široké uplatnění pro datování organických materiálů v obecném pojetí (dřevin, kostí, hodnocení biomasového paliva apod.).

V posledním období se literatuře objevují zpochybňují názory na kinetického zákona – poločas přeměny není konstantní a hodnota závisí na vzdálenosti Země od Slunce – obrazně řečeno v zimě se stárne pomaleji.


Prvek Názvy prvků Poločas přeměny
1 147Sm-143Nd Samarium-Neodyn 106 E10 9 let
2 87Rb-87Sr Rubidium-Stroncium 48,8 E10 9 let
3 187Re-187Os Rhenium-Osmium 41,6 E10 9 let
4 176Lu-176Hf Lutetium-Hafnium 38 E10 9 let
5 232Th-208Pb Thorium-Olovo 14 E10 9 let
6 238U-206Pb Uran-Olovo 4,47 E10 9 let
7 40K-40Ar Draslík-Argon 1,31 E10 9 let
8 235U-207Pb Uran-Olovo 707 E10 6 let
9 10Be-10B Berylium-Bor 1,52 E10 6 let
10 36Cl-36Ar Chlór-Argon 300 E10 3 let
11 234U-230Th Uran-Thorium 248 E10 3 let
12 230Th-226Ra Thorium-Radium 75,4 E10 3 let
13 14C-14N Uhlík-Dusík 5,715 E10 3 let
14 14C-β Uhlík-Dusík (β) 5,715 E10 3 let
15 3H-β Tritium-Helium (β) 1,232 E10 1 let

Umělé radionuklidy

Schéma výroby radionuklidu
Umělou radioaktivitu poprvé pozorovali manželé Curie (1933). Při náhodném ozařování hliníku odloženým zářičem si povšimli, že hliník vykazoval radioaktivitu i po odstranění polonia.

Jako terčová jádra mohou být použity prvky, izotopy v různých skupenstvích, sloučeniny prvků. Jako zdroje částic se nejčastěji využívají urychlovače (p, e, α, jádra izotopů), jaderný reaktor (n).

Aktivita nuklidu

Pro výpočet aktivity vznikajícího izotopu prvku - za předpokladu jedné aktivační reakce na jednom terčovém materiálu - lze použít základní vztah A = ф.σ. ( ).(1-e-λt), kde Ф – příkon fluence částic (tok částic), σ - účinný průřez izotopu terčového prvku pro dané záření, - zastoupení izotopu v prvku a hmotnost prvku v terči, -Avogadrova konstanta, molární hmotnost prvku, - přeměnová konstanta vzniklého radionuklidu, t - doba ozařování. Maximální aktivita vzniklého izotopu je především závislá na fyzikálních vlastnostech terčového jádra a fluenci částic. Limitní dosažitelná hodnota aktivity odpovídá saturační aktivitě – stav rovnováhy počtu vznikajících a rozpadajících atomů. V případě polyizotopických prvků nebo polyprvkových materiálů je nezbytné aplikovat rovnici pro každou složku.

Využití umělých radionuklidů

V současné době je známo několik tisíc umělých radionukludů nebo radinuklidů navázaných na vhodný zpravidla organický ligand schopný dále se navazovat. Hlavní uplatnění nacházejí v lékařství jak pro diagnostické (99mTc, 131I, 18F, ….), tak terapeutické účely (137Cs, 60Co, …..), průmyslu (čidla, detektory), vědě a výzkumu a dalších oborech.


Externí odkazy