Radioaktivita

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Symbol označující radioaktivní materiál.

Radioaktivita neboli radioaktivní rozpad je samovolná přeměna jader nestabilních nuklidů na jiná jádra, při níž vzniká radioaktivní záření, což je ionizující záření vznikající při radioaktivním rozpadu. 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 francouzští fyzikové Pierre Curie a Marie Curie.

[editovat] Přirozená a umělá radioaktivita

Radioaktivita se běžně rozděluje na radioaktivitu přirozenou a umělou.

Přirozená radioaktivita je důsledkem samovolného rozpadu atomového jádra. Přirozeně radioaktivních je mnoho látek v přírodě (takové látky se pak označují jako radioaktivní látky), včetně tkání živých organismů.

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

Jev umělé radioaktivity lze demonstrovat na následujícím příkladu. Vložením radioaktivního izotopu polonia ${}_{84}^{210}Po$ do hliníkové nádoby pozorujeme pronikavé 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 ${}_{84}^{210}Po$ je totiž přirozeně radioaktivní, přičemž při svém rozpadu vyzařuje α částice, které přeměňují hliník na izotop fosforu

${}_{13}^{27}Al + {}_2^4\alpha \,\to\, {}_{15}^{30}P + n$ ,

kde $n$ označuje neutron.

Izotop fosforu ${}_{15}^{30}P$ je však nestabilní s poločasem rozpadu $T\approx 135,5\,\mbox{s}$ . Prostřednictvím kladného beta rozpadu přechází na stabilní křemík, tzn.

${}_{15}^{30} \,\to\, {}_{14}^{30}Si + e^{+} + \nu$ ,

kde $e +$ je vyzářený pozitron a $ν$ představuje neutrino.

[editovat] Zákon radioaktivního rozpadu

Bylo navrženo, aby jedna či několik sekcí tohoto článku byly rozděleny a přesunuty do článku s názvem Zákon radioaktivní přeměny. (Diskuse)

Vlastnosti radioaktivního rozpadu lze zkoumat pomocí statistických metod.

Předpokládejme, že za časový interval $d t$ dojde k rozpadu $d n$ atomů radioaktivní látky. Počet rozpadlých atomů $d n$ je úměrný počtu částic v daném časovém okamžiku, který označíme $n$ . Tuto úměru lze vyjádřit vztahem

- d n = λ n d t

kde $λ$ je tzv. rozpadová konstanta, která charakterizuje předpokládanou rychlost rozpadu radionuklidu. Znaménko - souvisí s tím, že s rostoucím časem dochází k poklesu okamžitého počtu částic.

Integrací předchozího vztahu můžeme počet částic v čase $t$ vyjádřit jako

n = n 0 e - λ t

kde $n 0$ představuje počet částic v čase $t = 0$ . Tento vztah se označuje jako zákon radioaktivního rozpadu.

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

m = m 0 e - λ t

kde $m 0$ je počáteční hmotnost radioaktivního vzorku a $m$ je jeho hmotnost v čase $t$ .

[editovat] Poločas rozpadu

Doba, za kterou dojde k rozpadu poloviny z původního počtu atomů radionuklidu, se označuje jako poločas rozpadu $T$ . Počet částic po uplynutí této doby je $n=\frac{n_0}{2}$ , čímž dostaneme pro poločas rozpadu vztah

$T = \frac{\ln{2}}{\lambda}\approx 0,693\cdot\lambda^{-1}$

[editovat] Střední doba života

Další veličinou charakterizující radioaktivní rozpad je střední doba života $τ$ , což je čas, po němž klesne původní počet atomových jader $n 0$ na hodnotu $n=\frac{n_0}{\mathrm{e}}$ . Pro střední dobu života psát

$\tau = \frac{1}{\lambda} = \frac{T}{\ln{2}}$

[editovat] Aktivita (radioaktivita)

Rychlost radioaktivní přeměny charakterizuje aktivita (radioaktivita) $A$ , kterou se definuje vztahem

$A = \left|\frac{\mathrm{d}n}{\mathrm{d}t}\right|$

Dosazením z předchozích vztahů dostaneme

A = λ n = λ n 0 e - λ t = A 0 e - λ t

kde $A 0$ označuje aktivitu v počátečním čase a $A$ je aktivita v čase $t$ . Aktivita, tedy rychlost rozpadu, klesá s časem.

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

[editovat] Druhy radioaktivního záření

Záření, které při radioaktivním rozpadu vzniká, je čtyř druhů, které označujeme jako α, β, γ a neutronové záření.

Záření α je proud jader helia (α-částic) a nese kladný elektrický náboj, má nejkratší dosah (lze ho zastavit např. i listem papíru).

Záření β je proud záporně nabitých elektronů. Někdy se rozlišuje záření β^- (elektrony) a β⁺ (kladně nabité pozitrony), lze ho zachytit 1 cm plexiskla nebo 1 mm olova.

Záření γ je elektromagnetické záření vysoké frekvence, neboli proud velmi energetických fotonů. Nemá elektrický náboj, a proto nereaguje na elektrické pole.

Neutronové záření je proud neutronů. Nemá elektrický náboj.

[editovat] Rozpadové řady

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