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 rozpad je samovolná přeměna jader nestabilních nuklidů na jiná jádra, při níž vzniká ionizující záření. 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 Maria Curie-Skłodowska polského původu.

Přirozená a umělá radioaktivita

Radioaktivita se běžně rozděluje na radioaktivitu přirozenou a umělou.

Přirozená radioaktivita

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.

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, 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.

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

kde $e^{+}$ je vyzářený pozitron a $\nu$ 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 radioaktivního rozpadu

Vlastnosti radioaktivního rozpadu lze zkoumat pomocí statistických metod.

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

$-\mathrm{d}n = \lambda n \mathrm{d}t$,

kde $\lambda$ 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

$n = n_0\mathrm{e}^{-\lambda t}$,

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

$m = m_0\mathrm{e}^{-\lambda t}$,

kde $m_0$ je počáteční hmotnost radioaktivního vzorku a $m$ je jeho hmotnost v čase $t$.

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

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

Střední doba života

Další veličinou charakterizující radioaktivní rozpad je střední doba života $\tau$, 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

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

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

$A = \lambda n = \lambda n_0\mathrm{e}^{-\lambda t} = A_0\mathrm{e}^{-\lambda t}$,

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).

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. Jeho pronikavost je velmi vysoká, pro odstínění se používají velmi tlusté štíty z kovů velké hustoty (např. olovo) a nebo slitin kovů velké hustoty. Platí, že čím vyšší hustota a tloušťka štítu, tím více je záření odstíněno.

• Neutronové záření je proud neutronů. Nemá elektrický náboj. Pohltí jej tlustá vrstva vody nebo betonu.

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.

Zajímavosti

• Radioaktivní rozpad poskytl první důkaz toho, že zákony řídící subatomový svět mají statistický charakter.
• Neexistuje vůbec žádný způsob, jak předpovědět, jestli určité jádro ze vzorku bude mezi jedním z malého počtu jader, které se rozpadnou v následující sekundě. U všech jader je pravděpodobnost stejná.

Související články

• Atomové jádro
• Záření
• Rozpadová řada

Externí odkazy

• NuDat 2.0 – Databáze struktury jader a dat o radioaktivním rozpadu (anglicky)