Radioaktivita

Radioaktivita

Poločas rozpadu

Značka: $\tau_{\frac{1}{2}}$ (tau)

= Doba, za kterou se rozpadne polovina atomových jader přítomných ve vzorku

Je definován pro každý radionuklid

Doba může být $10^{-9} \space \text{s}$ až $10^9 \space \text{let}$

Nezávisí na vnějších podmínkách

Jednotkou může být jakákoliv jednotka času

Za $\tau_{\frac{1}{2}}$ se rozpadne právě polovina atomových jader, za další $\tau_{\frac{1}{2}}$ se rozpadne další polovina atomových jader (takže zbyde $\frac{1}{4}$ jader), ...

Uplatňuje se např. při určování stáří archeologických nálezů – radiouhlíková metoda

Izotopy uhlíku: ${}^{12}_6\text{C}, {}^{13}_6\text{C}, {}^{14}_6\text{C}$, poslední z nich je radioaktivní s $\tau_{\frac{1}{2}} = 5730 \space \text{let}$

V živých organismech je poměr izotopů $\text{C}$ stejný jako v přírodě, po smrti organismu zastoupení ${}^{14}_6\text{C}$ klesá

Nejdelší $\tau_{\frac{1}{2}}$ mají atomová jádra 3 prvků:

• ${}^{232}_{90}\text{Th}$ (thorium) – $14 \space \text{mld. let}$
• ${}^{238}_{92}\text{U}$ (uran) – $4.5 \space \text{mld. let}$
• ${}^{235}_{90}\text{U}$ (uran) – $710 \space \text{mil. let}$

Rozpadem těchto atomových jader začínají tzv. rozpadové řady = posloupnost radioaktivních rozpadů, která končí atomovým jádrem olova

Rozpadové řady

• Přirozené rozpadové řady:
  • Thoriová – ${}^{232}_{90}\text{Th} \to \text{Pb}$
  • Uranová – ${}^{238}_{92}\text{U} \to \text{Pb}$
  • Aktinouranová – ${}^{235}_{92}\text{U} \to \text{Pb}$ (izotopu ${}^{235}_{92}\text{U}$ se také říká aktinouran)
• Umělé rozpadové řady:
  • Neptunová – ${}^{237}_{93}\text{Np} \to \text{Bi}$

Jaderné reakce

= Interakce atomových jader s jinými částicemi (atomová jádra, elementární částice), při nichž vznikají nová atomová jádra

$X$ ... bombardované/ostřelované atomové jádro
$a$ ... elementární částice
$Y$ ... nové atomové jádro
$b$ ... nová elementární částice

Zkrácený zápis:

3 typy jaderných reakcí

1. Transmutace:
   Původní a nové atomové jádro se příliš neliší
   Poprvé provedli Irena Curie + Frederic J. C. – ostřelovali $\text{Al}$ částicemi $\alpha$

   $${}^{27}_{13}\text{Al} + {}^4_2\text{He} \to {}^{30}_{15}\text{P} + {}^1_0n$$

   Vzniklý fosfor je nestabilní a dále se rozpadá

2. Štěpné jaderné reakce:
   Původní atomové jádro se rozpadne na 2 a více atomových jader
   Poprvé ji pozorovali Hahn a Strassmann roku 1938
   1942 – G. Fermi provedl první řízenou jadernou reakci
   Př. – reakce v jaderných reaktorech:

   $${}^{235}_{92}\text{U} + {}^1_0n \to {}^{140}_{56}\text{Ba} + {}^{93}_{36}\text{Kr} + 3{}^1_0n + E$$

   $E$ ... energie
   Vzniklé neutrony napadají další atomová jádra $\text{U} \to$ řetězová reakce $\to$ uvolnění velkého množství $E$ – princip jaderné bomby
   V jaderných reaktorech probíhá řízená jaderná reakce
   $\Rightarrow$ počet neutronů se snižuje tzv. regulačními tyčemi – ty vychytávají neutrony
   $\Rightarrow$ zpomalování neutronů (snížení energie) pomocí tzv. mediátoru – grafit, voda ($\text{H}_2\text{O} - {}^1_1\text{H}$), těžká voda ($\text{D}_2\text{O} - {}$ deuterium = ${}^2_1\text{H}$)
   V přírodních rudách uranu je izotop ${}^{235}_{92}\text{U}$ (cca $0.7 \space \%$) $\Rightarrow$ obohacení uranu = zvyšování obsahu ${}^{235}_{92}\text{U}$ na $3 - 4 \space \%$

3. Termojaderná syntéza:
   = Sloučení lehkých atomových jader za vzniku atomového jádra těžšího

   $$4{}^1_1\text{H} \to {}^4_2\text{He} + 2{}^0_{+1}e$$

   Probíhá např. ve Slunci
   Atomová jádra jsou kladně nabitá – navzájem se odpuzují, pro odstranění odpudivých sil je potřeba velká teplota $10^8 \space \text{K}$
   Je používána ve vodíkových/termonukleárních reaktorech – např. TOKAMAK

Význam radioaktivity a jaderných reakcí

• Výroba energie – jaderné elektrárny, jaderné reaktory v ponorkách, ...
• Vojenský – atomové bomby
• Objevy nových atomových jader – transurany = prvky, pro které platí $Z > 92$
• Zdravotnictví – radioterapie nádorových onemocnění, diagnostika (např. metoda scintigrafie), lázeňské účely
• Určování stáří archeologických nálezů – radiouhlíková metoda