Princip Indukované Emise Gama Záření

Radioaktivita je samovolný děj, při kterém dochází k přeměně nestabilního jádra určitého prvku na stabilnější jádro jiného prvku.

Struktura Atomového Jádra a Stabilita

Jádro atomu je částice o poloměru přibližně 10^-15 m a je určující při stanovení celkové hmotnosti atomu. Všechna jádra obsahují nukleony - jaderné částice dvojího typu s téměř stejnou hmotností, ale lišící se nábojem - protony a neutrony. Proton vykazuje kladný náboj s hodnotou tzv. elementárního náboje (1,6 * 10^-19 C). Neutron je bez elektrického náboje. Počet neutronů určuje neutronové číslo, značí se N. Na rozdíl od protonů, neutron je nestabilní. Ve volném stavu se rozpadá na proton a další částice.

Chemický prvek je charakterizován počtem protonů i neutronů. Ze složení jádra vyčteme jeho stabilitu i hmotnost. Pravděpodobnost, že se jádro rozpadne, závisí na poměru N a Z. Látka označována jako nuklid se skládá z atomů se stejným protonovým i neutronovým číslem.

Izotopy, Izobary a Izotony

Izotopy jsou atomy, jež vykazují stejný počet protonů, ale rozdílný počet neutronů. Stále se jedná o chemický prvek. Izotopy prvku se odlišují svými fyzikálními vlastnostmi, nikoliv chemickými. Rozdílný počet nukleonů v jádře způsobuje rozdílnou hmotnost a poměr mezi protonovým a neutronovým číslem, který rozhoduje o stabilitě jádra. Pro příklad uvedeme izotopy uhlíku - ¹²C, ¹³C a ¹⁴C. ¹²C obsahuje 6 protonů a 6 neutronů, ¹³C o jeden neutron více, přesto jsou oba izotopy stále stabilní. ¹⁴C se už chová jako radionuklid.

Izobary rozumíme různé prvky, které mají stejné nukleonové číslo, tzn., že mají součet protonů a neutronů totožný. Zákonitě se musí tedy lišit atomovým číslem (počtem protonů) a neutronovým číslem (počet neutronů v jádře). Izotony jsou nuklidy, které mají rozdílný počet protonů v jádře, ale počet neutronů stejný. Automaticky můžeme říct, že nukleonové číslo je též rozdílné. Jako příklad může posloužit ¹²B a ¹³C, kde bor má 5 protonů a uhlík 6, leč neutronů mají oba dva prvky stejně (7 neutronů).

Čtěte také: Protony a rentgenová emise

Nejvíce stabilních nuklidů existuje pro izotony s 50 neutrony (⁸⁶Kr,⁸⁸Sr,⁸⁹Y,⁹⁰Zr,⁹²Mo) a s 82 neutrony (¹³⁸Ba,¹³⁹La,¹⁴⁰Ce,¹⁴¹Pr,¹⁴²Nd,¹⁴⁴Sm).

Stabilita Jádra a Vazebná Energie

Stabilita jádra se odvíjí od vazebné energie, což je energie, kterou je třeba dodat - či chcete-li, práce, kterou je třeba vykonat - pro rozložení jádra na jednotlivé nukleony. Pracuje se nicméně spíše se separační energií, což je vazebná energie rozpočítaná na jeden nukleon. Nejvyšší separační energii má izotop ⁵⁶₂₆Fe. Stabilitu jádra však lze vyvodit také aniž bychom znali hodnoty vazebných a separačních energií. O stabilitě, popřípadě nestabilitě nuklidu vypovídá tzv. řeka stability, která je dána poměrem počtu protonů a počtu neutronů.

Zvlášť stabilní jsou nuklidy s takzvanými magickými čísly, jakými jsou třeba ⁴₂He, ¹⁶₈O, nebo ⁴⁰₂₀Ca. Obecně vzato tedy pokud je poměr nukleonového čísla ku protonovému 2:1, jedná se o velmi stabilní jádro. U těžších prvků převládají pak spíše neutrony nad protony - pravděpodobně proto, aby vyrovnaly odpudivé elektrostatické síly mezi stejně nabitými protony - a tento poměr se blíží asi 3:2. Zjednodušeně s přihlédnutím k oběma předchozím odstavcům lze říci, že stabilní jádra nabývají A od 30 do 130. Pokud se nuklid svým poměrem nachází mimo řeku stability, je považován za nestabilní.

Jsou známy čtyři radioaktivní rozpadové řady, které popisují řetězec přeměn probíhající v radioaktivních nuklidech. Těmito radioaktivními rozpadovými řadami jsou: uran-radiová rozpadová řada, dále pak uran-aktiniová, thoriová a neptuniová rozpadová řada. Až donedávna byly jen tři z těchto řad - uran-radiová, uran-aktiniová, thoriová -považovány za přírodní, neboť výchozí nuklidy se podařilo nalézt v přírodě, zatímco neptuniová řada byla považována za řadu umělou, protože se nedařilo nalézt neptunium v přírodě.

Druhy Radioaktivního Záření

Alfa Záření (α)

Alfa záření je proud letících jader helia tzv. α-částic. Tyto částice si můžeme představit jako klasický atom helia, ze kterého byl odstraněn elektronový obal, tedy He²⁺. Nuklid vzniklý rozpadem α má z důvodu zachování nukleonového čísla a elektrického náboje protonové číslo o 2 nižší, je tedy v periodické soustavě prvků posunut, vzhledem k původnímu jádru, o dvě místa vlevo. Je zřejmé, že emitovaná částice má malou hmotnost ve srovnání s hmotností emitujícího jádra. Kinetická energie jádra při emisi částice je tímto prakticky zanedbatelná. Samo jádro těžkého prvku se vrací z excitovaného stavu do stavu energeticky základního emisí kvant záření gama.

Čtěte také: PIXE: Metoda analýzy materiálu

Záření alfa má silné ionizační účinky, má však malou pronikavost, rychlost šíření (až 10⁷ m.s^-1 ), která odpovídá asi 10% rychlosti světla a proniká jen několikacentimetrovou vrstvou vzduchu. Tyto vlastnosti lze přičíst tomu, že částice α mají poměrně velkou hmotnost, jsou velké a mají i elektrický náboj. Odstínit se dá i běžným listem papíru. Vnější působení na člověka nemá prakticky žádný účinek, neboť je záření pohlceno buňkami dlaždicového kožního epitele. Vnitřní působení záření (např. v plicích) však může poškodit genetický materiál a tak vést ke vzniku nádorového onemocnění. Alfa záření lze využít také k léčebným účelům.

Beta Záření (β)

Beta záření jsou částice emitovány radioaktivními jádry prvku při jejich β rozpadu. Tyto částice nesou buď kladný β⁺ (pozitrony) nebo záporný β^- (elektrony) elektrický náboj. Souhrnně vylétávají z jádra částice s elektrickým nábojem a velmi malou klidovou hmotností. Zvláště kvůli malé klidové hmotnosti se záření β dokáže šířit daleko rychleji, to konkrétně asi 40-99 % rychlosti světla. Konkrétní rychlost pak závisí na jednotlivých nuklidech. Částice β se pohybují velmi rychle a pronikavost částic je vyšší než u α záření, mohou proniknout materiály s nízkou hustotou nebo malou tloušťkou. Zastavit by jej měla např. Jedná se o proud elektronů vycházející z jádra. Elektrony opravdu vychází z jádra, neboť dochází k tomu, že se rozpadá neutron na proton a elektron. Protony zůstávají při této reakci v jádře, ven vylétávají jen elektrony. Kromě těchto elektronů z jádra vylétá také elektricky nenabitá částice s malou hmotností - antineutrino.

Záření β⁺ je mnohem složitěji pozorovatelné. Jedná se totiž o proud pozitronů z jádra. Pozitron je částice opačná elektronu. Má stejně jako elektron malou hmotnost a elementární náboj, nicméně kladný. Pozitrony se vyskytují v antihmotě, což je hmota opačná hmotě, která se nachází všude kolem nás. β⁺ je složitě pozorovatelné, proto, že když dojde ke styku hmoty s antihmotou, dojde k anihilaci (úplné uvolnění energie), což je pozorováno jako exploze. Pozitrony lze zpozorovat pouze v urychlovačích částic, nebo v tomto případě při reakci umělých nuklidů. Při záření β⁺ se rozpadá proton na pozitron a neutron. Vše je doplněné neutrinem. Neutron zůstává v jádře a pozitron z něj vylétá analogicky k záření β^-.

Gama Záření (γ)

Gama záření je elektromagnetické záření s velmi krátkou vlnovou délkou s velkou energií a pronikavostí jeho částic. Oproti záření α a β, které jsou korpuskulární, proniká γ záření do materiálu lépe a jeho dokonalé odstínění je téměř nemožné (na snížení intenzity záření se používají vrstvy materiálů obsahujících těžké prvky např.

Radionuklidy a Radioaktivita

Radionuklidy jsou nestabilními nuklidy. Rozlišujeme přirozené radionuklidy (vyskytující se v přírodě) a umělé radionuklidy (vytvořené pomocí jaderných reakcí). Radioaktivita je samovolná přeměna nestabilních jader na stabilní za současného vysílání záření. Přirozenou radioaktivitu objevil v r. 1896 francouzský fyzik H. Becquerel a studovali ji především Pierre Curie a jeho žena Marie Curie-Skłodowská. Za přínos v tomto oboru všichni tři zmínění obdrželi v roce 1903 Nobelovu cenu za fyziku.

Čtěte také: Vše o emisních normách

Umělá radioaktivita je přeměna atomů vyvolána jadernými reakcemi. K objevení umělé radioaktivity došlo v roce 1934 ostřelováním hliníku částicemi α. Všechna atomová jádra nejsou stabilní, naopak většina z nich se po určité době samovolně přemění na jádra jiná.

Jaderné Reakce a Jejich Využití

Radioaktivita nabízí mnoho využití v řadě oblastí. Jednou z nich je defektoskopie, metoda značkovaných atomů, při které pacient sní např. radioaktivní fosfor a lékař pak může sledovat, kudy fosfor prochází. Jaderné reakce jsou založeny na přeměnách jader s menší vazebnou energií, na jádra s větší vazebnou energií, rozdíl energií se uvolňuje. Přičemž vazebná energie jádra je veličina, která charakterizuje stabilitu jádra. Nejstabilnější jsou jádra s nukleonovým číslem mezi 30 a 130.

Syntéza a Štěpení Jader

Syntéza jader (termonukleární reakce) - Z jader lehčích vznikají jádra těžší a přitom se uvolňuje obrovské množství energie. Pro tyto reakce je potřebná vysoká teplota a tlak (uvnitř hvězd). Např. Protium + Tritium dá vzniknout heliu. Tímto způsobem vznikaly všechny prvky, ale je nutno dodat, že se tak v případě těžších prvků stává při extrémních podmínkách, jakými je třeba výbuch supernovy.

Štěpení jader (štěpná reakce) - Při štěpení jader dojde ke vzniku dvou středně těžkých jader atomů v poměru cca 2:3, uvolnění několika neutronů a velkého množství energie. Vzniklé neutrony se používají k štěpné reakci. Štěpení jader se dále dělí na řízené a neřízené. Řízené probíhá v jaderných reaktorech. Nechává se působit pouze jeden vzniklý neutron, který štěpí další jádra a tak se energie uvolňuje postupně. Takto uvolněná energie se převádí v jaderných elektrárnách na elektrickou. Štěpná reakce probíhá v jaderném reaktoru, celý blok sestává z několika okruhů, aby se zamezilo únikům radioaktivity. Uvolněná tepelná energie zahřívá vodní páru, která následně pohání turbínu a ta pak roztáčí rotor generátoru. V jaderných elektrárnách se pro zisk energie využívá tzv. Neutronové záření.

Neutronové Záření

Jak již napovídá název - je to proud neutronů. Kvůli jaderným silám není snadné neutron z jádra uvolnit, nicméně pokud se to podaří, má to značné výhody. Neutron, jakožto částice bez náboje - nereaguje příliš snadno s okolními atomy, reaguje pouze s їх jádry. Neutrony se dají uvolnit z jader v urychlovačích částic, nebo rozpadem těžkých jader transuranů (kalifornium, A=252), v přírodě je nenalezneme. V praxi se nejčastěji používá beryllium, které je ozářeno α zářením, čímž je z jádra Be vyražen neutron. Neutronové záření může reagovat s okolím hned dvěma způsoby. Prvním způsobem jsou tzv. pružné srážky, při kterých neutron předá část své energie a pokračuje dále se sníženou energií - rychlostí. Největší efekt předání energie je u jader vodíku tzn. u částic s hmotností nejblíže neutronu, proto jsou lehké prvky vhodné pro zpomalování neutronů. U jader těžkých prvků se předá méně energie. Proto se pro zpomalování neutronů používá především tzv. moderátor.

Při nepružných srážkách naráží neutron do jádra a zůstává v něm. Takto vzniklá jádra jsou většinou velmi nestabilní, proto se často samy rozpadají při vyzařování β^- a γ záření, nebo tyto částice jen emitují. Nepružné srážky velmi dobře fungují především s pomalými neutrony.

Využití Radioaktivního Záření

Radioterapie je konzervativní metoda, která se používá na léčbu zhoubných nádorů v lidském organismu. Dochází k ozařování postižené tkáně, kdy využíváme různé druhy ionizujícího záření. Cílem je zničení nádoru a co nejmenší poškození okolní zdravé tkáně. Dle charakteru nádoru se volí různá intenzita i druh záření. Při teleterapii se provádí ozařování pomocí zdroje, jenž se nachází mimo organismus. Brachyterapie vyžaduje umístění zdroje na povrch nádoru či přímo dovnitř nádoru. Z fyzikálního hlediska používané ionizující záření je dvojího typu - elektromagnetické a korpuskulární. Elektromagnetické zahrnuje záření X (rtg) a záření γ. Korpuskulární záření, také částicové obsahuje protony, neutrony, α-částice i elektrony (β-částice). Radiosensitivita buněk je vlastnost, která charakterizuje schopnost buňky reagovat na ozáření.

Pro určení stáří některých objevů v archeologii je vhodná tzv. radiouhlíková metoda. Uhlík je schopen tvořit tři základní izotopy - ¹²C, ¹³C a ¹⁴C. Izotop ¹⁴C je radioaktivní, tzv. radionuklid s poločasem rozpadu 5730 let. V přírodě jsou zastoupeny všechny tři izotopy a ve stálém poměru. Z tohoto vyplývá, že při odumření organismu čili při zastavení přísunu uhlíku je poměr izotopů stejný jako v okolní přírodě. Radionuklid se začíná rozpadat a poměr mezi izotopy roste.

Henri Becquerel jako první v roce 1896 objevil radioaktivitu díky zjištění, že minerály vyzařují jiné záření než světelné, když položil fluorescenční materiál mezi fotografické desky a fotografické desky byly netknuté. Následně pak Marie Curie Sklodowská na počátku 20. století zkoumala radioaktivitu a mimo jiné objevila nové prvky (radium a polonium). Zkoumala, proč uranová ruda je radioaktivnější, než samotný uran. Po čtyřech letech objevila polonium (pojmenovala ho po své vlasti), poté objevila ještě radioaktivnější radium. Marie Curie Sklodowská byla první ženou, která získala Nobelovu cenu za fyziku (spolu se svým manželem a H. Becquerelem r. 1903) a později i za chemii. Byla také první profesorkou na Sorbonně. Zasloužila se o využití radia v lékařství. Její dcera, Irène Joliot-Curie s manželem Frédericem Joliot-Curiem obdrželi v roce 1935 Nobelovu cenu za objevení uměle vyvolané radioaktivity a prokázali, že hmotnosti protonu a neutronu jsou přibližně stejné.

První jaderný reaktor byl uveden do provozu v USA v roce 1942.

Tabulka: Základní Charakteristiky Radioaktivního Záření

tags: #indukovaná #emise #gama #záření #princip

Oblíbené příspěvky:

• Nášlapný koš recenze
• Vše pro kempování a turistiku v Táboře
• Odpadkové koše s nápadem
• Vysokoteplotní spalování a emise
• Předpisy o ochraně ovzduší