Stavba atomového jádra Jádro se skládá ze Z protonů a N neutronů Protony a neutrony souhrnně označujeme nukleony (= částice nalézající se v jádře), nukleonové číslo A=Z+N je součtem protonového čísla Z a neutronového čísla N. Protony a neutrony patří mezi baryony = těžké fermiony (částice s polocelým spinem) Prvek X je dán protonovým číslem Z Protonové číslo určuje též počet elektronů v neutrálním atomu Značení A = 235  235 nukleonů Z = 92  92 protonů  235-92 = 143 neutronů

Hmotnost atomu Hmotnost protonu a hmotnost neutronu jsou téměř shodné a 1840 krát lehčí než elektron  hmotnost elektronů je zanedbatelná a hmotnost jádra je dána počtem nukleonů Uvedený přibližný vztah nezohledňuje změnu hmotnosti jádra způsobením vazebné jaderné energie mp= 1,6726.10-27 kg mn= 1,6750.10-27 kg me= 9,11.10-31 kg

Hmotnostní deficit (defekt) m Při vytvoření jádra ze Z protonů a N neutronů se uvolní vazebná energie, tj. sníží se energie vzniklého jádra  výsledné jádro je lehčí než součet hmotností nukleonů Snížení je úměrné uvolněné vazebné energii  stabilní jádra jsou výrazněji lehčí, než součet hmotností nukleonů Atomová hmotnostní jednotka – definována jako 1/12 hmotnosti atomu izotopu 12C mu= 1,6605.10-27 kg

Hmotnostní deficit (defekt) m Jak velká je jaderná vazebná energie v atomu izotopu 12C? Hmotnost atomu 12C je podle definice přesně rovna 12 mu

Hmotnostní deficit (defekt) m Jak velká je jaderná vazebná energie atomu 7Li, je-li jeho hmotnost rovna 7,016 mu? Atomová hmotnostní jednotka mu je rovna mu=1,6605.10-27 kg, mp=1,6726.10-27 kg , mn=1,6750.10-27 kg.

Hmotnostní deficit (defekt) m Jak velká je jaderná vazebná energie částice , je-li její hmotnost rovna 4,0026 mu? Atomová hmotnostní jednotka mu je rovna mu=1,6605.10-27 kg, mp=1,6726.10-27 kg , mn=1,6750.10-27 kg.

Hmotnostní deficit (defekt) m Porovnejte vazebné energie na jeden nukleon uvedených jader

Hmotnostní deficit (defekt) m Jaká energie (v MeV) se uvolní při jaderné reakci p + 7Li →  + , je-li hmotnost atomu lithia m(7Li)=7,016 mu a m()=4,0026 mu? Atomová hmotnostní jednotka mu je rovna mu=1,6605.10-27 kg.

Izotopy Atomy, jejichž jádra mají stejný počet protonů ( jádra jednoho prvku), odlišují se však počtem neutronů Velmi podobné fyzikální a chemické vlastnosti (kromě radioaktivních), neboť chemické vlastnosti závisejí na struktuře atomového obalu, tj. počtu elektronů, který je roven počtu protonů, tj. totožný pro izotopy Rozdílná hmotnost jádra  rozdílná hustota chemických látek s různými izotopy  možnost separace izotopů Radioaktivita odlišných izotopů je výrazně odlišná! Příklady lehký vodík (obyčejný) těžký vodík (deuterium) supertěžký vodík (tritium)

Izobary Atomy, jejichž jádra mají stejný počet nukleonů, ale odlišují se počtem protonů ( jádra odlišných prvků) Přibližně stejná hmotnost jádra Odlišné chemické vlastnosti (jádra odlišných prvků) Přechod mezi sousedními izobary zprostředkovává rozpad  (-, +) Příklady

Izomery Atomy (jádra) o stejném protonovém i neutronovém čísle, které se však liší energetickým stavem jádra Obdobně jako elektrony atomového obalu mohou obsazovat různé energetické hladiny, mohou i protony a neutrony obsazovat různé jaderné energetické hladiny Přechod mezi izomery (z excitovaného stavu do nižšího nebo přímo nejnižšího = základního stavu) zprostředkovává rozpad , tj. vyslání vysokoenergetického fotonu Příklad metastabilní (excitované) technecium

Částice a antičástice Ke každé částici existuje antičástice (někdy je identická s částicí), která má stejnou hmotnost, ale opačné hodnoty elektrického náboje a dalších „nábojů“ a čísel Proton p+, antiproton p- Elektron e-, pozitron e+ Elektronové neutrino , elektronové antineutrino (obojí elektricky neutrální) Při srážce částice se svou antičásticí dochází k anihilaci, částice a antičástice zaniknou a uvolněná energie se vyzáří ve formě dvou fotonů  letících opačnými směry Využito v PET (pozitronová emisní tomografie)

Radioaktivní záření  Vzniká v jádře atomů při změně energetického stavu jádra – následek emise či adsorbce částice Vlnová délka  < 300 pm Energie 100 keV až 10 MeV Silně ionizující Fotoelektrický jev (dominantní do 0,5 MeV) Comptonův rozptyl (dominantní 0,5 – 5 MeV) Tvorba elektron – pozitronových párů (e- , e+) Opačný proces k anihilaci páru částice – antičástice Pouze u fotonů s energií větší než 2mec2  1 MeV Pouze za účasti interakce s další částicí (atomem)

Vnitřní konverze záření  Foton emitovaný jádrem vyrazí elektron z vnitřní vrstvy atomového obalu Těžký atom  vysoké protonové číslo  velká elektrostatická energie vnitřních elektronů Vyražený elektron s velkou energií a ionizační schopností ionizuje prostředí Augerův elektron Přeskok elektronu z vyšší vrstvy na uvolněné místo vnitřní vrstvy  vznik RTG záření   zářič může být zdrojem sekundárního záření  a RTG záření

Radioaktivní rozpad  Emitování jádra hélia z jádra těžkého atomu (A >150) a jeho transmutace = přeměna na jiný prvek Při  rozpadu se zachovává nukleonové a protonové číslo Vzniklý těžký aniont má Z elektronů a Z-2 protonů  náboj 2- Za zákona zachování energie a hybnosti je jednoznačně určena energie částice  i dceřinného jádra Díky vysoké hmotnosti částice  dochází ke zpětnému rázu, jádro získává dostatečnou energii k ionizaci poločas rozpadu 1622 let Částice  =

Radioaktivní rozpad  Souvislost poločasu rozpadu s uvolněnou energií Vysoká uvolněná energie  vysoká pravděpodobnost přeměny  malý poločas rozpadu Jádro Poločas rozpadu  v s Ek v MeV

Radioaktivní rozpad - Podstatou rozpadu - je přeměna neutronu na proton, elektron a elektronové antineutrino Poločas rozpadu volného neutronu je 15 minut Hmotnost neutronu je vyšší než hmotnost protonu a elektronu  může docházet k samovolnému rozpadu (mn=1,6750.10-27 kg, mp=1,6726.10-27 kg, me=9,11.10-31 kg =0,0009.10-27 kg) Při - rozpadu se jeden neutron v jádře přemění na proton, elektron a antineutrino se vyzáří (Anti)neutrina jsou téměř nedetekovatelná Částice  (-) =

Radioaktivní rozpad - Energetické spektrum  elektronů je spojité od nulové hodnoty až po maximální Tříčásticový rozpad Zákon zachování energie a hybnosti Maximální energie vyzářených elektronů 0,02 MeV u tritia 13,4 MeV u boru Nejtěžší izotop podléhající - rozpadu , konkurencí  rozpad

Radioaktivní rozpad + Podstatou rozpadu + je přeměna protonu na neutron, pozitron a elektronové neutrino Hmotnost protonu je vyšší než hmotnost neutronu  nemůže docházet k samovolnému rozpadu volného protonu, ale může k této přeměně docházet v jádře atomu Při + rozpadu se jeden proton v jádře přemění na neutron, pozitron a neutrino se vyzáří Částice + =

Radioaktivní rozpad  - záchyt K Zachycení elektronu z první slupky obalu (slupka K) jádrem a následná jaderná reakce Přeměna atomu, změna protonového čísla jako při rozpadu +

Rozpadové řady Uranová Čtyři rozpadové řady dány snížením počtu nukleonů o 4 při rozpadu  a zachováním počtu nukleonů při rozpadu  Neptuniová Thóriová Rozpadové řady končí stabilními izotopy olova 82Pb (bizmutu 83Bi)  Aktiniová      

Příprava radioizotopů Stabilní externí zářič Požadujeme časově neproměnnou, konstatní aktivitu (přibližně, s časem klesá) Látky s dlouhým poločasem rozpadu Interní zářič Použití pro značení chemických látek pro jadernou magnetickou rezonanci (NMR), pozitronovou emisní tomografii (PET) Krátký poločas rozpadu (rychlé odbourání) Dostatečná radioaktivita pro diagnostiku vs. co nejnižší dávka pro organismus

 zářiče   66 h 6,01 h 1925 d

Zákony zachování v jaderných reakcích Při všech radioaktivních přeměnách se zachovává: Celková energie  celková relativistická hmotnost Celková hybnost Elektrický náboj Nukleonové číslo Protonové číslo se nezachovává pokud dochází k přeměně mezi protonem a neutronem, jinak ano Zachovává se pseudoprotonové číslo, které vychází z náboje elementárních částic  zachování náboje

Doplňte produkty rozpadů Radioaktivní rozpady Doplňte produkty rozpadů

Doplňte produkty rozpadů Radioaktivní rozpady Doplňte produkty rozpadů

Jaderné reakce Přirozená radioaktivita Umělá radioaktivita – zásah člověka Ostřelování jader částicemi  umělé izotopy Urychlovače částic

Pozitronová emisní tomografie (PET) Založena na emisi pozitronů a jejich následné anihilaci s elektrony prostředí Podání radioaktivního uhlíku 11C, který podléhá + rozpadu → emise pozitronu Ideální je podání cukru (glukózy C6H12O6) značené uhlíkem 11C – nádorové množící se buňky potřebují energii, proto budou místem zvýšené spotřeby cukru → místem zvýšené emise pozitronů Poločas rozpadu 11C je 20 minut – výhodné pro diagnostiku a odbourání nuklidu, náročné na rychlou přípravu nuklidu 11C → roboty, manipulátory

Pozitronová emisní tomografie (PET)

Pozitronová emisní tomografie (PET) Anihilace pozitronu s elektronem – svojí antičásticí Emitovaný pozitron anihiluje s elektronem látky za vzniku dvou fotonů (gama kvant) letících opačnými směry a odnášejícími celkovou relativistickou energii pozitronu a elektronu Vznik dvou opačně letících fotonů (oproti jednomu) je diktován podmínkou zachování hybnosti a energie → obrovská výhoda pro zobrazování e- - e+ +

Pozitronová emisní tomografie (PET) SPECT – single photon emission computed tomography Zaznamenával pouze intenzitu dopadajících fotonů na věnec detektorů Nové generace PET Zaznamenávají pouze simultánní signály na opačných stranách věnce  potlačení šumu, vysoká rozlišovací schopnost (3 mm)