50. Jaderná fyzika II

Zákony zachování při jaderných reakcích Je-li jaderná přeměna vyvolaná srážkou atomového jádra s jinými jádry nebo částicemi, hovoříme o jaderné reakci. Jaderné reakce zapisujeme podobně jako chemické reakce rovnicemi. U jaderných reakcí musí být splněny zákony zachování. Jsou to experimentálně ověřené obecné vztahy, které odrážejí podstatné vlastnosti a symetrie hmoty, prostoru a času. Jsou to: - zákon zachování energie - zákon zachování hybnosti - zákon zachování elektrického náboje - zákon zachování počtu nukleonů Jaderné reakce rozlišujeme endoenergetické (energii zvnějšku dodáváme) a exoenergetické (energie se uvolňuje)

Radioaktivita I. Radioaktivita je schopnost atomových jader vysílat záření a nestabilní atomová jádra se tím postupně mění na stabilní jádra jiných prvků. Radioaktivitu objevil v roce 1896 Henri Becquerel u solí uranu. K objasnění podstaty radioaktivity zásadním způsobem přispěli Pierre Curie a Marie Curie (všichni NC za F 1903, MC ještě NC za Ch 1911). 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.

Radioaktivita II. Umělou radioaktivitu získají prvky transmutací, vlivem řetězové reakce nebo působením urychlených částic. Umělá radioaktivita je podmíněna přeměnou jádra, která je způsobena vnějším vlivem. Takováto jádra v přírodě běžně neexistují, ale byla vytvořena uměle. Zákonitosti rozpadu těchto uměle vytvořených jader jsou shodné se zákony popisujícími rozpad přirozeně radioaktivních jader. Umělá radioaktivita byla objevena v r. 1934 (Frederic a Irene Joliot-Curie, NC za Ch 1935) při ostřelování hliníku částicemi α:

Druhy jaderného záření I. Záření, které při radioaktivním rozpadu vzniká, je čtyř druhů, které označujeme jako α, β, γ a neutronové záření. α – proud jader atomu He. Částice α mají velkou kinetickou energii (2-8 MeV) a silné ionizační účinky. Vychylují se v el. i mg. poli a jsou pohlcené již listem papíru nebo několika cm vzduchu. Zářič α částic však může být nebezpečný při vdechnutí nebo požití – působí uvnitř organismu. β- proud elektronů o energii až 10 MeV emitovaných z jádra. Pohybují se rychlostí blízkou rychlosti světla. Vychylují se v el. i mg. poli a jsou pohlcované tenkým plechem. Některé radionuklidy vyzařují místo elektronů pozitrony a potom hovoříme o β+ rozpadu

Druhy jaderného záření II. γ – nejpronikavější, lze jej zeslabit olověnou deskou nebo silnou vrstvou železobetonu. Ani v el. ani v mg. poli se neodchyluje – jedná se o elmg vlnění. Má silné ionizační účinky a v důsledku fotoefektu uvolňuje z látek nabité částice. Radioaktivní záření γ samostatně neexistuje, ale doprovází záření α nebo β. Kromě těchto tří druhů záření existuje i další druh – Neutronové záření – vzniká např. v jaderných reaktorech nebo při jaderné explozi. Jedná se o proud rychle letících neutronů o vysoké pronikavosti (nenese el náboj, neztrácí energii ionizací …). Reaguje pouze s atomovými jádry a to pružnými nebo nepružnými srážkami. K ochraně před tímto zářením je třeba použít materiály obsahující jádra vodíku a lehkých prvků – voda, těžká voda, parafín, beton …)

Radioaktivní přeměna Radionuklidy vysílají radioaktivní záření a přeměňují se na stabilní nuklidy. Počet radioaktivních přeměn za 1 s udává aktivitu zářiče (jednotka Bq – becquerel) Zákon radioaktivního rozpadu udává počet nerozpadlých jader N radionuklidu v čase t: λ … přeměnová konstanta N0 … počet jader v t=0 s Poločas přeměny (rozpadu) T je doba, za kterou se rozpadne polovina původního počtu jader

Zákon radioaktivní přeměny – Aktivita zářiče Pro aktivitu vzorku můžeme psát A = A0 . e – λ.t resp. A = A0 . 0,5 t/T nebo A = λ . N Zákon radioaktivní přeměny – - časová závislost

Přeměnové řady Rozpadová řada (přeměnová řada nebo radioaktivní řada) popisuje postupný radioaktivní rozpad nestabilních jader těžkých prvků. Rozpad v těchto řadách probíhá vždy vyzařováním částic alfa (jader helia) nebo beta (elektronů). S výjimkou neptuniové řady začínají všechny základní řady relativně stabilním, v přírodě se běžně vyskytujícím izotopem (ze skupiny aktinoidů), s poločasem rozpadu nad půl miliardy let. Na konci každé rozpadové řady je stabilní izotop. Známé jsou čtyři základní rozpadové řady: Uranová, začínající uranem 238U a končící olovem 206Pb Aktinuranová, začínající uranem 235U a končící olovem 207Pb Thoriová, začínající thoriem 232Th a končící olovem 208Pb Neptuniová, (umělá) začínající plutoniem 241Pu a končící vismutem 209Bi Poznatky o radioaktivních rozpadech a poločasu rozpadu se využívají např. v archeologii → radiouhlíková metoda. Tělo je tvořeno především C (uhlíkem): 12C 13C 14C - z čehož poslední uhlík je radioaktivní, pokud je organismus "naživu", poměr mezi izotopy je stálý, když organismus uhyne, 14C se začne rozpadat a poměr se začne měnit.

Využití radionuklidů Radiouhlíková metoda Kontrola tloušťky válcovaného materiálu Diagnostické účely Léčení zhoubných nádorů Termočlánky k výrobě elektřiny Metoda značených atomů (botanika, medicína)