eská zem d lská univerzita v Praze, Technická fakulta

eská zem!d!lská univerzita v Praze, Technická fakulta

14. Jaderná fyzika Stavba atomu Atomy byly dlouho považovány za ned litelné. Postupem !asu se zjistilo, že mají jádro složené z proton" a z neutron" a elektronový obal tvo#ený elektrony. Jaderná fyzika se zabývá d ji na úrovni atomových jader, atomová fyzika se zabývá d ji na úrovni elektronových obal" atom". Protony mají jeden kladný elementární elektrický náboj, elektrony mají jeden záporný elementární náboj, neutrony jsou bez elektrického náboje. Po!et proton" v jád#e zna!íme Z a jednozna!n ur!uje, o který se jedná prvek. Po!et neutron" v jád#e zna!íme N, m"že se lišit u jednotlivých atom", pak se jedná o r"zné izotopy téhož prvku. Sou!et proton" a neutron" zna!íme A a nazýváme hmotnostním !íslem nebo též nukleonovým !íslem. Schematicky zna!íme jádro prvku ZA X . Po!et elektron" v elektronovém obalu je u neutrálního atomu shodný s po!tem proton" v jád#e. Pokud je elektron" mén , p#evládá kladný náboj jádra a atom se jeví jako kladn nabitý. Takovému atomu #íkáme iont a podle toho, kolik elektron" chybí, hovo#íme o jednou, dvakrát !i vícekrát ionizovaném atomu. Pokud je elektron" více než proton", vznikají záporné ionty. Jelikož protony a neutrony mají mnohem v tší hmotnost než elektrony (viz tabulky), je tém # všechna hmota atomu soust#ed na v jád#e. Pr"m ry atom" jsou #ádov d ! 10 10 m , ale rozm ry jádra jsou mnohem menší než rozm ry atomu, asi 105 krát. Elektrony se v elektronovém obalu pohybují po kvantových drahách, na kterých mají stálou energii. Energii mohou m nit (p#ijímat !i vyza#ovat) pouze p#i p#echodech na jinou dráhu, neboli na jinou energetickou hladinu. Potom rozdíl energií mezi hladinami p#ijme p#i p#echodu na vyšší energetickou hladinu !i vyzá#í p#i p#echodu na nižší energetickou hladinu. Nejnižší energetický stav atomu nazýváme základním stavem. Vyšší energetické stavy nazýváme excitovanými stavy.

Radioaktivita Druh atom" mající stejný po!et proton" i stejný po!et neutron", tedy protonové !íslo Z a nukleonové !íslo A, se nazývá nuklid. Pro ozna!ení konkrétního jádra se užívá symbolu chemického prvku s nukleonovým !íslem vyzna!eným jako index vlevo naho#e a s protonovým !íslem vyzna!eným jako index vlevo dole. Nuklidem jsou nap#íklad atomy 235 235 92 U . V jádrech atom" 92 U je vždy po 92 protonech a 143 neutronech. Nuklidy téhož chemického prvku se stejným po!tem proton", ale r"zným po!tem neutron" se nazývají izotopy. Jednotlivé izotopy prvk" se bu$ vyskytují v p#írod , nebo mohou být um le vytvo#ené. Liší se fyzikálními vlastnostmi, nap#íklad stabilitou. Stabilitou jádra rozumíme schopnost jádra setrvávat v nem nném stavu. Protony v jád#e jsou totiž kladn nabité, elektrostatickými odpudivými silami se tedy snaží jádro roztrhnout. Jádro drží pohromad jaderné síly, které mají krátký dosah do vzdálenosti #ádov l ! 10 15 m . Neutrony svou p#ítomností ovliv%ují vzdálenosti jednotlivých proton" a tím i silové pom ry v atomovém jád#e. Pokud jsou tyto silové pom ry nep#íznivé, jádro je nestabilní a d#íve !i pozd ji se samovoln p#em ní na jádro stabiln jší a p#em na bude spojena s vyzá#ením p#ebytku energie ve form ur!itého druhu zá#ení !i emisí n jaké !ástice. Vždy musí být spln ny zákony zachování. Oblasti stability ukazuje obr.14.1 v!etn oblastí p#evládajících typ" p#em n. Pro nestabilní nuklidy, jejichž jádra podléhají samovolné p#em n doprovázené emisí zá#ení, je zaveden název radionuklid. Radioaktivitou nazýváme schopnost nestabilních jader samovoln se p#em %ovat. P#em nou m"že vzniknout jádro op t nestabilní, nebo zcela stabilní. Snaha zaujmout stav s minimem energie je obecnou vlastností p#írodních proces".

Martin Libra – Fyzika, jaderná fyzika


Obr.14.1 Oblasti stability jader a oblasti p#evládajících typ" jaderných p#em n

Obecné zákonitosti radioaktivních p em!n Radionuklidy vyskytující se v p#írod ozna!ujeme jako p#irozen radioaktivní. Krom nich existují i um le vytvo#ené radionuklidy. P#em na p#irozených radionuklid" je provázena vysíláním !ástic alfa (jader hélia) nebo elektron" a ve v tšin p#ípad" je také vysíláno zá#ení gama (tj. fotony s vysokou energií). P#i p#em n um le p#ipravených radionuklid" m"že docházet i k emisi pozitron". Radioaktivní p#em ny se odehrávají v jádrech atom" a nejsou závislé na vn jších podmínkách. Jsou to náhodné procesy, #ídí se zákony statistiky, proto nelze pro jednotlivá jádra p#edpov d t, zda se v ur!itém !asovém intervalu p#em ní, !i nikoliv. V souboru velkého po!tu jader se d je p#edpovídají statisticky. Úbytek po!tu nep#em n ných radioativních jader -dN z p"vodního po!tu N za !as dt lze charakterizovat dN # N" dt . Integrací a uvážením okrajové podmínky, že v !ase t = 0 je po!et nep#em n ných jader N = N0 dostáváme tzv. p#em nový zákon

N t # N 0e

"t

,

(14.1)

kde Nt je okamžitý po!et p"vodních jader v !ase t, N0 je jejich p"vodní po!et (v !ase t = 0) a " je p#em nová konstanta odrážející rychlost p#em ny ur!itého radionuklidu. Statistika t chto náhodných p#em n se #ídí Poissonovým rozd lením (viz obr.14.2). Jednotlivé k#ivky odpovídají uvedené st#ední hodnot po!tu radioaktivních p#em n za ur!itý vždy stejný !asový interval. Na vodorovné ose je po!et t chto p#em n a na svislé ose je pravd podobnost, že nastane práv tento po!et p#em n b hem tohoto !asového intervalu. Je


eská zem!d!lská univerzita v Praze, Technická fakulta vid t, že pro v tší st#ední hodnoty po!tu p#em n se nesymetrické Poissonovo rozd lení blíží k symetrickému Gaussovu rozd lení.

Obr.14.2 Poissonovo rozd lení náhodných proces" V praxi se k charakterizování radionuklidu !ast ji než p#em nová konstanta " používá polo!as p#em ny T1/ 2 . To je st#ední !as, za který se p"vodní po!et atom" daného radionuklidu p#em nami zmenší na polovinu. Dosadíme-li tedy do vztahu (14.1) tuto podmínku 1 N t # N 0 , dostaneme vztah mezi polo!asem p#em ny a p#em novou konstantou 2 T1 / 2 #

ln 2

"

.

(14.2)

Exponenciální závislost po!tu dosud nep#em n ných radioaktivních jader na !ase (14.1) je na obr.14.3.



Obr.14.3 Závislost po!tu nep#em n ných jader radionuklidu na !ase. Hodnota polo!asu p#em ny T1/ 2 je charakteristická pro ur!itý radionuklid. Polo!asy dosud známých radionuklid" se pohybují v širokém rozmezí T1 / 2 ! 10 7 $ 10 22 s . Pro ilustraci je v tab.14.1 uvedeno n kolik p#íklad". Podle zp"sobu radioaktivní p#em ny se rozlišuje p#em na alfa a p#em na beta.

Tab.14.1 P#íklady hodnot polo!as" p#em ny pro vybrané radionuklidy: 13 6 232 90 Radionuklid N He Th Sr 90

10

Polo!as p#em ny

1,4 . 10 rok"

7

38

28 rok"

2

0,9993 min

0,823 s

212 84

Po

3 . 10-7 s

P em!na alfa P#i p#em n alfa je z jádra emitována !ástice % (jádro 24 He ), nukleonové !íslo se tedy zmenší o 4 a protonové !íslo se zmenší o 2. Tuto p#em nu lze schematicky vyjád#it rovnicí A Z

X & AZ 42Y ' 24He.

Konkrétní p#íklady p#em ny alfa:

226 88

4 Ra & 222 86 Rn ' 2 He

241 95

4 Am& 237 93 Np ' 2 He


eská zem!d!lská univerzita v Praze, Technická fakulta Energie !ástic % vysílaných r"znými radionuklidy se pohybují v rozmezí 4 až 9 MeV. Jeden radionuklid emituje !ástice % s jednou nebo s n kolika ur!itými hodnotami energie (viz obr.14.4. To znamená, že zá#ení % má !árové energetické spektrum, p#i!emž energetickým spektrem se rozumí závislost po!tu vysílaných !ástic na energii. P#em na alfa probíhá výhradn u t žkých radionuklid" a& už p#írodních nebo um le p#ipravených. P em!na beta P#i p#em n beta se nem ní nukleonové !íslo jádra A, m ní se pouze protonové !íslo Z. P#em na beta se realizuje dv ma r"znými zp"soby: 1) p#em nou (- provázenou emisí elektronu a antineutrina z jádra (neutron se zm nil v proton a elektron, elektron je !ásticí (-). Lze ji schematicky popsat rovnicí 1 0

n& 11p ' 10 e

A Z

)

X & Z 'A1Y ' 10 e ' v .

60 60 0 Konkrétní p#íklad p#em ny (-: T1/ 2 # 5,26r . 27 Co& 28 Ni ' 1 e ' v , Nula v ozna!ení hmotnosti elektronu znamená, že hmotnost elektronu m"žeme zanedbat v porovnání s hmotnostmi nukleon" (viz tabulky).

2) p#em nou (+ provázenou emisí pozitronu a neutrina z jádra (proton se zm nil v pozitron a neutron, pozitron je !ásticí (+, má hmotnost podobnou jako elektron a má kladný elementární elektrický náboj. Je anti!ásticí k elektronu.). Lze ji schematicky popsat rovnicí 1 1

p& 01n ' 10 e

Konkrétní p#íklad p#em ny (+:

A Z

) 22 11

X & Z A1Y ' '10 e ' v .

Na&1022 Ne ' ( ' ,

T1/ 2 # 2,58r .

Nula v ozna!ení hmotnosti pozitronu znamená, že hmotnost pozitronu m"žeme zanedbat v porovnání s hmotnostmi nukleon" (viz tabulky). V p#ípad p#em ny (- i (+ jsou z jádra vysílány dv !ástice, budÿ elektron a antineutrino, nebo pozitron a neutrino, mezi které se náhodn d lí energie uvoln ná jádrem. V d"sledku toho mají elektrony i pozitrony spojitá spektra energií, která jsou znázorn na na obr.14.4. Maximální energie W( max se pohybují nejvýše v #ádu jednotek MeV. K radioaktivní p#em n beta dochází i u leh!ích radionuklid".

Obr.14.4 Energetické spektrum pro zá#ení a) beta, b) alfa



EC záchyt M"že dojít k záchytu elektronu ze sféry K dále ozna!ovanému EC = Electron Capture (elektron s protonem se zm ní v neutron). Lze jej schematicky popsat rovnicí 1 1

p ' 10e& 01n ' *

A Z

) 65 30

Konkrétní p#íklad p#em ny EC:

X ' 10 e& Z A1Y ' v.

Zn & 2965 Cu ' + .

Emise zá ení gama Emise zá#ení gama oby!ejn doprovází p#em ny alfa !i beta, nebo& po t chto p#em nách vzniknou jádra, která jsou v excitovaném stavu. P#ebytek energie se vyzá#í po p#echodu do nižšího excitovaného nebo až do základního stavu ve form zá#ení gama, t.j. foton" s velmi krátkou vlnovou délkou a s energií až n kolik MeV ( E # h* , kde * je frekvence). Fotony jsou vysílány pouze s ur!itými hodnotami energií, které odpovídají rozdílu energií mezi jednotlivými excitovanými stavy jádra. V tabulce 14.2 jsou p#ehledn uvedeny izotopy kyslíku, jejich zastoupení v p#írod a typy p#em n u t ch, které nejsou stabilní.

Tab.14.2 Izotopy kyslíku, jejich zastoupení v p#írod a u nestabilních rovn ž typy p#em n Izotop 14 15 16 13 17 18 19 20 O 8 8 8 8 8 8 8 8

O

O

% zastoupení v p#írod Typ p#em ny

0

(

0 '

(

0 '

(

O

O

O

99,40

0,40

0,20

'

stabilní

O

O

0

0

(

(

P#em ny jader lze znázornit r"znými schématy p#em ny. P#íklad p#em ny (- 2760 Co probíhající s polo!asem p#em ny 5,26 roku a provázené emisí zá#ení gama je na obr.14.5 Výsledné jádro 2860 Ni se z excitované hladiny s energií 2,505 MeV do základního stavu dostává emisí dvou foton" s energiemi 1,173 MeV a 1,332 MeV. Stoupající atomové !íslo se znázor%uje šipkou vpravo dol", klesající atomové !íslo se znázor%uje šipkou vlevo dol". Emise foton" se vyzna!uje svislou !arou, protože se m ní pouze energetický stav jádra, ale protonové i nukleonové !íslo z"stává stejné.



Obr.14.5 Energetické schéma radioaktivní p#em ny. Krom mechanizmu p#ímé emise zá#ení gama z excitovaného jádra existuje ješt další zp"sob, jak se jádro m"že zbavit p#ebyte!né energie. V tomto p#ípad se energie excitace p#edá elektronu z elektronového obalu atomu. Elektron je poté uvoln n s kinetickou energií rovnou rozdílu mezi energií excitace p#edanou jádrem a vazbovou energií elektronu v atomu. Tento jev se nazývá vnit#ní konverze. V tšina jader v excitovaném stavu vyza#uje p#ebyte!nou energii tém # okamžit po p#em n alfa !i beta. Existují však i jádra nazývaná izomery, která mohou setrvávat v excitovaném stavu zna!n dlouho. Takový stav jádra se nazývá metastabilní. Jestliže jádro vzniklé p#em nou je nestabilní, nastane !asem op t n která z popsaných 90 p#em n. Postupná p#em na probíhá nap#íklad: 3890 Sr & 90 39Y & 40 Zr . Ob p#em ny jsou typu ( , první probíhá s polo!asem p#em ny 28,8 roku, druhá s polo!asem p#em ny 64,1 hodin. V tom p#ípad hovo#íme o p#em nových #adách, na jejichž konci je stabilní jádro.

Interakce ionizujícího zá ení s prost edím Ionizující zá#ení (alfa, beta, gama, neutrony apod.) p#i pr"chodu látkovým prost#edím interaguje s jeho atomy. Interakcí obecn rozumíme vzájemné p"sobení mezi !ásticí a prost#edím (t.j. atomy, elektrony, nukleony, jádry). Pro nabité !ástice s nenulovým magnetickým momentem se uplat%uje zejména elektromagnetická interakce. Mezi neutrony a prost#edím dochází k interakci p#edevším v d"sledku jaderných sil (tzv. silná interakce). Vlivem t chto interakcí !ástice ionizujícího zá#ení m ní sm r dráhy a ztrácejí svou energii.


eská zem!d!lská univerzita v Praze, Technická fakulta Ztráty energie jsou d"sledkem pružného a nepružného rozptylu zá#ení na elektronech a jádrech okolních atom", p#ípadn d"sledkem jaderných reakcí a pod. Jedním z hlavních výsledk" t chto interakcí p#i pr"chodu ionizujícího zá#ení prost#edním je ionizace, p#i které jsou uvol%ovány elektrony z elektronových obal" atom" látkového prost#edí. Z tohoto hlediska je možno rozd lit ionizující zá#ení na p#ímo ionizující a nep#ímo ionizující. P#ímo ionizující zá#ení je tvo#eno nabitými !ásticemi (elektrony, pozitrony, !ástice alfa apod.), které mají k ionizaci dostate!nou energii. Nep#ímo ionizující zá#ení (fotony, neutrony a pod.) v d"sledku r"zných proces" uvol%uje p#ímo ionizující nabité !ástice nebo vyvolává jaderné reakce, které jsou provázené emisí p#ímo ionizujících !ástic. Popis pr"chodu ionizujícího zá#ení prost#edím je dále rozd len podle zp"sob" interakce do t#í skupin - nabité !ástice, fotony, neutrony. Interakce nabitých "ástic s prost edím P#i ztrátách energie ionizujícího zá#ení, které je tvo#eno elektricky nabitými !ásticemi (!ástice alfa, elektrony, pozitrony a další), hraje ze všech možných proces" nejd"ležit jší roli ionizace. Pro lehké !ástice (elektrony, pozitrony) existuje ješt jeden zp"sob, jak tyto !ástice ztrácejí energii. Zejména p#i vyšších energiích !ástic (od n kolika MeV výše) m"že nastat proces konkurující ionizaci. Jedná se o vznik brzdného zá#ení a o energetické ztráty s ním spojené. Jestliže se nabitá !ástice pohybuje v silovém poli, tedy její pohyb je nerovnom rný nebo k#ivo!arý, vyza#uje elektromagnetické zá#ení na úkor kinetické energie. Pro elektrony a pozitrony s uvedenou energií se jedná o zá#ení v rentgenové oblasti spektra. Intenzita emitovaného zá#ení klesá s druhou mocninou hmotnosti !ástice. Pro protony je tedy tato intenzita o šest #ád" nižší než pro elektrony. V následujících odstavcích však nebudou tyto energetické ztráty uvažovány, nebo& pro oblast energií zá#ení + se vznik brzdného zá#ení nebude prakticky uplat%ovat. Ionizace je d"sledkem nepružného rozptylu elektricky nabitých !ástic ionizujícího zá#ení na elektronech atom" prost#edí, ke kterému dochází v d"sledku elektromagnetické interakce. P#i tomto procesu ztratí ionizující !ástice takovou !ást své kinetické energie, která je pot#ebná k uvoln ní elektronu z elektronového obalu. Nap#. st#ední ioniza!ní energie pro vzduch za normálních podmínek je ! 34 eV. B hem pr"letu nabité !ástice hmotným prost#edím se tento proces opakuje (mnohonásobný rozptyl) do té doby, než kinetická energie nabité !ástice již nesta!í k ionizaci ani k excitaci okolních atom". P#i excitaci nedochází k uvoln ní elektronu z elektronového obalu atomu, ale pouze k jeho p#echodu na n kterou z vyšších energetických hladin. Ionizující !ástice krom ztrát energie ješt m ní sv"j sm r pohybu. Tuto zm nu sm ru zp"sobuje krom výše zmín ného nepružného rozptylu také pružný rozptyl. P#i tomto procesu se kinetická energie !ástic nespot#ebovává na ionizaci !i excitaci atom", tedy energetický stav atomu je p#ed rozptylem a po rozptylu stejný. Vzhledem k tomu, že rozptyl probíhá p#evážn na elektronech elektronových obal" atom" prost#edí, je podstatn více rozptylováno zá#ení beta obsahující elektrony nebo pozitrony než nap#. zá#ení alfa tvo#ené jádry 24 He , která mají p#ibližn o t#i #ády v tší hmotnost. D"sledkem toho se t žké !ástice pohybují po tém # p#ímých drahách, zatímco dráhy elektron" nebo pozitron" jsou ve v tších hloubkách zna!n pok#iveny. Pohyb elektron" se !asto ozna!uje jako difúzní pohyb elektron". Co se tý!e energetických ztrát ionizací, chovají se t žké a lehké !ástice rovn ž odlišn . Veli!ina, která popisuje úbytek energie !ástice vlivem ionizace na jednotku dráhy p#i pr"chodu látkou, se nazývá „lineární brzdná schopnost“ a charakterizuje vlastnosti prost#edí z hlediska ionizace. Tato veli!ina závisí nep#ímo úm rn na druhé mocnin rychlosti !ástice. Následkem toho ionizující !ástice se stejnou energií ale r"znou hmotností ionizují okolní


eská zem!d!lská univerzita v Praze, Technická fakulta prost#edí odlišn . T žké !ástice p#i stejné energii mají nižší rychlost a ioniza!ní ztráty jsou proto v tší než u lehkých !ástic. Dalším d"sledkem této závislosti je fakt, že k nejv tším ztrátám energie !ástic dochází na konci dráhy, kdy je rychlost !ástic v prost#edí již relativn malá. Interakce zá ení gama s prost edím Zá#ení gama je elektromagnetické zá#ení tvo#ené fotony. Fotony jsou elektricky neutrální kvazi!ástice s nulovou klidovou hmotností. Pohybují se rychlostí sv tla. I když interagují s jinými !ásticemi prost#ednictvím elektromagnetické interakce, probíhá tato interakce vlivem nulové klidové hmotnosti foton" odlišným zp"sobem než u elektricky nabitých !ástic. Interakce foton" s látkou probíhá prost#ednictvím t#í základních proces" fotoelektrického jevu, Comptonova rozptylu a tvorby pár". Tyto jevy probíhají p#i interakci s elektrony nebo v p#ípad tvorby pár" v elektrostatickém poli atomových jader. Krom t chto t#í proces" mohou probíhat i interakce s jádry atom", jako jsou jaderný fotoefekt a jaderné reakce. Pravd podobnost t chto jev" je však oby!ejn zanedbatelná. Výjimku tvo#í n které speciální p#ípady. V d"sledku t chto uvedených proces" jsou uvol%ovány elektrony, které interagují s prost#edím procesy popsanými v p#edchozí kapitole. 1) „Fotoelektrický jev“ m"že probíhat pouze na vázaných elektronech v elektronovém obalu. Pravd podobnost fotoelektrického jevu klesá s rostoucí energií foton" a roste s pátou mocninou atomového !ísla Z (pro slupku K). P#i fotoelektrickém jevu interaguje foton s atomem jako s jediným celkem. Energie fotonu W je ur!ena vztahem

W # h. v ,

(14.3)

kde h je Planckova konstanta a v je frekvence. Všechna energie fotonu je p#edána n kterému elektronu z elektronového obalu atomu (s nejv tší pravd podobností elektronu na slupce K), který je z atomu uvoln n . Uvoln ný elektron opustí atom s energií We # h. v W0 ,

(14.4)

kde W0 výstupní práce, což je vazební energie elektronu, tedy je energie pot#ebná k jeho uvoln ní z atomu. Tato energie se pro r"zné prvky pohybuje v rozmezí 101 $ 105 eV. 2) „Compton"v rozptyl“ je pružný rozptyl foton" na volných elektronech. Z hlediska fotonu lze za volný považovat takový elektron, jehož vazbová energie je podstatn nižší, než je energie fotonu. Energie p"vodního fotonu se rozd lí mezi elektron, na kterém rozptyl probíhá, a rozptýlený foton. Rozptýlený foton je jediný foton s menší energií a tedy v tší vlnovou délkou. P"vodní foton v interakci zanikl. Ze zákon" zachování energie a hybnosti plyne vztah pro vlnovou délku a energii rozptýleného fotonu v závislosti na úhlu rozptylu ,

-" #

h (1 cos , ) , mc

E # h* #

hc

"

,

(14.5)

kde " je vlnová délka, E je energie, c je rychlost sv tla, h je Planckova konstanta, * je frekvence. Pravd podobnost jevu roste s atomovým !íslem Z prost#edí a klesá s rostoucí energií fotonu p#ed rozptylem. Tento pokles pravd podobnosti v závislosti na energii je však pomalejší než v p#ípad fotoelektrického jevu.


eská zem!d!lská univerzita v Praze, Technická fakulta Ke Comptonovu rozptylu m"že docházet i na atomových jádrech (a prakticky na libovolné nabité !ástici nebo na !ástici s nenulovým magnetickým momentem). Pro b žné energie zá#ení gama (E ! 1 MeV) mají však rozptýlené fotony po rozptylu na atomových jádrech tém # shodnou energii s nerozptýlenými fotony, nebo& klidová hmotnost jader je o n kolik #ád" vyšší než hmotnost t chto foton". To má za následek, že se mezi rozptýlenými fotony s nižší energií (v d"sledku rozptylu) vyskytují i fotony s p"vodní energií. 3) „Tvorba pár"“: Pohybuje-li se foton v elektromagnetickém poli nabité !ástice, m"že dojít k jeho p#em n na pár !ástice-anti!ástice. Jedná se o jev s prahovou energií, to znamená, že k realizaci tohoto jevu musí být energie fotonu nejmén rovna sou!tu klidových energií !ástice a anti!ástice. Vzhledem k tomu, že !ástice a anti!ástice mají stejnou hmotnost, musí být minimální energie fotonu Wmin rovna Wmin # 2m0 . c 2 ,

(14.6)

kde c je rychlost sv tla a m0 je klidová hmotnost vzniklé !ástice (anti!ástice). Nej!ast ji dochází k tvorb páru elektron-pozitron (pozitron je anti!ásticí k elektronu), protože tento proces má nejnižší prahovou energii, která !iní 1,02 MeV. Jestliže foton má vyšší energii nežli prahovou, rozd lí se zbývající !ást energie mezi !ástici a anti!ástici stejným dílem. Pravd podobnost vzniku páru elektron-pozitron vzr"stá se zvyšující se energií fotonu a s druhou mocninou atomového !ísla prost#edí. Z uvedených proces", ke kterým dochází p#i interakci zá#ení gama s látkou, je z#ejmé, že foton" ve sm ru ší#ení b hem pr"letu látkovým prost#edím postupn ubývá. Tento úbytek lze popsat exponenciálním vztahem pro absorp!ní zákon N # N0 e

.x

,

(14.7)

kde N0 je p"vodní po!et foton", N je po!et foton" po pr"chodu látkovým prost#edím o tlouš&ce x a . je lineární sou!initel zeslabení. N je t#eba chápat tak, že vyjad#uje po!et foton", které ješt nebyly rozptýleny, a mají tedy p"vodní energii. Zeslabovací koeficient . vyjad#uje sou!et zeslabovacích koeficient" pro jednotlivé jevy - fotoelektrický jev, Compton"v rozptyl a tvorba pár"

. # . f ' .C ' . P ,

(14.8)

kde .f ,.C ,.P jsou zeslabovacím koeficientem pro jednotlivé procesy, . F !

z5 h* 7 / 2

, .C ! z ,

.P ! z2 . Jak již bylo uvedeno, pravd podobnost každého procesu, ke kterému p#i interakci zá#ení gama s prost#edím dochází, závisí jak na energii foton" gama, tak i na prvku, ze kterého je složeno interagující prost#edí. Proto i zeslabující koeficienty jsou závislé na atomovém !ísle Z a na energii foton". Interakce neutronového zá ení s prost edím Neutrony jsou elektricky neutrální !ástice, proto se chovají p#i pr"chodu látkovým prost#edím odlišným zp"sobem než nabité !ástice. Neutron má sice nenulový magnetický moment, ale interakce s elektrony prost#ednictvím tohoto momentu je o šest #ád" slabší než elektromagnetická interakce v p#ípad nabitých !ástic. Magnetická interakce mezi neutrony a elektrony elektronových obal" atom" prost#edí se m"že projevit pouze ve speciálních



p#ípadech p#i rozptylu neutron" ve feromagnetických nebo paramagnetických látkách. V p#ípad atomových jader je tato interakce ješt slabší, nebo& atomová jádra mají magnetické momenty o t#i #ády nižší, než jsou orbitální magnetické momenty elektron" v elektronových obalech atom". Pr"chod neutron" prost#edím je ovliv%ován hlavn silnou interakcí (jadernými silami) s atomovými jádry. Popis této interakce je pom rn složitou záležitostí, nebo& velikost interakce siln závisí na energii neutron" a velmi se m ní nejen pro jednotlivé prvky, ale i pro r"zné izotopy téhož prvku. Podle energie je možno rozd lit neutrony na n kolik skupin tepelné, pomalé, rezonan!ní a rychlé. I p#es složitost popisu silné interakce mezi neutrony a jádry atom" je možné rozd lit toto p"sobení na p t základních proces". Závorky (a,b) zde znamenají symbolické ozna!ení jaderné reakce, kde a ozna!uje nalétávající !ástici na jádro X. Po st#etu této !ástice s jádrem X dojde k interakci, po které vznikne jádro Y, ze kterého je emitována !ástice b. 1) „Pružný rozptyl (n,n)“ P#i tomto procesu se po!áte!ní energie neutronu rozd lí mezi neutron a jádro. Jádro po rozptylu z"stává v základním energetickém stavu. S klesající hmotnostní jádra roste !ást kinetické energie, kterou neutron jádru p#edá. Jestliže rozptyl bude probíhat na jádrech vodíku, která tvo#í pouze jedna !ástice (proton) s tém # stejnou hmotností jakou má neutron, m"že neutron p#edat tomuto jádru veškerou svou energii (v pr"m ru p#edá polovinu své kinetické energie). Lehká jádra se proto !asto používají ke zpomalování neutron" nap#. v jaderných reaktorech. Zpomalující prost#edí se nazývá moderátor, v praxi to bývá t žká voda (D2O) nebo grafit (C). 2) „Nepružný rozptyl (n,n)“ Tento proces je možný pouze pro neutrony s energiemi 0,5 MeV až 20 MeV (rychlé neutrony). Po tomto rozptylu z"stává atomové jádro v excitovaném stavu. Na tuto excitaci se spot#ebuje !ást kinetické energie interagujícího neutronu. 3) „Radiak!ní záchyt (n,+)“ P#i tomto procesu je neutron zachycen jádrem, které v d"sledku toho p#ejde do vzbuzeného stavu. P#i p#echodu jádra do základního stavu je emitováno zá#ení gama. Radia!ní záchyt je možný pouze v p#ípad pomalých neutron", které mají energie v rozmezí 10-6 eV až 10-3 eV. Tento jev se využívá pro odstín ní neutronového zá#ení, které bylo p#edtím zpomaleno moderátorem. 4) „Jaderné reakce (n,p), (n,%)“ Je to proces nejpravd podobn jší pro lehká jádra. Vlivem interakce je neutron jádrem pohlcen a z jádra je emitována nabitá !ástice. Konkrétními p#íklady takových reakcí jsou nap#. 3 1 3 1 (n,p) ) 2 He ' 0 n&1 H ' 1 p 6 1 3 4 10 1 7 4 (n,%) ) 5 B ' 0 n& 3 Li ' 2 % 3 Li ' 0 n&1 H ' 2 % , 5) „Št pení jader (n,f)“ P#i tomto procesu je v d"sledku interakce neutronu a jádra jádro rozšt peno obvykle na dva až t#i fragmenty f (fishion). P#i št pení jsou z jádra uvoln ny dva až t#i neutrony, tedy více než kolik jich do interakce vstoupilo. Na tomto jevu je založena #et zová reakce nap#. v jaderném reaktoru a p#i jaderném výbuchu. V p#ípad izotop" 239 233 235 92 U , 92 U a 94 Pu nastává št pení vlivem tepelných neutron", které mají energie v oblasti -3 5.10 eV až 5.10-1 eV.

Uvoln!ní jaderné energie Na obr.14.6 je znázorn na závislost vazbové energie v p#epo!tu na jeden nukleon na hmotnostním !ísle. Ve vazbovou energii, která drží jádro pohromad , se prom nila !ást hmotnosti nukleon" podle vztahu E v # -m c 2 .

(14.9)



Obr.14.6 závislost vazbové energie v p#epo!tu na jeden nukleon na hmotnostním !ísle Jinými slovy jádro má menší hmotnost, než jaký je sou!et klidových hmotností všech nukleon", ze kterých je jádro složeno. Z obrázku je vid t, že energii lze uvolnit jednak spojením lehkých jader na t žší, která jsou v oblasti nejstabiln jších jader, nebo št pením t žkých jader na jádra leh!í op t v oblasti nejstabiln jších jader. Spojování lehkých jader se #íká termonukleární reakce nebo jaderná fúze a probíhá samovoln v jádrech hv zd. Hmotu Slunce tvo#í p#edevším jádra vodíku a volné elektrony, malé zastoupení jader helia a stopové p#ím si jader lithia p#ípadn t žších prvk". P#íklady n kterých reakcí probíhajících v jádru Slunce jsou v tab.14.3, množství uvoln né energie je u jednotlivých reakcí uvedeno. Vysoká teplota v #ádu 107K je nutná, protože jádra jsou kladn nabitá a musí mít dostate!nou energii, aby dokázala p#ekonat odpudivé elektrostatické síly a p#iblížit se na dosah p"sobení jaderných sil, tedy na vzdálenost 10-15m. Um le m"že být dosaženo jaderné fúze ne#ízenou reakcí výbuchem vodíkové bomby nebo #ízenou reakcí v náro!ných za#ízeních zvaných tokamak nebo za#ízení na pinch efekt. 'ízená reakce však není dosud technicky zvládnuta natolik, aby byla použitelná k výrob energie. Št pení t žkých jader m"že probíhat #ízenou reakcí ve št pných jaderných reaktorech nebo ne#ízenou reakcí jaderným výbuchem. 'ízená št pná #et zová reakce (viz výše) je technicky zvládnuta již od r.1942, kdy byl spušt n první jaderný reaktor v USA. Št pné Martin Libra – Fyzika, jaderná fyzika


jaderné reaktory pracují ve všech jaderných elektrárnách k výrob používány jako zdroj neutron" k v deckému výzkumu.

energie, nebo jsou

Tab.14.3 P#íklady jaderných reakcí v jádru Slunce 1 1

H ' 11 H & 21 D ' e ' ' ) e ' (

2 1 3 2

D ' 11 H & 23 He ' (

2 1

D ' 21 D & 23 He ' 01 n ' 3,26 MeV

2 1 2 1

D ' 21 D & 31T ' 11 H ' 4,03 MeV

He ' 11 H & 43 Li ' (

D ' 31T & 42 He ' 01 n ' 17,6 MeV

2 1 6 3

D ' 23 He & 42 He ' 11 H ' 18,4 MeV Li ' 21 D & 42 He ' 42 He ' 22,4 MeV

6 3

Li ' 11 H & 23 He ' 42 He ' 4,02 MeV

7 3

Li ' 21 D & 42 He ' 42 He ' 01 n ' 14,9 MeV

7 3

Li ' 11 H & 42 He ' 42 He ' 17,3 MeV

Detekce ionizujícího zá ení Detektory ionizujícího zá#ení jsou ur!eny ke stanovení jeho základních fyzikálních charakteristik. Jsou založeny na interakcích ionizujícího zá#ení s hmotným prost#edím, které byly výše popsány. Konstrukce detektor" závisí na jejich ur!ení, t.j. pro jaký druh ionizujícího zá#ení jsou ur!eny a jaké fyzikální vlastnosti ionizujícího zá#ení mají být studovány. Z hlediska fyzikálních proces", ke kterým v detektorech ionizujícího zá#ení dochází, je možno rozd lit detektory na n kolik základních typ": plynové, scintila!ní a polovodi!ové. Zvlášt v posledních letech vzr"stá význam polovodi!ových detektor" s rozvojem nových technologií umož%ujících výrobu velmi !istých polovodi!ových materiál". Kone!ným výstupním signálem z uvedených druh" detektor" je obvykle po zaregistrování jedné !ástice nap &ový impuls, který je dále zpracováván a vyhodnocován. Amplituda tohoto impulsu bývá !asto úm rná energii zaregistrované !ástice. Velmi d"ležitý je i tvar nap &ového impulsu v závislosti na !asu, nebo& ten ovliv%uje další vlastnosti detektoru jako jsou !asové rozlišení a mrtvá doba.

Plynové detektory 1) Ioniza!ní komory: Tyto detektory jsou založeny na schopnosti ionizujícího zá#ení ionizovat plyn. Zpravidla se jedná o kom"rku vypln nou plynem (obr.14.7), ve které jsou umíst ny dv elektrody. Druh plynové nápln a geometrické uspo#ádání elektrod závisí na ur!ení detektoru.



Obr. 14.7 Schematické uspo#ádání plynového detektoru. Velmi d"ležitá je u plynových detektor" jejich voltampérová charakteristika (obr.14.8). Prochází-li ionizující zá#ení plynovým detektorem, plyn se ionizuje, tedy vznikají páry kladn nabitých iont" a záporn nabitých elektron". Bude-li mezi elektrodami potenciálový rozdíl, budou se kladné ionty pohybovat ve sm ru k záporné elektrod a záporné elektrony ke kladné elektrod . To znamená, že v uzav#eném elektrickém obvodu pote!e elektrický proud. Na velikosti nap tí mezi elektrodami závisí i rychlost, jakou se budou elektrony a ionty pohybovat. P#i nízkém nap tí bude jejich rychlost pom rn malá a bude docházet k rekombinaci iont" a elektron" ješt d#íve, než dojdou k elektrodám, nebo& pravd podobnost rekombinace roste s klesající vzájemnou rychlostí elektron" a iont". S rostoucím nap tím tedy proud roste až dosáhne tzv. nasyceného proudu. V této oblasti voltampérové charakteristiky všechny vytvo#ené elektrony doletí až k elektrodám, proto se zvyšujícím se nap tím už proud nem"že r"st. P#i vysokých nap tích budou elektrony získávat p#i urychlování v elektrickém poli takovou energii, že budou ionizovat další atomy plynu (sekundární ionizace), takže proud mezi elektrodami bude lavinov nar"stat. Tento jev se nazývá plynové zesílení.



Obr.14.8 Voltampérová charakteristika plynového detektoru. P#i m #ení aktivity zá#i!" alfa a beta bývají obvykle zá#i!e umíst ny uvnit# ioniza!ní komory, takže ionizující !ástice ztrácejí svou energii pouze v citlivém objemu komory. V p#ípad zá#ení beta lze zá#i! umístit i mimo vlastní ioniza!ní komoru za p#edpokladu, že elektrony budou do komory vstupovat okénkem, které bude zhotoveno z materiálu málo pohlcujícího elektrony, nap#. z hliníkové fólie. Tento zp"sob m #ení aktivity však není možný v p#ípad zá#ení alfa, nebo& dosah !ástic alfa o energii n kolika MeV je malý a tudíž by zna!ná !ást zá#ení alfa byla pohlcena již ve vstupním okénku ioniza!ní komory. M #ení zá#ení gama vyžaduje speciální uspo#ádání ioniza!ních komor, nebo& ionizace plynu v komo#e je zp"sobena elektrony uvoln nými ze st n komory n kterým z možných zp"sob" interakce zá#ení gama s prost#edním. Z tohoto d"vodu je t#eba vyráb t vnit#ní st ny ioniza!ních komor z materiál" s vysokým protonovým !íslem Z. Pro m #ení neutronového zá#ení tvo#eného pomalými neutrony se používají ioniza!ní komory s plynnou náplní BF3 s p#ím sí argonu, nebo ioniza!ní komory jejichž katoda je pokryta slou!eninami obsahujícími bór nebo lithium. Neutrony, které vletí do komory, zp"sobí n kterou z jaderných reakcí 10 1 7 4 5 B ' 0 n& 3 Li ' 2 % , 6 1 3 4 3 Li ' 0 n& 1 H ' 2 % , p#i kterých se uvolní !ástice ionizující plynnou nápl% ioniza!ní komory, kterou lze snadno detekovat. Mohou se také používat ioniza!ní komory, které mají katodu pokrytou izotopem uranu 235 92 U . Neurony vyvolávají št pení jader uranu, p#i!emž vzniklé št pné fragmenty jsou nositeli n kolika elementárních náboj", takže siln ionizují plynnou nápl% komory. K registraci rychlých neutron" se používají plynné nápln bohaté na lehké prvky (CH, CH2, Martin Libra – Fyzika, jaderná fyzika


C2H6 a pod.). Neutrony jsou t mito látkami rozptylovány. P#i t chto rozptylech rychlé neutrony vyrážejí z látek vodík nebo disociují molekuly n kterých látek na ionty, které ionizují nápl% komory. 2) Proporcionální po!íta!e: Geometrické uspo#ádání proporcionálních po!íta!" je obdobné jako u ioniza!ních komor. Proporcionální po!íta!e pracují v oblasti proporcionality III (obr.14.8). V této oblasti se za!íná projevovat ionizace nárazem, to znamená, že elektrony mezi dv ma srážkami získají v elektrickém poli energii posta!ující k další ionizaci plynu. 3) Geigerovy-Müllerovy po!íta!e: GM po!íta!e pracují v Geigerov oblasti IV voltampérové charakteristiky (obr. 14.8). Jejich uspo#ádání je obdobné, jako v p#ípad ioniza!ních komor nebo proporcionálních po!íta!". Obvykle se používá koaxiální uspo#ádání elektrod. Plynná nápl% má obvykle tlak nižší než 105 Pa. Pro zvýšení ú!innosti detektoru se do plynné nápln obvykle p#idává malé množství organických látek, nap#. alkoholu, etylén, trimetylbóru a pod. Nap tí na elektrodách GM po!íta!e se nastavuje pod hodnotu zp"sobující samostatný výboj. Proletí-li ionizující !ástice, plyn se stane vodivý, vznikne nesamostatný výboj a obvodem te!e proud. Na sériov zapojeném rezistoru stoupne nap tí, a klesne nap tí na elektrodách GM trubice, což zp"sobí zhašení výboje. Elektronika vyhodnocuje po!et puls" a tak po!ítá !ástice, které trubicí prolétly. Pokud n která !ástice vstoupí do detektoru v dob registrace jiné !ástice, není zaregistrována, nebo& ob !ástice se projeví jako jediný impuls. Doba, kdy je detektor „zablokován“ se nazývá mrtvou dobou a statisticky je poté t#eba korigovat nam #ené hodnoty. Scintila"ní po"íta"e Detekce ionizujícího zá#ení prost#ednictvím scintila!ních detektor" je jedna z nejstarších metod. Princip metody se opírá o skute!nost, že nabité !ástice mohou v n kterých látkách (krystalech) vyvolávat krátké záblesky v oblasti viditelného nebo ultrafialového sv tla.

Obr. 14.9 Schematické uspo#ádání scintila!ního detektoru. Schematické uspo#ádání scintila!ního detektoru je uvedeno na obr. 14.9. *ástice ionizujícího zá#ení, která pronikne do scintila!ní látky S vyvolá sv telné záblesky. Takto vzniklé fotony po pr"chodu scintilátorem jsou sv tlovodem SV vedeny na fotokatodu FK fotonásobi!e. Na fotokatod vyvolají fotony fotoelektrický jev. Fotokatoda je tenká vrstva látky, u které je vysoká pravd podobnost fotoemise elektronu dopadem fotonu p#íslušné vlnové délky. Elektrony uvoln né z fotokatody dopadají na elektrody ve fotonásobi!i (tzv. Martin Libra – Fyzika, jaderná fyzika


dynody D), které jsou zhotoveny z materiálu s vysokým koeficientem sekundární emise, t.j. dopadající elektron vyvolá emisi n kolika dalších elektron". Dynod je ve fotonásobi!i n kolik podle požadovaného zesílení. Z poslední dynody jsou elektrony vedeny na anodu A, ke které je p#ipojen p#es uzem%ovací odpor R kondenzátor C, na kterém se pr"let ionizující !ástice scintilátorem projeví nap &ovým impulsem. Nam #ené hodnoty je t#eba rovn ž statisticky korigovat podobn jako u GM po!íta!e. Polovodi"ové detektory V polovodi!ových materiálech jsou dopadem ionizující !ástice generovány páry elektron-díra, nap tí p#iložené na detektor zp"sobí tok elektron" ke kladné elektrod a tok d r k záporné elektrod . Dopad !ástice se tedy projeví jako nap &ový impuls na sériov zapojeném rezistoru (viz obr.14.10), nam #ené hodnoty je t#eba rovn ž statisticky korigovat podobn jako u GM po!íta!e.

Obr.14.10 Schéma uspo#ádání detekce ionizujícího zá#ení s polovodi!ovým detektorem.

Radioaktivní zá i"e Základní veli"iny charakterizující zá i" Radioaktivní látky našly široké možnosti využití nejen ve fyzikálním výzkumu, ale také v r"zných oborech v dy a techniky, nap#. v léka#ských aplikacích. Zpravidla se používá ur!ité množství radionuklidu, které nazýváme radioaktivní zá#i!. K tomu, abychom mohli radioaktivní zá#i! kvantitativn a kvalitativn popsat, musíme zavést n které veli!iny. P#edevším je každý zá#i! charakterizován typem p#em ny, ke které v jeho jádrech dochází (p#em na alfa, beta, emise zá#ení gama, emise neutron"). K p#em n dochází s ur!itou pravd podobností, neboli s ur!itým polo!asem p#em ny T1/2, který je pro daný zá#i! konstantou. *ástice jsou emitovány s ur!itou energií nebo energiemi. Typ p#em ny je vnit#ní charakteristikou zá#i!e, ale nepopisuje jej kvantitativn .



Veli!ina charakterizující množství a rychlost radioaktivních p#em n se nazývá aktivita. Aktivita je definována dN , ( 14.10) A# dt t.j. jako podíl st#edního po!tu dN samovolných jaderných p#em n z daného energetického stavu v ur!itém množství radionuklidu za !asový interval dt a délky tohoto intervalu dt. Jednotkou aktivity je becquerel (zna!ka Bq), jejíž rozm r je s-1. Veli!ina N (obecn po!et entit) zde ozna!uje po!et radioaktivních p#em n, p#i m #ení používáme N k ozna!ení po!tu !ástic vyslaných zá#i!em, event. k ozna!ení po!tu signál" registrovaných detektorem. Tato veli!ina vyjad#uje po!et d j" a je tedy bezrozm rná. Pozor! Je t#eba rozlišovat po!et N a !etnost ozna!enou n. *etnost n je definována jako podíl st#edního po!tu d j" nebo interakcí a délky !asového intervalu, v n mž tyto d je prob hly. Má vždy rozm r s-1. Interakci ionizujícího zá#ení s látkou popisuje skupina veli!in, z nichž n které zavedeme. Pro posouzení ú!ink" zá#ení na látky i na živé organismy se užívá veli!ina dávka (absorbovaná dávka) D, která je definována d/ , (14.11) D# dm kde d / je st#ední sd lená energie, t.j. energie p#edaná ionizujícím zá#ením látce o hmotnosti dm v daném míst . Jednotkou dávky je gray, zna!ka Gy. Gray má rozm r m2.s-2. P#i stanovení dávky je t#eba vždy uvést druh látky s níž zá#ení interaguje, nap#. dávka ve vzduchu D% , dávka v živé tkáni Dt a pod. Dávkový p#íkon D je podíl p#ír"stku dávky dD za !asový interval dt tohoto intervalu dt dD . ( 14.12) D# dt Jednotka dávkového p#íkonu je Gy.s-1, jeho rozm r je m2.s-3. Biologický ú!inek ionizujícího zá#ení nezávisí jen na absorbované dávce zá#ení, ale také na druhu zá#ení. Pro ú!ely ochrany p#ed zá#ením je proto nutné zavést veli!inu, která by odrážela r"zné biologické ú!innosti jednotlivých druh" zá#ení. Jako referen!ního zdroje zá#ení se obvykle používá rentgenové zá#ení s energií 200 keV. Biologická ú!innost zá#ení vztažená k ú!innosti referen!ního zdroje se nazývá jakostní faktor Q. Hodnoty jakostního faktoru Q, který charakterizuje závažnost biologických ú!ink" ur!itého druhu zá#ení, jsou následující (pro vybrané druhy zá#ení): zá#ení X, +, (- ,(+ ....................................................... !ástice % ................................................................... tepelné neutrony ....................................................... neutrony s neznámými energetickým spektrem .........

1 20 2,3 10

Zapo!tením jakostního faktoru lze zavést dávkový ekvivalent H, který charakterizuje biologické ú!inky zá#ení (již s ohledem na r"zné druhy zá#ení) H # D. Q. N ,

( 14.14)

kde D je absorbovaná dávka (Gy), Q je jakostní faktor (bezrozm rné !íslo) a N je modifikující faktor, obvykle roven jedné. Jednotkou dávkového ekvivalentu je Sievert (Sv).


eská zem!d!lská univerzita v Praze, Technická fakulta Radioaktivní zá i"e 1) Zá#i!e alfa existují jednak jako p#irozené radionuklidy, jednak je možno je p#ipravit um le pomocí jaderných reakcí. Jednou z p#edností radionuklid" alfa je obrovské rozmezí polo!as" rozpadu p#i relativn malých rozdílech v energii emitovaných !ástic. Nap#íklad v p#ípad 212 Po mají !ástice alfa energii 8,78 MeV a polo!as rozpadu T1/ 2 # 3,04.10 7 s, zatímco v p#ípad 232 Th je energie !ástic alfa 3,98 MeV a polo!as p#em ny T1/ 2 # 1,39.1010 rok". Další p#edností je !árové energetické spektrum vysílaných !ástic. Hodnoty energií jsou vesm s ur!eny s p#esností 0,1%, což odpovídá #ádov jednotkám keV. Vysoká p#esnost v ur!ení hodnot energie a malá p#irozená ší#ka pík" ve spektru jsou d"vodem k použití zá#i!" alfa pro energetickou kalibraci a ur!ení energetického rozlišení detektoru. 2) Zá#i!e beta emitují elektrony nebo pozitrony. Zá#i!e (- emitující elektrony jsou jak p#irozeného p"vodu, tak p#ipravované um le pomocí jaderných reakcí. Zá#i!e (+ emitující pozitrony se p#írod nenacházejí, dají se p#ipravit pouze um le pomocí jaderných reakcí v urychlova!ích nebo v jaderných reaktorech. Pro emisi elektron" i pozitron" platí obecná zákonitost: !ím v tší je energie uvol%ovaná p#i p#em n , tím kratší je polo!as p#em ny beta. Nejkratší polo!asy p#i p#em n beta jsou #ádov 10-2 s a odpovídá jim energie asi 10 MeV uvol%ovaná p#i p#em n . Energetické spektrum zá#ení beta je spojité a charakteristickou veli!inou je maximální energie ve spektru. Ve v tšin p#ípad" je výsledné jádro po p#em n beta ve vzbuzeném stavu a prakticky sou!asn s emisí elektron" !i pozitron" dochází i k emisi zá#ení gama. Existují však i p#ípady, kdy se výsledné jádro po p#em n nalézá v základním stavu, takže zá#i! beta zhotovený z t chto radionuklid" by nem l vyza#ovat žádné zá#ení gama. Ve skute!nosti však nelze p#ipravit zá#i!e beta bez doprovodné emise zá#ení gama ze dvou p#í!in: za prvé p#i pohybu lehkých nabitých !ástic látkou vzniká brzdné zá#ení (i v materiálu zá#i!e !i podložky) a za druhé p#em na beta znamená zm nu po!tu proton" v jád#e a tím i odpovídající zm nu v atomovém obalu, která je provázena emisí elektromagnetického zá#ení. Je-li zá#i! beta zdrojem pozitron", vznikají navíc v materiálu zá#i!e nebo podložky fotony s energií 0,511 MeV v d"sledku anihilace pozitron" s elektrony. 3) Radioaktivní zdroje zá#ení gama jsou obvykle radionuklidy, v nichž probíhá p#em na beta. Výhodou t chto zdroj" je možnost dosažení vysoké aktivity. V tšinou se jádro dostává do základního stavu postupnou deexcitací p#es n kolik energetických hladin, tedy v t chto p#ípadech jsou emitovány fotony s n kolika hodnotami energie. Energie emitovaného zá#ení gama leží pro r"zné radionuklidy v intervalu od n kolika keV až do 20 MeV. Užíváme-li zá#i! gama pro kalibraci detektor", volíme ty zdroje zá#ení gama, jejichž energetické spektrum obsahuje nejvýše t#i píky, energeticky od sebe dostate!n vzdálené. Pro tento ú!el se nej!ast ji používají nuklidy 24 Na , 60 Co,137 Cs. 4) Zdroje neutron": Radioaktivními zdroji neutron" jsou vždy myšleny zdroje, v nichž se realizují jaderné reakce typu (%, n) nebo (+, n) s použitím radioaktivního zá#i!e jako zdroje 1 !ástic alfa nebo zá#ení gama. Využívá se p#itom nap#. jaderná reakce 49 Be ' 24He & 12 6 C ' 0 n, která probíhá s velkou pravd podobností. Z radioaktivních zá#i!" se jako zdroj !ástic alfa pro tuto reakci používá bu$ radionuklid 210 Po, u n hož je na závadu relativn krátký polo!as p#em ny 139 dn", nebo 226 Ra s polo!asem p#em ny 1620 rok". Pro reakce typu (+, n) lze s úsp chem použít jader dvou nuklid" 49 Be a 12 H . Nejv tší toky neutron" poskytují jaderné reaktory. Z celého povrchu aktivní zóny reaktoru vystupuje až 1018 neutron" za sekundu, p#i!emž jejich energie leží v intervalu od 10-3 eV až do 20 MeV.


eská zem d lská univerzita v Praze, Technická fakulta

Recommend Documents