RADIOAKTIVITA =SCHOPNOST NĚKTERÝCH ATOMOVÝCH JADER VYSÍLAT ZÁŘENÍ • přírodní nuklidy – STABILNÍ NUKLIDY – RADIONUKLIDY = projevují se PŘIROZENOU RADIOAKTIVITOU (objeveny 1896 Antoin Henri Becquerel) sklo barvené uranem
snímek záření solí uranu
KAP. 13 RADIOAKTIVITA A JADERNÉ REAKCE
Typy radioaktivního záření • α-ZÁŘENÍ – rychle letící jádra helia He 4 (helion) – Ek ∼ 2 MeV - 8 MeV – pohlceno listem papíru či několika centimetry vzduchu ⇒ snadno se bráníme – nebezpečné při vdechnutí zářiče! – silně ionizující účinky (1 α částice vytvoří cca 105 iontů vzduchu) – vychyluje se v magnetickém poli
• β-ZÁŘENÍ – rychle letící elektrony – pohlceno tenkým hliníkovým plechem – vychyluje se v megnetickém a elektrickém poli – uměle vytvořené radionuklidy vyzařují POZITRONY – částice e+ – proto existuje β- a β+ radioaktivita
• γ-ZÁŘENÍ – nejpronikavější (až několik metrů betonu), odstíněno olovem – elektromagnetické záření (λ < 300 pm) – neodchyluje se v magnetickém poli – silně ionizuje atomy – uvolňuje v důsledku fotoelektrického jevu částice z látky, vytváří páry elektron-pozitron
1
• NEUTRONOVÉ ZÁŘENÍ – proud rychle letících neutronů – reaguje s atomovými jádry (nemá náboj→není odchýleno obaly) – ochrana materiály obsahujícími lehké atomy (voda) – neutronová bomba (1977 USA) – poškození buněčných stěn, šetrná k budovám
ZÁKONY RADIOAKTIVNÍCH PŘEMĚN • materiál vysílá záření α či β a mění se při tom na stabilní nuklid • VELIČINY – AKTIVITA (A) – počet radioaktivních přeměn za 1 sekundu – [A] = Bq (becquerel) – 1 Bq je 1 přeměna za 1 sekundu
– MĚRNÁ AKTIVITA – aktivita 1 kg zářiče (stavební kámen pro obytné stavby max. 300 Bq/kg Ra-226) – OBJEMOVÁ AKTIVITA – aktivita 1 m3 zářiče (u plynů či kapalin) (100 Bq/m3 Ra-226 u novostaveb a 200 Bq/m3 u starých)
zpět k aktivitě vzorku... ln 2 A t = A 0 .e − λt λ= T1 AKTIVITA VZORKU PŘEMĚNOVÁ KONSTANTA
A 0 = λ.N 0 plošná aktivita v ČR po spadu z Černobylské havárie (1986) 10 – 30 kBq.m-2
2
POLOČAS PŘEMĚNY = čas za který aktivita vzorku klesne o 1/2
dnes jednotky kBq.m-2
2
Prvek
Izotop
Poločas rozpadu
Bismut
209
Bi
cca. 1,9·10
Thorium
232
Th
14,05 miliard let
Uran
238
U
4,468 miliard let
Plutonium
239
Pu
Uhlík
14
Radium
226
Ra
1622 let
Cesium
137
Cs
30 let
Tritium
3
Síra
35
Radon
222
Rn
3,8 dní
Francium
223
Fr
22 minut
Thorium
223
Th
0,9 sekundy
Polonium
212
Po
Beryllium
8
C
H
19
let
ZÁKON RADIOAKTIVNÍ PŘEMĚNY
24110 let 5730 let
N t = N 0 e − λt
12,36 let
S
Be
87,5 dní
0,3 µs -17
6.7 · 10
s
Radioactive Decay of Bismuth-210 (T½ = 5 days)
• T1/2 – od zlomků sekundy až po miliardy roků – v přírodě existují radionuklidy s dlouhým poločasem rozpadu (srovnatelné s životem hvězd) + raionuklidy, které průběžně vznikají (např. vlivem kosmického záření C-14)
• radioaktivní přeměnou jádra (α, β, záření) se nuklidy mění, až vznikne stabilní nuklid 226 88
1 0
4 Ra → 222 86 Rn + 2 He
n →11 p + e − + ν
antineutrino
Izotop Poločas přeměny
Přeměna
241
Pu
14,920 r
β
241
Am
432,2 r
α
237
Np
2,144··10 r
α
233
Pa
26,967 d
β
233
U
229
Th
−
6
−
5
1,592··10 r
α
7340 r
α
225
Ra
14,9 d
β
225
Ac
10,0 d
α
221
Fr
4,9 min
α
217
At
213
Bi
213
Po
209
Tl
209
Pb
209
Bi
−3
32,3··10
−
α
s
45,59 min β −
−6
3,65··10
α (2,09 %)
s α −
β
2,161 min 3,253 h
−
β
stabilní
3
• ostřelováním těžkých jader neutrony či těžkými ionty získáy jádra s Z > 92 → TRANSURANY
• Jde rychlost rozpadu regulovat? – NE, ale jde ovlivnit proces pohlcení elektronu
p + e− → n + ν e
– plutonium (T1/2 = 24000 r)
– elektron musí být v blízkosti jádra a to lze ovlivnit – další způsoby – chemické složení, vyšší tlak, jádro Re-187 bez elektronů je velmi stabilní
Zákony zachování při jaderných reakcích
JADERNÉ REAKCE = jaderná přeměna způsobená srážkou jádra s jinými jádry či částicemi • E. Rutheford (1919) 4 2
He +147 N →178 O +11 H
VSTUPUJÍCÍ ČÁSTICE → VYSTUPUJÍCÍ ČÁSTICE
• • • •
ZZ ENERGIE ZZ HYBNOSTI ZZ ELEKTRICKÉHO NÁBOJE ZZ POČTU NUKLEONŮ
• J. D. Cockcroft a E. T. S. Walton (1932) na urychlovači 1 1
H + 73 Li→ 42 He+ 42 He
neutrony
0
n + 7 N →3 2 He + 1 H
n + 105 B→ 73 Li+ 42 He
Reakce z energetického hlediska
• vznikají v horních vrstvách atmosféry, působením protonů kosmického záření, které rozbíjejí jádra atmosférického dusíku a kyslíku a uvolňují neutrony • POMALÉ NEUTRONY C-14 radiuhlíkové 1 14 14 1 0 n + 7 N → 6 C+1 H datování • RYCHLÉ NEUTRONY 1 14 4 3
1 0
zdroj hélia v atmosféře (unikají do kosmu), hélium vzniká přeměnou prvků v zemské kůře
• ENDOENERGETICKÉ – nutno dodávat energii, aby reakce proběhla
• EXOENERGETICKÉ – energie se uvolňuje ve formě kinetické energie či energie fotonů – JADERNÁ FÚZE (slučování lehkých jader) – JADERNÉ ŠTĚPENÍ (těžká jádra)
4
• pravděpodobnost uskutečnění reakce závisí na: – ÚČINNÝ SRÁŽKOVÝ PRŮŘEZ = „zachytitelnost“ letící částice – ENERGIE ČÁSTICE – pomalejší neutrony rozštěpí jádro pravděpodobněji
Jaderné slučování • slučovat se prvky mohou až po železo – koncový stav má nižší energii než počáteční
Jaderné štěpení • pomalý neutron může rozštěpit jádro uranu-235 na 2 části • ke zpomalení se v reaktoru používá MODERÁTOR = grafit (Černobyl), těžká voda 1 0 1 0
144 89 1 n + 235 92 U → 56 Ba + 36 Kr + 3 0 n
140 93 1 n + 235 92 U → 55 Cs + 37 Kr +30 n + 200 MeV
po zpomalení mohou štěpit další jádra
5
produkty štěpení uranu
podíl z celkové dávky (ve vzduchu) vyzařované různými izotopy po havárii v Černobylu
236U
NEUTRON
235U
• část neutronů unikne do okolí či pohltí se bez štěpení • k uskutečnění ŘETĚZOVÉ REAKCE musíme mít k dispozici dostatečné množství štěpného materiálu = KRITICKÉ MNOŽSTVÍ
oscilace
od fragmentů se odštěpí několik neutronů (záleží na typu fragmentů)
– 235U – 50 kg (koule o poloměru 18 cm) – 239Pl – 10 kg
•
235U
se vyskytuje v přírodě (ale jen 0,72% přírodního uranu je 235U) • 239Pl – vzniká ozářením 238U neutrony
6
