Stabilita atomového jádra Radioaktivita
Atomové jádro Protony & Neutrony • Proton – Kladný náboj – 1.672 x 10-27 kg – Stabilní
• Neutron – Bez náboje – 1.674 x 10-27 kg – Dlouhodobě stabilní jen v jádře
1
Struktura jádra • A=Z+N – A – nukleonové číslo – Z – protonové číslo – N – neutronové číslo
A Z
X
• Nuklid – atom o určitých číslech Z & N • Isotopy – nuklidy prvku s různým počtem neutronů • Nestabilní isotopy se nazývají ‘radioaktivní’
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 1 1 2 1 3 1
H H=D H=T
lehký vodík (obyčejný) těžký vodík (deuterium) supertěžký vodík (tritium)- radioaktivní
2
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 β (β-, β+)
Příklady
60 28
Ni
60 27
238 92
U
238 93
Np
238 94
Pu
238 92
U
Co
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 γ, tj. vyslání vysokoenergetického fotonu
Příklad 99 43
Tc
99 43
* Tc m ( 99 43Tc ) metastabilní (excitované) technecium
3
Jádro: Stabilita vs. poměr N/Z stablestabilní element Poslední prvek
• Je známo 3000 různých nuklidů, z nichž pouze 266 je stabilních!
• Stabilitu vykazuji jádra s N ≈ Z, pro vyšší Z pak spíše N > Z. (el.-stat. repulze protonů)
Neutronové číslo N
– prvky se Z > 83 nejsou stabilní!
Z = 83 (Bi) Linieof stability Line Stability 100
N=Z 50
50
100
Protonové číslo Z
Interakce v jádře • Elektrostatická - působí mezi souhlasně nabitými protony Æ odpudivá
• Silná jaderná - působí mezi všemi nukleony, přitažlivá, nejsilnější známá síla - krátký dosah (jen v rámci jádra, tj. ca. 10-15m) - projevují nasycenost (působí jen na určitý počet nukleonů v okolí)
4
Modely jádra • Slupkový model – podobně jako elektrony obsazují energetické hladiny- slupky (orbitaly), tak i v jádře existují energetické hladiny pro protony a neutrony. Jádro je stabilní, pokud jsou obsazeny nejnižší slupky.
• Kapkový model – Jádro je jako kapka vody. Síly uvnitř kapky musí být v rovnováze s vnějšími silami.
Hmotnost atomu Proton a neutron mají téměř shodnou hmotnost, která je 1840 krát větší než hmotnost elektronů Hmotnost jádra je dána počtem nukleonů matom = Zm p + Nmn + Zme mJ = Zm p + Nmn = ( Z + N )m p = Am p
mp= 1,6726.10-27 kg mn= 1,6750.10-27 kg me= 9,11.10-31 kg
Uvedené vztahy jsou velice přibližné, protože nezohledňuje změnu hmotnosti jádra působením vazebné jaderné energie v důsledku silných jaderných interakcí- tzv. hmotnostní deficit
5
Hmotnostní deficit (defekt) ∆m Při vytvoření jádra ze Z protonů a N neutronů se uvolní vazebná energie ∆EJ, 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 m = Zm + Nm − ∆m J
∆m =
p
n
∆E J c2
Atomová hmotnostní jednotka – definována jako 1/12 hmotnosti atomu izotopu 12C mu= 1,6605.10-27 kg
(mu.12.NA ) = M(12C)
Hmotnostní deficit (defekt) ∆m neutron + proton → deuterium
hmotnost hmotnost
Při reakci se „ztratila“ hmota- přeměna na vazebnou energii jádra deuteria. Při reakci se uvolní energie 2,23 MeV ve formě záření a zvýšené kinetické energie deuteria (→ teplo)
6
Hmotnostní deficit (defekt) ∆m Jak velká je jaderná vazebná energie v atomu izotopu 12C? Hmotnost atomu 12C je podle definice přesně rovna 12 mu m(jádro) = 12 mu – 6.me mJ = Zm p + Nmn − ∆m ∆m = Zm p + Nmn − mJ ∆m = 6m p + 6mn − (12mu − 6me) ∆m = 6.1,6726.10 − 27 + 6.1,6750.10 − 27 − 12.1,6605.10 − 27 + 6.9,109.10 −31 kg ∆m = 1,651.10 − 28 kg
(
)
2
∆E = ∆mc 2 = 1,651.10 − 28. 3.108 J = 1,486.10 −11 J =
1,486.10 −11 eV = 92,7 MeV 1,602.10 −19
→ 7,7 MeV / nukleon (viz dále)
Vazebná energie • Energie, která se uvolní, když protony a neutrony vytvoří jádro atomu. • Odpovídá hmotnostnímu úbytku jádra E = mc2 • vyjadřuje se v jednotkách MeV nebo J/mol
vazebná energie jádra 12C:
E = 1,486.10 −11.6,022.10 23 = 8,95.1012 J / mol = 8,95 TJ / mol E=
1,486.10 −11 eV = 92,7 MeV 1,602.10 −19
7
Vazebná energie / nukleon ( MeV)
A = 56 209Bi
Nukleonové číslo A
• • a) b)
Vazebná energie na jeden nukleon dosahuje maxima při A = 56. (Fe) → nejstabilnější jádro Je možné získat energii: srážkou dvou lehkých jader: (termo)jaderná fúze rozpadem těžkého jádra (A~200) na dvě lehčí jádra (A~60): štěpná reakce
Štěpná reakce po nárazu pomalého neutronu (E<0,3 eV) se atom uranu rozštěpí na dvě menší jádra, uvolní se energie (ca. 200 MeV) a kromě toho také až 3 neutrony. 235 142 91 11 Možná štěpení: 11 235 142 91
n + 92 U → 56 Ba + 36 Kr + 300n 92 56 36
00
139 95 Ba + 95 Kr + 21010n →139 56 36 56 36
144 89 La + 89 Br + 31010n →144 57 35 57 35
Vzniklé neutrony mohou aktivovat další jádra uranu – dochází k řetězové štěpné reakci (k tomu nutné jisté minimální množství štěpného materialu (kritická hmotnost)).
8
Štěpná reakce
Jaderné elektrárny: jaderná reakce je řízena pomocí řídících tyčí, které jsou vyrobeny z materiálu, který dobře absorbuje neutrony (B, Cd)
plný výkon střední výkon zástava reaktoru
Moderátor slouží ke zpomalování neutronů, používá se lehká (H2O) nebo těžká (D2O) voda
Termojaderná fúze • exoenergetická jaderná syntéza • velká el.-stat. repulze mezi jádry → nutnost vysoké teploty (min. 106 K) • hvězdy, vodíková bomba, řízená termojaderná fúze pouze ve stadiu experimentů 2 2 3 1 • např.: + 4,0MeV 1 H + 1 H → 1 H +1 p 2 1
H + 31H → 42 He + 01n + 17,6MeV
TOKAMAK:
9
Termojaderná fúze na hvězdách
Matematická vložka:
exponenciální a logaritmické funkce
10
Exponenciální funkce - vlastnosti 1 f ( x) = a − x = a
x
f ( x) = a x
Logaritmická funkce • Logaritmem o základu a nazveme funkci inverzní k a značíme ji:
f ( x ) = log a x
a > 0,
f ( x) = a x a ≠1
logaritmus čísla x o základu a je takové číslo y, pro které platí av = x: y
y = log a x ⇔ x = a
• V přírodních vědách mají význam pouze logaritmy se základy: a = 10 (dekadický log)
f ( x ) = log 10 x = log x a = e (≈ 2,718) (přirozený logaritmus)
f ( x) = log e x = ln x
11
Exponenciální a logaritmická funkce, a > 1 y
f ( x) = a
Logaritmus je inverzní funkce k funkci exponenciální → jejich grafy jsou symetrické podle osy 1. a 3. kvadrantu
x
a > 1 : funkce není omezená funkce je rostoucí funkce je prostá
x
nemá lokální extrémy vždy prochází bodem [1,0]
f ( x) = loga x
Pozn.: a = e > 1; a = 10 > 1
Exponenciální a logaritmická funkce, a < 1 Logaritmus je inverzní funkce k funkci exponenciální → jejich grafy jsou symetrické podle osy 1. a 3. kvadrantu
y
f (x) = ax
a < 1 : funkce není omezená (a > 0)
x
funkce je klesající funkce je prostá nemá lokální extrémy
f ( x) = loga x
vždy prochází bodem [1,0]
12
Vlastnosti exponentů a logaritmů a x1 a x2 = a x1 + x2
a x1 : a x2 = a x1 − x2
(a x1 ) x2 = a x1x2
x
(ab) = a b x
x
ax a = x b b
x
log a ( x1 x2 ) = log a x1 + log a x2 x log a 1 = log a x1 − log a x2 x2
log a x r = r log a x log a n x =
1 log a x n
log b x = log a x ⋅ log b a
Příklady logaritmů:
( )
ln e x = x = e ln x log 103 = 3
( )
log 10 = log 101 = 1
( )
log(1) = log 10 0 = 0
log(10 2.103 ) = log(10 2 ) + log(103 ) = 2 + 3 = 5
( )
log 10 4 = 4 log 10 = 4.1 = 4
( ) 1 ln = ln (x ) = −1. ln ( x ) = − ln x x
log(0,1) = log 10 −1 = −1 −1
13
Exponenciální a logaritmické rovnice Vyřešte rovnici
4 x + 3x + 4 = 4 x + 3 − 3x + 2
Součty nelze zlogaritmovat a mocniny mají různé základy. Je třeba rovnici nejprve nějak upravit: x x x+4 x+2 x+3 x
3
+3
= 4
3 ⋅ 90 = 4 ⋅ 63
−4
x
3 x 34 + 3 x 32 = 4 x 4 3 − 4 x 3 x ⋅ 81 + 3 x ⋅ 9 = 4 x ⋅ 64 − 4 x 3 x ⋅ 90 = 4 x ⋅ 63
7 3 = 10 4 3 7 x log = log 4 10 log 0,7 x = log 0,75
Logaritmická stupnice 108
100000000
108
107
10000000
107
106
1000000
105
100000
104
10000
104
103
1000
103
102
100
102
101
10
101
100
1
10-1
0.1
10-2
0.01
10-3
0.001
106
f (x) = 10
x
105
-2
10-1 10-2
1
2
3
4
5
6
10-3
0 je v nekonečnu
14
Logaritmická stupnice
Dekadická stupnice Ta samá data v dekadické stupnici – malé píky vůbec nejsou vidět!
Logaritmická stupnice
15
Rychlost rozpadu jader Kromě typu částic, které jsou emitovány při rozpadu jader se také zajímáme o to jaká je rychlost rozpadu daného nuklidu. Nemůžeme předpovědět, kdy se určité jádro rozpadne, ale pouze pravděpodobnost jeho rozpadu v určitém čase! Máme-li větší množství radioaktivní látky, po daném čase se rozpadne množství látky, které můžeme předem vypočítat. Některá radioaktivní jádra mají velice vysokou “rychlost rozpadu”, zatímco jiná mohou mít velice nízkou rychlost rozpadu. Ke kvantifikaci „rychlosti rozpadu“ jader se používají veličiny: Poločas rozpadu Přeměnová konstanta Střední doba života jádra
Poločas rozpadu „Poločas rozpadu” (T1/2) je čas, za který se rozpadne polovina všech jader radioaktivního materiálu. Příklad: předpokládejme 20,000 atomů radioaktivního látky . Jestliže je poločas rozpadu T1/2= 1 hodina, kolik atomů radioaktivní látky bude zbývat po: Čas
počet nerozp. atomů
% nerozp. atomů
1 hodina ( 1 x T1/2 ) ?
10,000
(50%)
2 hodina ( 2 x T1/2 ) ?
5,000
(25%)
3 hodina ( 3 x T1/2 ) ?
2,500
(12.5%)
16
Zákon radioaktivní přeměny Počet jader ∆N, která se při jaderných přeměnách rozpadnou v čase ve velice krátké čase ∆t:
∆N = -λ.N.∆t 1.2
N0 = počáteční počet částic N = počet nerozpadlých částic v čase t λ = přeměnová konst. částice (relativní úbytek částic za 1 s)
1.0
n(t)/n0
N = N0.e-λt
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0
1
2
λt
3
4
5
Vztah mezi přeměnovou konstantou λ a poločasem rozpadu T1/2: V čase T1/2 platí:
N 1 = e −λ .t = e −λ .T 1 / 2 = = 2 −1 N0 2 - ln 2 = - λ.T1/2
λ = ln2 / T1/2 =0,693/T1/2
17
Aktivita radioaktivního zářiče • Aktivita radioaktivního zářiče je dána počtem přeměněných jader za jednotku času:
A = ∆N / ∆t = λ.N. ∆t / ∆t = λ.N Jednotka aktivity: 1 becquerel (Bq)- odpovídá jedné přeměně za 1 s. Aktivita zářiče se mění s časem:
A= A0.e-λ.t
A0 …. Aktivita zářiče na počátku
Aktivita látky Jaká je aktivita 1g rádia 226Ra o poločasu rozpadu 1600 roků? A(t ) = λn(t ) ⇒ A0 = λN 0
λ=
ln 2 T
N0 =
mN A M
1 rok = 3,16.107 s
ln 2 mN A 0,693 1g .6,022.1023 mol −1 = A0 = T M 1600.3,16.107 s 226 g.mol −1 = 3,7.1010 s −1 = 3,7.1010 Bq = 1 Ci
18
Střední doba života τ τ = 1/λ = 1.443*T1/2 Střední doba života „volného” neutronu je 14.7 minuty {τ (neutron)=14.7 min.}
0τ 1τ 2τ 3τ 4τ 5τ
Podíl Čas nerozpadlých (min) neutronů
0 14.7 29.4 44.1 58.8 73.5
1.0 0.368 0.135 0.050 0.018 0.007
1.20
Survived jader podíl Fraction nerozpadlých
Čas (doby života)
N / N0 = e-t/τ
1.00 0.80
0.60
0.40
0.20 0.00 0
2
4
6
8
10
Lifetimes počet středních dob života
Pouplynutí uplynutí4-5 4-5„dob „dobživota“ života“jsou jsouuž už Po téměř všechny částice rozpadlé! téměř všechny částice rozpadlé!
Střední doba života Každá Každáčástice částicemá másvou svoucharakteristickou charakteristickoustřední střední dobu dobu života- velké velkérozdíly: rozdíly: života238 mástřední střednídobu dobuživota životaasi asi66biliónů biliónů (6x10 (6x1099))let! let! -- 238UUmá
některé subatomární subatomární částice částicemají majístřední střední doby dobyživota života -- některé -12 menší než než1x10 1x10-12 ss!! menší Máme=li Máme=lisoubor soubornestabilních nestabilníchčástic, částic,nemůžeme nemůžemeříci, říci, kteráčástice částicese sekdy kdykonkrétně konkrétněrozpadne rozpadne která Proces Procesrozpadu rozpaduse sechová chová statisticky. statisticky. Můžeme Můžeme pouze pouze předpovědět: předpovědět: 1) střední střední dobu dobuživota života radioaktivní radioaktivní látky látky nebo nebo 1) 2) „pravděpodobnost” „pravděpodobnost” rozpadu rozpadu dané dané konkrétní konkrétní částice. částice. 2)
19
Typy záření • Alfa – Největší částice – Pohlceno kůží, interně smrtelné – Dolet ve vzduchu: 3 cm
• Beta – Pohlceno hliníkovou fólií – Dolet ve vzduchu: 3 m
• Gama – Pohlceno pouze dostatečně silnou vrstvou olova či betonu
Radioaktivní rozpad α Emitování jádra hélia z jádra těžkého atomu (A >150) a jeho transmutace = přeměna na jiný prvek
A Z 226 88
Ra →
222 86
Rn
222 86
X→
A− 4 Z −2
Rn 2- + 42 He 2+ 226 88
Ra
D + 42 He 212 83
Bi →
Tl 2- + 42 He 2+
208 81
4 2+ Částice α = 2 He
Dceřinné jádro Vzniklý těžký anion má Z elektronů a Z-2 protonů ⇒ náboj 2Za zákona zachování energie a hybnosti je jednoznačně určena energie částice α i dceřinného jádra. Díky vysoké hmotnosti částice α dochází ke zpětnému rázu, jádro získává dostatečnou energii k ionizaci
20
Radioaktivní rozpad α Dolet R Jádro
[konst.] = m MeV −3 / 2
R ≈ konst. Ek3 / 2 ,
Poločas rozpadu α v s
Ek v MeV
212 84
Po
211 84
Po
0 , 52
224 88
Ra
3 ,14 . 10 5
5 , 681
241 95
Am
1, 48 . 10 10
5 ,532
3 , 04 . 10
−7
8 , 776
7 , 434
Dceřinné jádro má přesně určenou energii!
Radioaktivní rozpad βPodstatou rozpadu β- je přeměna neutronu na proton, elektron a elektronové antineutrino 1 0
n → 11p + + -01e- + ν e
Částice β (β-) = e
Poločas rozpadu volného neutronu je 15 minut Hmotnost neutronu je vyšší než hmotnost protonu a elektronu ⇒ může docházet k samovolnému rozpadu K β- rozpadu dochází při relativním nadbytku neutronů (vzhledem k počtu protonů) v jádře A Z
X → Z +A1X + + -01e- + ν e
14 6
C → 147 N+ + -01e- + ν e
(Anti)neutrina jsou téměř nedetekovatelná
21
Radioaktivní rozpad βEnergetické spektrum β elektronů je spojité on nulové hodnoty až po maximální Tříčásticový rozpad Zákon zachování energie a hybnosti Maximální energie vyzářených elektronů: 0,02 MeV u tritia 31H 13,4 MeV u boru 125 B Nejtěžší izotop podléhající β- rozpadu 255 99 Es, konkurencí α rozpad
Radioaktivní rozpad β+ Podstatou rozpadu β+ je přeměna protonu na neutron, pozitron a elektronové neutrino
( p ) → ( n) + 1 1
+
1 0
e +ν e
0 + 1
Částice β+ = e
+
Hmotnost protonu je vyšší než hmotnost neutronu ⇒ nemůže docházet k samovolnému rozpadu volného protonu, ale může k této přeměně docházet pouze v jádře atomu K β+ rozpadu dochází při relativním nadbytku protonů (vzhledem k počtu neutronů) v jádře Všechny β+ radionuklidy jsou umělé (využití: např. PET) A Z
X → Z −A1X − + 01e + + ν e
11 6
C → 115B − + 01e + + ν e
22
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 pElektron e-, pozitron e+ Elektronové neutrino ν e , elektronové antineutrino ν e (obojí elektricky neutrální)
Při srážce částice s antičásticí dochází k anihilaci, částice a antičástice zaniknou a uvolněná energie se vyzáří ve formě dvou fotonů γ letících opačnými směry e- + e + → 2 γ
Eγ ≥ mec 2 = 0,511 MeV
Využito v PET (pozitronová emisní tomografie)
Pozitronová emisní tomografie (PET) • e+ se prakticky ihned po emisi s jádra srazí s e- Æ anihilace- vznik dvou γ – fotonů o přesně stejné energii (511 keV), které se šíří přesně opačným směrem Æ výhoda: přesná detekce • v klinické praxi nejčastěji využívaná 2-fluoro-2-deoxy-Dglukóza (18FDG)- značení pomocí 18F
23
PET mozková aktivita: při poslechu
při čtení
Radioaktivní rozpad β - záchyt K Zachycení elektronu z první slupky obalu (slupka K) jádrem a následná jaderná reakce A Z
X+ -01e- → Z −A1X + ν e
Přeměna atomu, změna protonového čísla jako při rozpadu β+ 80 35
Br + -01 e - → 80 34 Se + ν e
24
Radioaktivní záření γ Vzniká v jádře atomů při změně energetického stavu jádra – následek emise či absorbce částice Nedochází ke změně hmoty jádra Vlnová délka λ < 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)
γ → e- + e +
Vnitřní konverze záření γ γ 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 je schopen ionizovat prostředí- Augerův elektron Přeskok elektronu z vyšší vrstvy na uvolněné místo vnitřní vrstvy ⇒ vznik RTG záření ⇒ γ zářič může být zdrojem sekundárního záření β a RTG záření
25
Jaderné reakce Zákony zachování
A1 Z1
′
′
X+ AZ22 Y → ZA1′ X + AZ2 ′Y 1
Počtu nukleonů
2
′
′
′
′
A1 + A2 = A1 + A2
Elektrického náboje
Z1 + Z 2 = Z1 + Z 2
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
Energie Hybnosti Momentu hybnosti
4 2
He+147 N → 178 O +11H α+147 N → 178 O + p 14 17 7 N(α,p ) 8 O
Přirozená radioaktivita Radiace je všudypřítomná. Mnoho nerostů, zvláště žula, obsahuje malé množství uranu, jehož rozpadem vzniká radioaktivní plyn radon. Slunce a další vesmírné objekty jsou zdroji radiace, jež částečně projde atmosférou až na zemský povrch.
Umělá radioaktivita Radioaktivní zdroje se používají např. ve zdravotnictví Jaderné zbraně, jaderná zařízení …
26
Radionuklidy • přírodní radionuklidy - primární - druhotné - kosmogenní • umělé radionuklidy
Primární radionuklidy (původní, fosilní) vznikaly při kosmické nukleogenezi termonukleárními reakcemi v nitrech hvězd, které pak vybuchly a obohatily zárodečný oblak, z něhož vzniklo naše Slunce a sluneční soustava. Součástí Země se tak staly při formování Sluneční soustavy před cca 4-5 miliardami let. Do dnešní doby se ovšem zachovaly pouze ty radionuklidy, které mají velmi dlouhý poločas rozpadu. Nejrozšířenějším primárním radionuklidem je draslík 40K, dalším přírodním primárním radionuklidem je thorium 232Th. Nejvýznamnějšími přírodními radionuklidy tohoto primárního původu v zemské kůře jsou však uran 238U a uran 235U
27
Druhotné radionuklidy - rozpadové produkty primárních radionuklidů. - přírodní radionuklidy 232Th, 238U a 235U se rozpadají na jádra, která jsou také radioaktivní, stejně jako jejich další a další rozpadové produkty. Přírodní radionuklidy tvoří 3 rozpadové řady. 4. neptuniová řada je odvozena uměle od připraveného transuranového prvku plutonia): Uranov á řada: Uranová ada: 23892U → 20682Pb Aktiniov á řada : 23592U → 20782Pb tiniová Thoriov á řada : 23290Th → 20882Pb Thoriová (Neptuniov á řada : 24194Pu → 20982Pb) Neptuniová Pb)
238U
Æ 206Pb β− záření
α záření
28
Kosmogenní radionuklidy - přírodní radionuklidy, které průběžně vznikají jadernými reakcemi při průchodu vysokoenergetického kosmického záření zemskou atmosférou. Např.: uhlík 14C (radiokarbonová metoda určování stáří archeologických předmětů)
tritium 3H (vyráběn i uměle pro potřeby lékařství a biologie)
Některé nuklidy: více možných radioaktivních přeměn
27 13
Al*
Al
26 12
Mg + 11p
+
0 0
γ
27 13
25 12
Mg + 10n + 11p
23 11
4 Na + 2He
29
Požadavky na vlastnosti radionuklidů dle využití:
Stabilní externí zářič
Požadujeme časově neproměnnou, konstantní aktivitu (pouze přibližně, s časem klesá)- např. Leksselův Gama nůž Látky s dlouhým poločasem rozpadu
Interní zářič –
– –
Použití pro značení chemických látek pro stopování (tracing), radioimmunoassay (RIA), pozitronovou emisní tomografii (PET), jednofotonovou emisní výpočetní tomografii (SPECT) Krátký poločas rozpadu (rychlé odbourání) Dostatečná radioaktivita pro diagnostiku vs. co nejnižší dávka pro organismus
Výroba umělých radionuklidů
30
Využití radionuklidů • Značení sloučenin- studium jejich biochemických přeměn, distribuce a transportu v živých organismech • Zdroje záření - radioterapie (ozářování nádorů), restaurátorství (proti červotočům). 60Co (T 1/2 = 5,26 let, zdroj záření β a zejména γ. • Radiochemická analýza- absolutní měření radioaktivity nebo specifické radioaktivity. Např. určení stáří organických materiálů (14C datovací metoda). • Analytická (bio)chemie: zřeďovací, derivační, saturační, aktivační analýza
Radionuklidy v analytické biochemii • zřeďovací analýza: známé množství radioakt. analogu sloučeniny, kterou chceme stanovit. Po ustanovení rovnováhy a izolaci se vypočítá koncentrace na základě poklesu radioaktivity • derivační analýza: reakce látky A s přebytkem značené látky B*. Poté odstranění přebytku látky B*. Radioaktivita AB* je úměrná množství látky A přítomnému na počátku. Např.: imunochemie (interakce antigenu s protilátkou) • saturační analýza: K látce A se přidá její radioaktivní analog A* a malé množství látky B. Po ustavení rovnováhy se přebytek látky A odstraní a změří se radioaktivita. Obě formy látky A soutěží o vazebná místa látky B, takže poměr AB/ A*B je úměrný stanovovanému množství neznačené látky A Např.: radioimunoesej (stanovení hormonů, toxinů, pesticidů, vitamínů). • aktivační analýza: Analyzovaný vzorek se v jaderném reaktoru vystaví proudu neutronů, které část atomů přemění na jejich radioaktivní izotopy. Analýza následného radioakt. záření
31
