Radioaktivita

			Samostatná práce
			Tento článek je editován studenty 2. LF UK v rámci plnění jejich studijních povinností (seminární práce – vypracování zkouškových otázek z biofyziky). Ostatní uživatele prosíme, nezasahujte výrazněji do jeho tvorby až do doby, než bude práce odevzdána (s výjimkou malých editací – opravy překlepů, pomoci s formátováním apod.). Máte-li nějaké náměty či připomínky, uveďte je prosím v diskusi. V případě potřeby kontaktujte autory stránky – naleznete je v historii.
			Stránka byla naposledy aktualizována v sobotu 6. 12. 2014 v 23.00.

			Článek ke kontrole
			Žádá se kontrola tohoto článku učitelem.
			Navržený učitel: Jan Tomsa

Radioaktivita je samovolný děj, při kterém dochází k přeměně nestabilního jádra určitého prvku na stabilnější jádro jiného prvku. Během procesu se uvolňuje radioaktivní záření – uvolněné částice z přeměněného jádra.

O stabilitě, popřípadě nestabilitě nuklidu rozhoduje tzv. řeka stability, která je dána poměrem počtu protonů a počtu neutronů v jádře. Pro nuklidy s nižším nukleonovým číslem je stabilní poměr nukleonů a protonů cca 1:1. S vyšším nukleonovým číslem se poměr blíží 2:3 (protony : neutrony). Pokud se nuklid svým poměrem nachází mimo řeku stability, je považován za nestabilní. Existuje cca 50 nestabilních nuklidů.

Charakteristika jádra

Jádro atomu je částice o poloměru přibližně 10^-15 m a je určující při stanovení celkové hmotnosti atomu. Všechna jádra obsahují nukleony – jaderné částice dvojího typu s téměř stejnou hmotností, ale lišící se nábojem – protony a neutrony. Nukleonové číslo nám prozrazuje celkový počet nukleonů v jádře, značí se A.

Proton vykazuje kladný náboj s hodnotou tzv. elementárního náboje (1,6 * 10^-19 C). Jeho počet označujeme jako číslo protonové, značí se Z.

Neutron je bez elektrického náboje. Počet neutronů určuje neutronové číslo, značí se N. Na rozdíl od protonů, neutron je nestabilní. Ve volném stavu se rozpadá na proton a další částice. (Viz Druhy radioaktivního záření)

Chemický prvek je charakterizován počtem protonů i neutronů. Ze složení jádra vyčteme jeho stabilitu i hmotnost. Pravděpodobnost, že se jádro rozpadne, závisí na poměru N a Z. (Viz Radioaktivita)

Nuklid

Látka označována jako nuklid se skládá z atomů se stejným protonovým i neutronovým číslem. Jedná se chemický prvek.

Izotopy

Izotopy jsou atomy, jež vykazují stejný počet protonů, ale rozdílný počet neutronů. Stále se jedná o chemický prvek. Izotopy prvku se odlišují svými fyzikálními vlastnostmi, nikoliv chemickými. Rozdílný počet nukleonů v jádře způsobuje rozdílnou hmotnost a poměr mezi protonovým a neutronovým číslem, který rozhoduje o stabilitě jádra. Pro příklad uvedeme izotopy uhlíku - ¹²C, ¹³C a ¹⁴C. ¹²C obsahuje 6 protonů a 6 neutronů, ¹³C o jeden neutron více, přesto jsou oba izotopy stále stabilní. ¹⁴C se už chová jako radionuklid. (Viz Využití). Radionuklidem rozumíme radioaktivní izotop, který při svém rozpadu uvolňuje ionizující záření.

Izobary

Izobary rozumíme různé prvky, které mají stejné nukleonové číslo, tzn., že mají součet protonů a neutronů totožný. Zákonitě se musí tedy lišit atomovým číslem (počtem protonů) a neutronovým číslem (počet neutronů v jádře). Platí tedy vztah $N+Z=konst.$

Izotony

Izotony jsou nuklidy, které mají rozdílný počet protonů v jádře, ale počet neutronů stejný. Automaticky můžeme říct, že nukleonové číslo je též rozdílné. Jako příklad může posloužit ¹²B a¹³C, kde bor má 5 protonů a uhlík 6, leč neutronů mají oba dva prvky stejně (7 neutronů). Nejvíce stabilních nuklidů existuje pro izotony s 50 neutrony (⁸⁶Kr,⁸⁸Sr,⁸⁹Y,⁹⁰Zr,⁹²Mo) a s 82 neutrony (¹³⁸Ba,¹³⁹La,¹⁴⁰Ce,¹⁴¹Pr,¹⁴²Nd,¹⁴⁴Sm). Naopak neexistují žádné stabilní izotony pro N s hodnotou 19, 21, 35, 39, 45, 61, 71, 89, 115, 123 a 127.

Druhy radioaktivního záření

Záření α

je tok jader hélia nazývaných částice alfa (složená ze dvou protonů a dvou neutronů) s kladným nábojem, přičemž kinetická energie všech částic α je pro daný rozpad konstantní. Při vyzáření částice α z jádra dojde k jaderné přeměně. Prvek, který vyzářil α částici se promění na prvek s nukleonovým číslem A-4 a s protonovým číslem Z-2 . V Mendělejově periodické soustave prvků se posune o dvě místa doleva. Částice alfa se pohybují poměrně pomalu a mají malou pronikavost. Jde o nejslabší druh jaderného záření charakterizován poměrně pomalým pohybem s malou pronikavostí jeho částic. Může být pohlceno hrubým papírem nebo několik centimetrovou vrstvou vzduchu.

Záření β

jsou částice emitovány radioaktivnimi jádry prvku při jejich β rozpadu. Tyto částice nesou buď kladný β + (pozitrony) nebo záporný β - (elektrony) elektrický náboj.

Částice β + vzniká při přeměně protonu na neutron uvnitř jádra, proto nastane posun v periodické tabulce o jedno místo vlevo

Částice β - vzniká při přeměně neutronu na proton uvnitř jádra. Nastává posun v periodické tabulce o jedno místo vpravo

Částice β se pohybují velmi rychle a pronikavost částic je vyšší než u α záření a mohou proniknout materiály s nízkou hustotou nebo malou tloušťkou např. hliníková folie.

Záření γ

je elektromagnetické záření s velmi krátkou vlnovou délkou s velkou energií a pronikavostí jeho částic . Oproti záření α a β, které sou korpuskulární proniká γ záření do materialu lépe a jeho dokonalé odstínění je téměř nemožné (na snížení intenzity záření se používají vrstvy materiálů obsahujících těžké prvky napr. olovo

Radionuklidy jsou nestabilnimi nuklidy. Rozlišujeme přirozené radionuklidy (vyskytující se v přírodě) a umělé radionuklidy (vytvořené pomocí jaderných reakcí). Podle toho rozlišujeme přirozenou a umělou radioaktivitu.

Přirozená radioaktivita

je samovolná přeměna nestabilních jader na stabilní za současného vysílání záření. Přirozenou radioaktivitu objevil v r. 1896 francouzský fyzik H. Becquerel a studovali ji manželé Curieovi.

Umělá (indukovaná) radioaktivita

je přeměna atomů vyvolána jadernými reakcemi. K objevení umělé radioaktivity došlo v roce 1934 ostřelovánim hliníku částicemi α. Podíleli se na tom manželé Fréderic a Irene Joliot-Curieovi.

Radioaktivní rovnováha

stav, kdy se za jednotku času promění v řadě radioaktivních izotopů stejný počet atomů

Radioaktivní rovnováha

A - k rovnováze nedochází, protože fyzikální poločas proměny mateřského prvku (T1) je kratší než poločas proměny dceřina radionuklidu (T2)

B - nastává přechodná (transientní) radioaktivní rovnováha, kdy T1 je delší než T2

C - může dojít k trvalé (sekulární) radioaktivní rovnováze s poločasem přeměny T1 prvku mnohem delším než poločas T2 prvku

Nestabilita jádra

Všechna atomová jádra nejsou stabilní, naopak většina z nich se po určité době samovolně přemění na jádra jiná. Většina jader připravených uměle jsou nestabilní.

Radioaktivní přeměna(rozpad)

je jev, při kterém nestabilní atomy vyzařují svoji energii ve formě částic nebo elektromagnetických vln.

Fyzikální poločas proměny(poločas rozpadu)

doba, za kterú se promění (rozpadne) polovina původního počtu jader

Biologický poločas rozpadu

čas, za který se z organismu vyloučí polovina množství dodaného prvku

Efektivní poločas

kombinuje biologický a fyzikální poločas dohromady tédy efektivní poločas je čas, za který klesne aktivita nuklidu na polovinu díky radioaktivní přeměne a biologickému vylučování.

Ochrana před škodlivými účinky radioaktivního záření

 Podrobnější informace naleznete na stránce Ochrana před škodlivými účinky radioaktivního záření.

Využití

Radioaktivita nabízí mnoho využití v řadě oblastí. Jednou z nich je defektoskopie, metoda značkovaných atomů, při které pacient sní např. radioaktivní fosfor a lékař pak může sledovat, kudy fosfor prochází. Další možnosti využití se týkají nejen medicíny, ale i energetického průmyslu či v archeologie.

Jaderná energetika

Mezinárodní symbol radioaktivity

Jaderná energetika spočívá ve využití energie jaderné reakce, je to jedno z nejvýznamnějších využití nestability radionuklidů. Jaderné reakce jsou založeny na přeměnách jader s menší vazebnou energií, na jádra s větší vazebnou energií, rozdíl energií se uvolňuje. Přičemž vazebná energie jádra je veličina, která charakterizuje stabilitu jádra. Nejstabilnější jsou jádra s nukleonovým číslem mezi 30 a 130. Je to energie, která se uvolní při vzniku jádra z jednotlivých nukleonů nebo kterou je nutné dodat na rozštěpení jádra na jednotlivé nukleony. Jaderná energie se dá v zasádě dělit na 2 druhy:

• Syntéza jader (termonukleární reakce) – Z jader lehčích vznikají jádra těžší a přitom se uvolňuje obrovské množství energie. Pro tyto reakce je potřebná vysoká teplota a tlak (uvnitř hvězd). Např. Protium + Tritium dá vzniknout heliu.
• Štěpení jader (štěpná reakce) – Při štěpení jader dojde ke vzniku dvou středně těžkých jader atomů v poměru cca 2:3, uvolnění několika neutronů a velkého množství energie. Vzniklé neutrony se používají k štěpné reakci. Štěpení jader se dále dělí na řízené a neřízené. Řízené probíhá v jaderných reaktorech. Nechává se působit pouze jeden vzniklý neutron, který štěpí další jádra a tak se energie uvolňuje postupně. Takto uvolněná energie se převádí v jaderných elektrárnách na elektrickou. Oproti tomu u neřízeného štěpení jader, tedy v praktickém využití hlavně atomová bomba, vzniklé neutrony způsobí řetězovou reakci a energie se uvolní naráz.

Jaderná elektrárna

Štěpná reakce probíhá v jaderném reaktoru, celý blok sestává z několika okruhů, aby se zamezilo únikům radioaktivity. Uvolněná tepelná energie zahřívá vodní páru, která následně pohání turbínu. Ke zpomalení štěpících se neutronů se používá těžká voda (oxid deuteria) = moderátor. K řízení rychlosti jaderné reakce se používají kadmiové regulační tyče, které rády pohlcují vzniklé neutrony a kyselina boritá.

Jaderné zbráně

 Podrobnější informace naleznete na stránce Využití radioaktivity.

Radioterapie

Radioterapie je konzervativní metoda, která se používá na léčbu zhoubných nádorů v lidském organismu. Dochází k ozařování postižené tkáně, kdy využíváme různé druhy ionizujícího záření. Cílem je zničení nádoru a co nejmenší poškození okolní zdravé tkáně. Dle charakteru nádoru se volí různá intenzita i druh záření. Při teleterapii se provádí ozařování pomocí zdroje, jenž se nachází mimo organismus. Brachyterapie vyžaduje umístění zdroje na povrch nádoru či přímo dovnitř nádoru. Z fyzikálního hlediska používané ionizující záření je dvojího typu - elektromagnetické a korpuskulární. Elektromagnetické zahrnuje záření X (rtg) a záření γ. Korpuskulární záření, také částicové obsahuje protony, neutrony, α-částice i elektrony (β-částice). Dle zdroje existuje celá řada metod - protonová léčba, léčba pomocí lineárního či kruhové urychlovače (X-záření) či hloubková terapie pomocí kobaltu (záření γ).

Radiosensitivita buněk je vlastnost, která charakterizuje schopnost buňky reagovat na ozáření. Minimálně diferencovaná buňka vykazuje větší citlivost na záření než buňky, které jsou zralé, popřípadě vysoce diferencované.

Analýza stáří archeologických objevů

Pro určení stáří některých objevů v archeologii je vhodná tzv. radiouhlíková metoda.

Uhlík je schopen tvořit tři základní izotopy - ¹²C, ¹³C a ¹⁴C. (Viz Izotopy) Izotop ¹⁴C je radioaktivní, tzv. radionuklid s poločasem rozpadu 5730 let. V přírodě jsou zastoupeny všechny tři izotopy a ve stálém poměru. Z tohoto vyplívá, že při odumření organismu čili při zastavení přísunu uhlíku je poměr izotopů stejný jako v okolní přírodě. Radionuklid se začíná rozpadat a poměr mezi izotopy roste. Dle počtů rozpadů za minutu v 1 g radioaktivního uhlíku je možné určit stáří nálezu.

Historie

 Podrobnější informace naleznete na stránce Historie objevů v oblasti radioaktivity.

Henry Becquerel jako první v roce 1896 objevil radioaktivitu díky zjištění, že minerály vyzařují jiné záření než světelné, když položil fluorescenční materiál mezi fotografické desky a fotografické desky byly netknuté. Následně pak Marie Curie Sklodowská na počátku 20. století zkoumala radioaktivitu a mimo jiné objevila nové prvky (radium a polonium). Zkoumala, proč uranová ruda je radioaktivnější, než samotný uran. Po čtyřech letech objevila polonium (pojmenovala ho po své vlasti), poté objevila ještě radioaktivnější radium. M.R. Sklodowská byla první ženou, která získala Nobelovu cenu za fyziku. První jaderný reaktor byl uveden do provozu v USA v roce 1942. První jaderná elektrárna byla otevřena v roce 1956 ve Velké Británii.

Odkazy

Literatura

• NAVRÁTIL, Leoš a Jozef ROSINA, et al. Medicínská biofyzika. 1. vydání. Praha : Grada, 2005. 524 s. ISBN 80-247-1152-4.

• SVOBODA, Emanuel, et al. Přehled středoškolské fyziky. 3. vydání. Praha : Prometheus, 2003. ISBN 80-7196-116-7.

• ZEMAN, Miroslav, et al. Chirurgická propedeutika. 2. vydání. Praha : Grada, 2000. ISBN 80-7196-705-2.

• KLENER, Pavel, et al. Klinická onkologie. 1. vydání. Praha : Galén, 2002. ISBN 80-7262-151-3.

Externí odkazy

• http://www.surao.cz/cze