Rádioaktívny rozpad

Rádioaktívny rozpad alebo rádioaktívna premena je proces, pri ktorom nestabilné atómy strácajú svoju energiu vyžarovaním tzv. rádioaktívneho žiarenia (ktoré môže byť korpuskulárne alebo elektromagnetické). Prvky, ktoré podliehajú rádioaktívnemu rozpadu prirodzene (ich všetky izotopy podliehajú rádioaktívnemu rozpadu), sa nazývajú rádioaktívne prvky.

Symbol trojlístka sa používa tradične na označenie rádioaktívneho materiálu. Kód v štandarde Unicode tohto symbolu je U+2622 (☢).

Nový symbol IAEA a ISO z februára 2007, ktorý by sa mal používať ako doplnok k trojlístku na varovanie každého v blízkosti veľkého zdroja ionizujúceho žiarenia.

Všeobecné informácie

Výsledkom rozpadu je premena atómu jedného typu, nazývaného rodičovský nuklid, na atóm iného typu, nazývaného aj detský nuklid. Napríklad uhlík-14 (rodič) emituje žiarenie a premieňa sa na dusík-14 (dieťa). Tento proces je na atómovej úrovni náhodný v tom zmysle, že nie je možné predpovedať, kedy sa určitý atóm rozpadne, ale v dostatočne veľkej vzorke podobných atómov vieme predpovedať priemernú dobu rozpadu.

Rádioaktivitu objavil v roku 1896 Henri Becquerel pri študovaní uránu. K objasneniu podstaty rádioaktivity zásadným spôsobom prispeli francúzski fyzici Pierre a Marie Curieovci.

Jednotka SI rádioaktívneho rozpadu je becquerel (Bq). Jeden Bq sa definuje ako jedna transformácia (rozpad) za sekundu. Vzhľadom na to, že každá rozumne veľká vzorka rádioaktívneho materiálu obsahuje veľa atómov, jeden Bq vyjadruje veľmi malú mieru tejto aktivity; všeobecne používame násobky v ráde TBq (terabecquerely) alebo GBq (gigabecquerely). Ďalšia jednotka rozpadu je curie, ktorá bola pôvodne definovaná ako miera rozpadu jedného gramu čistého rádia; 1 curie sa rovná 3,7.10¹⁰ Bq.

Kvantová mechanika umožňuje pre každý izotop spočítať pravdepodobnosť, s akou sa jadro v danom časovom intervale rozpadne. Pre väčšie množstvo látky sa z toho dá určiť doba polpremeny (staršie označenie "polčas rozpadu") - charakterizuje rýchlosť premeny. Udáva, za ako dlho sa rozpadne presne polovica jadier vo vzorke. Pri ťažkých prvkoch sú produkty rozpadu naďalej nestabilné a rozpadajú sa ďalej. Tento proces popisuje rozpadový rad.

Žiarenie, ktoré pri rádioaktívnom rozpade vzniká, sa vyskytuje v štyroch druhoch, ktoré označujeme ako α, β, γ a neutrónové žiarenie. Žiarenie α je prúd jadier hélia (α-častíc) a nesie kladný elektrický náboj. Žiarenie β je prúd záporne nabitých elektrónov. Niekedy sa rozlišuje β^- (elektróny) a β⁺ (kladne nabité pozitróny). Žiarenie γ je elektromagnetické žiarenie vysokej frekvencie alebo prúd energetických fotónov. Nemá elektrický náboj a preto nereaguje na elektrické pole. Neutrónové žiarenie je prúd neutrónov, rovnako bez náboja.

Prirodzená a umelá rádioaktivita

Rádioaktivita sa bežne rozdeľuje na

• prirodzenú
• umelú

Prirodzená rádioaktivita je dôsledkom samovoľného rozpadu atómového jadra. Pozorovateľná je pri prvkoch s protónovým číslom vyšším ako 81. Pri rozpade atómového jadra sa vyžiari energia a vznikne niekoľko atómov iných prvkov s nižšími atómovými číslami. Tieto sa prípadne môžu rozpadať ďalej, až kým nedospejú ku konečnému stabilnému prvku, ktorým bývajú zvyčajne rozličné izotopy olova. Polčasy rozpadu prvkov sú rôzne: od sekúnd až po 10¹⁰ rokov. Pomocou umelej rádioaktivity možno vytvárať prvky nevyskytujúce sa vo voľnej prírode, prípadne prvky s atómovým číslom vyšším ako 92 (medicínske účely, výskum). Umelú rádioaktivitu získajú prvky transmutáciou, vplyvom reťazovej reakcie alebo pôsobením urýchlených častíc.

Príklad: Polónium ${}_{84}^{210}Po$ je prirodzene rádioaktívny, pričom pri svojom rozpade vyžaruje α častice, ktoré premieňajú hliník na izotop fosforu.

${}_{13}^{27}Al+{}_{2}^{4}\alpha \,\to \,{}_{15}^{30}P+n$,

kde $n$ označuje neutrón. Izotop fosforu ${}_{15}^{30}P$ je však nestabilný s polčasom rozpadu. $T\approx 135,5\,{\mbox{s}}$. Prostredníctvom kladného beta rozpadu prechádzajú na stabilný kremík, tzn.

${}_{15}^{30}P\,\to \,{}_{14}^{30}Si+e^{+}+\nu$,

kde $e^{+}$ je vyžiarený pozitrón a $\nu$ predstavuje neutríno.

Zákon rádioaktívneho rozpadu

Vlastnosti rádioaktívneho rozpadu je možné skúmať pomocou štatistických metód.

Za predpokladu, že za časový interval $\mathrm {d} t$ dôjde k rozpadu $\mathrm {d} N$ atómov rádioaktívnej látky. Počet rozpadnutých atómov $\mathrm {d} N$ je úmerný počtu častíc v danom časovom okamihu, ktorý označíme $N$. Túto úmeru vyjadrujeme vzťahom

$-\mathrm {d} N=\lambda N\mathrm {d} t$,

kde $\lambda$ je tzv. rozpadová konštanta, ktorá charakterizuje predpokladanú rýchlosť rozpadu rádionuklidu. Znamienko - súvisí s tým, že s rastúcim časom dochádza k poklesu okamžitého počtu častíc.

Integráciou predchádzajúceho vzťahu môžeme počet častíc v čase $t$ vyjadriť ako

$N=N_{0}\mathrm {e} ^{-\lambda t}$,

kde $N_{0}$ predstavuje počet častíc v čase $t=0$. Tento vzťah sa označuje ako zákon rádioaktívneho rozpadu.

Pre praktické využitie je vhodnejšie využiť úmeru medzi počtom častíc a ich celkovou hmotnosťou, tzn. hmotnosťou rádioaktívnej vzorky $m$. Predchádzajúci vzťah potom môžeme prepísať v tvare

$m=m_{0}\mathrm {e} ^{-\lambda t}$,

kde $m_{0}$ je počiatočná hmotnosť rádioaktívnej vzorky a $m$ je jej hmotnosť v čase $t$.

Doba polpremeny

Doba, za ktorú dôjde k rozpadu polovice z pôvodného počtu atómov rádionuklidu, sa označuje ako doba polpremeny (polčas premeny, polčas rozpadu) $T$. Počet častíc po uplynutí tejto doby je $N={\frac {N_{0}}{2}}$, čím dostaneme pre polčas rozpadu vzťah

$T={\frac {\ln {2}}{\lambda }}\approx 0,693\cdot \lambda ^{-1}$

Stredná doba života

Ďalšou veličinou charakterizujúcou rádioaktívny rozpad je stredná doba života $\tau$, čo je čas, za ktorý klesne pôvodný počet atómových jadier $N_{0}$ na hodnotu $N={\frac {N_{0}}{\mathrm {e} }}$.

Pre strednú dobu života platí

$\tau ={\frac {1}{\lambda }}={\frac {T}{\ln {2}}}$

Aktivita (rádioaktivita)

Rýchlosť rádioaktívnej premeny charakterizuje aktivita (rádioaktivita) $A$, ktorá sa definuje vzťahom

$A=\left|{\frac {\mathrm {d} n}{\mathrm {d} t}}\right|$

Dosadením z predchádzajúceho vzťahov dostaneme

$A=\lambda n=\lambda n_{0}\mathrm {e} ^{-\lambda t}=A_{0}\mathrm {e} ^{-\lambda t}$,

kde $A_{0}$ označuje aktivitu v počiatočnom čase a $A$ je aktivita v čase $t$. Aktivita, teda rýchlosť rozpadu, klesá s časom.

Jednotkou aktivity je becquerel (Bq), popr. curie (Ci).

Druhy rádioaktívneho žiarenia

Žiarenie, ktoré pri rádioaktívnom rozpade vzniká, môže byť:

• Žiarenie α je prúd jadier hélia (α-častíc) a nesie kladný elektrický náboj, má najkratší dosah (zastaví ho napr. i list papiera).

• Žiarenie β je prúd záporne nabitých elektrónov. Niekedy sa rozlišuje žiarenie β^- (elektróny) a β⁺ (kladne nabité pozitróny), zachytí ho 1 cm plexiskla alebo 1 mm olova.

• Žiarenie γ je elektromagnetické žiarenie vysokej frekvencie, resp. prúd veľmi energetických fotónov. Nemá elektrický náboj, a preto nereaguje na elektrické pole. Jeho prenikavosť je veľmi vysoká, pre zatienenie sa používajú veľmi hrubé štíty z kovov veľkej hustoty (napr. olovo) alebo zliatin kovov veľkej hustoty. Platí, že čím vyššia hustota a hrúbka štítu, tým viac je žiarenie zatienené.

V širšom zmysle ako rádioaktívne žiarenie označujeme aj iné druhy žiarenia, napr. neutrónové žiarenie (pozri rádioaktívne žiarenie).

Rozpadové rady

Kvantová mechanika umožňuje pre každý izotop spočítať pravdepodobnosť, že jadro sa v danom časovom intervale rozpadne. Pre väčšie množstvo látky je možné určiť polčas rozpadu, ktorým charakterizujeme rýchlosť premeny. Udáva, za ako dlho sa rozpadne práve polovica jadier vo vzorke. U ťažkých prvkov sú produkty rozpadu takisto nestabilné a rozpadajú sa ďalej. Tento proces popisuje rozpadový rad.

Zaujímavosti

• Rádioaktívny rozpad poskytol prvý dôkaz toho, že zákony riadiace subatómový svet majú štatistický charakter.
• Neexistuje vôbec žiadny spôsob, ako predpovedať, či určité jadro zo vzorky bude jedným z malého počtu jadier, ktoré sa rozpadnú v nasledujúcej sekunde. U všetkých jadier je pravdepodobnosť rovnaká.

Referencie

Fyzikálny portál Chemický portál