Radioaktivita

Radioaktivita je emise záření nestabilními jádry. Toto záření může existovat ve formě subatomárních částic (především částic alfa a beta) nebo ve formě energie (především záření gama).

Radioaktivitu náhodně objevil v roce 1896 francouzský fyzik Henri Becquerel (1852-1908). V desetiletích, která následovala po Becquerelově objevu, přinesl výzkum radioaktivity převratné objevy v našem chápání podstaty hmoty a vedl k řadě důležitých praktických aplikací. Mezi tyto aplikace patří řada nových zařízení a technik od jaderných zbraní a jaderných elektráren až po lékařské techniky, které lze využít k diagnostice a léčbě závažných onemocnění.

Stabilní a nestabilní jádra

Jádro všech atomů (s výjimkou vodíku) obsahuje jeden nebo více protonů a jeden nebo více neutronů. Jádro většiny atomů uhlíku například obsahuje šest protonů a šest neutronů. Ve většině případů jsou jádra atomů stabilní, to znamená, že nepodléhají samovolným změnám. Jádro uhlíku bude za sto let (nebo za milion let) vypadat úplně stejně jako dnes.

Některá jádra jsou však nestabilní. Nestabilní jádro je takové, které samovolně podléhá nějaké vnitřní změně. Při této změně jádro uvolní subatomární částici nebo výbuch energie, případně obojí. Jako příklad lze uvést izotop uhlíku, uhlík-14, jehož jádro se skládá ze šesti protonů a osmi (nikoli šesti) neutronů. O jádru, které uvolňuje částici nebo energii, se říká, že prochází radioaktivním rozpadem nebo prostě rozpadem.

Vědci nemají zcela jasno v tom, co činí jádro nestabilním. Zdá se, že některá jádra obsahují nadměrný počet protonů nebo neutronů nebo nadměrné množství energie. Tato jádra obnoví to, co pro ně musí být správnou rovnováhou protonů, neutronů a energie, tím, že vydají subatomární částici nebo výboj energie.

Při tomto procesu mění jádro své složení a může se vlastně stát úplně jiným jádrem. Například jádro uhlíku-14 ve snaze dosáhnout stability vyzařuje částici beta. Poté, co jádro uhlíku-14 ztratí částici beta, skládá se ze sedmi protonů a sedmi neutronů. Jádro složené ze sedmi protonů a sedmi neutronů však již není jádrem uhlíku. Nyní je to jádro atomu dusíku. Vydáním částice beta se atom uhlíku-14 změnil na atom dusíku.

Druhy záření

Formy záření, které nejčastěji vyzařuje radioaktivní jádro, se nazývají částice alfa, částice beta a záření gama. Částice alfa je jádro atomu helia. Skládá se ze dvou protonů a dvou neutronů. Uvažujme případ atomu radia-226. Jádro atomu radia-226 se skládá z 88 protonů a 138 neutronů. Pokud toto jádro uvolní částici alfa, musí ztratit dva protony a dva neutrony, z nichž se částice alfa skládá. Po vyzáření částice alfa obsahuje zbývající jádro pouze 86 protonů (88 – 2) a 136 neutronů (138 – 2). Toto jádro je jádrem atomu radonu, nikoli atomu radia. Vyzářením částice alfa se atom radia-226 změnil na atom radonu.

Emise částic beta z jader byla pro vědce po mnoho let zdrojem nejasností. Částice beta je elektron. Problém spočívá v tom, že elektrony v jádrech atomů neexistují. Mohou se nacházet mimo jádro, ale ne uvnitř něj. Jak je tedy možné, že nestabilní jádro vyzařuje částici beta (elektron)?

Odpověď zní, že částice beta vzniká při rozpadu neutronu uvnitř atomového jádra za vzniku protonu a elektronu:

neutron → proton + elektron

Připomeňme, že proton nese jeden kladný náboj a elektron jeden záporný náboj. To znamená, že neutron, který nenese žádný elektrický náboj, se může rozpadnout a vytvořit dvě nové částice (proton a elektron), jejichž elektrické náboje se sčítají a tvoří nulu.

Vzpomeňte si na již zmíněný příklad s uhlíkem-14. Jádro uhlíku-14 se rozpadá uvolněním částice beta. To znamená, že jeden neutron v jádře uhlíku-14 se rozpadne a vznikne proton a elektron. Elektron se uvolní jako záření beta a proton zůstane v jádře. Nové jádro obsahuje sedm protonů (původních šest plus jeden nový proton) a sedm neutronů (původních osm redukovaných rozpadem jednoho).

Ztráta částice alfa nebo částice beta z nestabilního jádra je často doprovázena ztrátou záření gama. Paprsek gama je forma vysokoenergetického záření. Je podobné rentgenovému záření, ale má o něco větší energii. Některá nestabilní jádra se mohou rozpadat pouze emisí záření gama. Když ztratí energii odnesenou zářením gama, stanou se stabilními.

Přírodní a syntetická radioaktivita

V přírodě se vyskytuje mnoho radioaktivních prvků. Ve skutečnosti jsou radioaktivní všechny prvky těžší než bismut (atomové číslo 83). Nemají žádné stabilní izotopy.

Nejtěžší z radioaktivních prvků jsou zapojeny do posloupností známých jako radioaktivní rodiny. Radioaktivní rodina je skupina prvků, v níž rozpadem jednoho radioaktivního prvku vzniká jiný prvek, který je rovněž radioaktivní. Jako příklad lze uvést mateřský izotop jedné radioaktivní rodiny, kterým je uran-238. Při rozpadu uranu-238 vzniká thorium-234. Thorium-234 je však také radioaktivní. Když se rozpadá, vzniká protaktinium-234. Protaktinium-234 je také radioaktivní a rozpadá se za vzniku uranu-234. Tento proces pokračuje v dalších jedenácti krocích. Nakonec se rozpadá izotop polonia-210 za vzniku olova-206, které je stabilní.

Mnoho lehčích prvků má také radioaktivní izotopy. Mezi příklady patří vodík-3, uhlík-14, draslík-40 a tellur-123.

Radioaktivní izotopy lze vyrobit také uměle. Obvyklý postup spočívá v bombardování stabilního jádra protony, neutrony, částicemi alfa nebo jinými subatomárními částicemi. Proces bombardování lze uskutečnit pomocí urychlovačů částic (atomových rozbíječů) nebo v jaderných reaktorech. Když jedna z bombardujících částic (střel) zasáhne stabilní jádro, může způsobit, že se toto jádro stane nestabilním, a tedy radioaktivním.