radioaktivita, spontánní emise záření z atomového jádra spojená s jeho přeměnou, je důsledkem snížené stability nebo excitovaného (energeticky vybuzeného) stavu atomových jader. Rozlišujeme radioaktivitu přirozenou a umělou. Přirozeně se vyskytující radioaktivní prvky vznikají převážně rozpadem těžkých atomových jader, například uranu-235. Umělá radioaktivita je důsledkem navozené interakce stabilních atomových jader s částicemi, které jsou emitovány přirozeně radioaktivními prvky nebo (častěji) s částicemi urychlovanými pomocí různých technických zařízení (urychlovačů nebo jaderných reaktorů). Radioaktivní prvky mohou vyzařovat různé druhy částic – například fotony záření γ, částice β (elektrony a pozitrony), částice α (heliová jádra) či neutrony. S těmito druhy záření se setkáváme nejčastěji. Dále ukážeme, že radioaktivita má pravděpodobnostní charakter – nelze předem rozhodnout, které atomové jádro se rozpadne a kdy.$Všechny výše uvedené druhy záření patří mezi záření ionizující, která v látkovém prostředí vyvolávají tvorbu elektricky nabitých částic, iontů. Ionizující záření z jader radioaktivních prvků se označuje jako jaderné záření. Mimoto se však setkáváme i s ionizujícím zářením nejaderným, které vzniká v elektronovém obalu atomu (záření rentgenové) nebo v urychlovačích elektricky nabitých částic. Elektricky nabité částice ionizují přímo, zatímco elektricky neutrální částice, například fotony a neutrony, ionizují nepřímo.$//Druhy radioaktivní přeměny (rozpadu)//:$Každý druh radioaktivní přeměny se může vyskytovat v čisté formě nebo může být kombinován s jedním nebo více jinými druhy přeměny. Uvádíme jen nejvýznamnější přeměny.$//Přeměna gama// (dále γ) je proces, během kterého je z jádra atomu vyzářeno kvantum elektromagnetického záření – foton γ. K tomuto jevu může dojít pouze tehdy, pokud má jádro nadbytek energie ve srovnání s energií základního stavu jádra. Tato nadbytečná energie se může objevit například po emisi jiného druhu záření nebo po interakci jádra s jinou částicí. Přeměna γ může proběhnout i způsobem odlišným, který se nazývá vnitřní *konverze záření. Zjednodušeně si tento proces můžeme představit tak, že foton záření γ po opuštění jádra vyrazí z některé vnitřní vrstvy elektronového obalu atomu elektron a přitom zcela zanikne. Vyražené elektrony, které mají velkou energii a ionizační schopnost, se nazývají Augerovy elektrony.$//Přeměna beta// (dále β) nastává, když je jádrem atomu vyzářen elektron nebo pozitron. Řadíme sem i případ, kdy dojde k záchytu elektronu jádrem. Emise nebo záchyt elektronu či pozitronu jsou jevy spojené se vzájemnými přeměnami neutronu a protonu. Při vyzáření elektronu (tj. při β--přeměně) se protonové číslo zvyšuje o jednotku, neutronové o jednotku snižuje a počet nukleonů zůstává nezměněn. Při vyzáření pozitronu (tj. při β+-přeměně) se jeden proton mění v neutron, počet nukleonů se zachovává, avšak protonové číslo se snižuje. Čistou β--přeměnou je například přeměna „radiouhlíku“ C na dusík N. Pozitron emitovaný při β+-přeměně obvykle velmi rychle interaguje s některým elektronem nacházejícím se v bezprostřední blízkosti. Obě částice pak anihilují za vzniku dvou kvant záření γ. Při záchytu elektronu je jádrem zachycen elektron z nejvnitřnější vrstvy elektronového obalu atomu. Proton se přitom mění v neutron. Z tohoto důvodu při záchytu elektronu klesá protonové číslo o jednotku, stejně jako při β+-přeměně.$//Přeměna alfa// (dále α) je spontánní emise α-částice, k níž dochází u některých atomových jader, jejichž nukleonové číslo je větší než 150. Každá α-částice se skládá ze čtyř nukleonů – dvou protonů a dvou neutronů, je to tedy jádro atomu helia He2+. Z tohoto důvodu jádro atomu emitujícího α-částici snižuje své protonové číslo o dvě jednotky, případně nukleonové číslo o čtyři jednotky. S ohledem na relativně vysokou rychlost a hmotnost emitovaných α-částic, musí se u vyzařujícího atomového jádra projevit zpětný ráz (jde o projev *zákona zachování hybnosti, podobně jako u pušky při výstřelu). Jádro pak získává samo energii dostatečně vysokou k tomu, aby vyvolávalo podél své dráhy ionizaci. Environmentálně významným zdrojem záření α je například radon.$//Jaderné štěpení// je přeměna těžkých jader, která obvykle vede k tvorbě dvou velkých dceřiných jader – fragmentů, nazývajících se štěpné produkty. Při tomto procesu je také emitován jeden nebo častěji více neutronů. Jaderné štěpení je důsledkem snížené stability velmi těžkých atomových jader – přitažlivé jaderné síly potom mohou být překonány odpudivými elektrostatickými silami mezi protony. Může docházet ke štěpení spontánnímu (například thoria-235) nebo štěpení vyvolanému interakcí jádra s neutrony (například jader uranu-235). Při štěpení téhož nuklidu nejsou vznikající fragmenty identické. Proto při štěpení například uranu-235 vzniká vždy celá řada stabilních nuklidů a zejména radionuklidů. Vznik jednotlivých dvojic štěpných produktů má různou pravděpodobnost. Nejčastěji vznikají dvojice fragmentů: stříbro-113 a rhodium-120, ruthenium-115 a kadmium-118, baryum-144 a krypton-89, stroncium-91 a xenon-140. Některé ze vznikajících radionuklidů se dále rozpadají, čímž vznikají rozpadové řady. Při soustředění nadkritického množství uranu-235 může dojít k tzv. jadernému výbuchu.$//Jaderné reaktory// jsou také založeny na principu jaderného štěpení. Popíšeme stručně jaderný reaktor, v němž dochází ke štěpení uranu-235 (U). „Palivo“ reaktoru je tvořeno uranem-238 obohaceným několika procenty uranu-235. Po indukci štěpení uranu-235 pomalým neutronem vzniká několik rychlých (vysokoenergetických) neutronů a obvykle dva těžké jaderné fragmenty. Rychlé neutrony nemohou vyvolat další štěpení (s určitým zjednodušením můžeme říci, že při rychlém průletu kolem jádra uranu-235 nemají dost času, aby do něho mohly vniknout a narušit tak jeho stabilitu). Proto musí být uvolněné neutrony nejdříve zpomaleny, moderovány. Takové neutrony se také někdy označují jako tepelné, protože jejich kinetická energie je srovnatelná s kinetickou energií podobně těžkých částic při tepelném pohybu. Ke zpomalení neutronů lze použít lehké prvky nebo jejich sloučeniny – uhlík, vodu nebo těžkou vodu (D2O). Tyto materiály se označují jako moderátory. Počet neutronů schopných způsobit jaderné štěpení se lavinovitě zvětšuje a vzniká stále více a více tepla. Neřízená jaderná řetězová reakce může způsobit přehřátí a dokonce roztavení obsahu reaktoru. Katastrofickým příkladem takového procesu se stala havárie v Černobylu. Naštěstí, díky nízkému stupni obohacení jaderného „paliva“ reaktoru, nemůže dojít k jadernému výbuchu v pravém slova smyslu. Reakce v jaderném reaktoru musí být řízena, k čemuž slouží přítomnost látek schopných absorbovat nadbytečné pomalé neutrony přímo uvnitř reaktoru. Vhodnými látkami jsou bor, kadmium nebo berylium. Intenzivní neutronový tok vznikající v reaktoru lze využívat pro výrobu některých umělých radionuklidů, včetně těch, které se používají v *lékařství.$//Zákonitosti radioaktivní přeměny//$Radioaktivita je přírodní proces, který se nevymyká z platnosti obecných fyzikálních zákonů, kterým říkáme zákony zachování. Tytéž zákony platí i při uměle navozených přeměnách prvků. Musíme však brát v úvahu nejen mateřská a dceřiná jádra, která v těchto procesech vystupují, ale i částice a kvanta energie, která se při nich uvolňují nebo naopak zanikají. Platí zejména zákon zachování hmoty, zákon zachování elektrického náboje, zákon zachování počtu nukleonů a zákon zachování hybnosti.$Naši pozornost nyní zaměříme na //zákon radioaktivní přeměny//, popisující dynamiku radioaktivní přeměny radionuklidů. Jeho matematická podoba není závislá na druhu emitovaného záření. Radioaktivní přeměna je pravděpodobnostní proces, který však lze poměrně jednoduše popsat. Platí:$//Nt = N0//.,$kde λ je přeměnová (dezintegrační) konstanta. Znaménko „-“ v rovnici vyjadřuje, že dochází k úbytku radioaktivních jader, //N0// je počet jader schopných přeměny na začátku sledování procesu, tj. v čase// t// = 0, //Nt //je počet těchto jader v čase //t// = t a //e// je základem přirozených logaritmů. Tato rovnice je použitelná jen pro velké soubory rozpadajících se jader. Konstanta λ, která v tomto vztahu vystupuje, není z praktického hlediska příliš vhodná pro názorný popis radioaktivní přeměny. Proto byla zavedena aktivita, definovaná jako celkový počet přeměn za jednu sekundu v objemu vzorku. Hlavní jednotkou aktivity je becquerel (Bq), který má fyzikální rozměr s–1. 1 becquerel je aktivita vzorku, ve kterém dochází k jedné přeměně za sekundu. Starší jednotkou aktivity je curie (Ci, aktivita jednoho gramu čistého radia, 1 Ci = 3,7.1010 Bq). Jinou důležitou veličinou, která usnadňuje popis radioaktivní přeměny, je fyzikální poločas rozpadu// Tf//. Je to čas potřebný k poklesu aktivity radioaktivního vzorku na polovinu výchozí hodnoty. Můžeme vyjádřit vztah mezi fyzikálním poločasem přeměny a přeměnovou konstantou daného radionuklidu: Tf = 0,693/λ.$Jednotkou a fyzikálním rozměrem poločasu je sekunda.$Fyzikální poločas rozpadu a aktivita jsou veličiny velkého praktického významu – v medicíně, při hodnocení *kontaminace životního prostředí, v jaderném průmyslu a specificky v *radiokarbonovém datování i dalších *radiometrických metodách.$//Absorbovaná dávka a dávkový ekvivalent//$Částice nebo fotony ionizujícího záření nesou poměrně velké množství energie, která může být absorbována v látce při její interakci se zářením. Energie jednotlivých částic je však velmi malá ve srovnání s energií makroskopických těles či s velikostí základní jednotky energie – joulem (J). Proto byla v této oblasti fyziky zavedena jednotka energie o velikosti podstatně menší, která se nazývá elektronvolt (eV). Platí: //1 eV = 1,602.10–19 J.//$Spíše než energie jednotlivých částic nás však zajímá, jaké množství energie tyto částice předávají prostředí, kterým procházejí. Pro vyjadřování této energie byla zavedena veličina zvaná //absorbovaná dávka//, která má v SI soustavě jednotku gray (Gy). Absorbovaná dávka je definována jako střední množství energie odevzdané prostředí o určité hmotnosti dělené touto hmotností. Gray je proto definován jako energie o velikosti 1 J předaná 1 kg látky [J.kg–1]. Ve starší literatuře se můžeme setkat s jednotkou rad (rad). Mezi jednotkami gray a rad platí převodní vztah //1 Gy = 100 rad.//$//Dávková rychlost// vyjadřuje absorbovanou dávku vztaženou na jednotkový časový interval [J.kg–1.s–1]. Tatáž absorbovaná dávka může být dosažena při různých dávkových rychlostech za různou dobu.$//Dávkový ekvivalent// je veličinou vyjadřující vlastní relativní biologickou účinnost záření. Ve zjednodušené podobě je dán součinem fyzikální dávky záření a faktoru jakosti. Faktor jakosti (QF) má charakter dohodnutého rizikového faktoru, platí jen pro *člověka a slouží k posouzení rizika jednotlivých druhů záření. Pro záření rentgenové, γ a β má QF hodnotu 1, pro jiné druhy záření pak podstatně vyšší, až kolem 20. Dávkový ekvivalent má rozměr J.kg–1 stejně jako gray, avšak jednotka se nazývá sievert (Sv). Z přirozených zdrojů je člověk ozářen dávkovým ekvivalentem kolem 1 mSv za rok, při lékařských vyšetřeních pak ekvivalenty od setin do stovek mSv, smrtelné účinky má dávkový ekvivalent 5 Sv (při celotělovém ozáření).$Studiu biologických účinků ionizujícího záření je věnována velká pozornost ze dvou důvodů. Na jedné straně je ionizující záření významným nástrojem v *léčbě zhoubných nádorů, na druhé straně může být velmi nebezpečným faktorem při jaderném výbuchu nebo při havárii jaderných energetických zařízení. Nelze ignorovat ani dlouhodobou expozici člověka z přírodních radioaktivních zdrojů (radioizotopy v *horninách, kosmické záření), avšak tato přirozená expozice není životu nebezpečná a uvažuje se i o jejím pozitivním vlivu na živé organismy (tzv. efekt hormeze).$//Účinky ionizujícího záření na živé organismy//$*Primárním účinkem je interakce tohoto záření s elektronovým obalem atomů, jehož důsledkem je jejich excitace nebo ionizace. Tyto primární účinky jsou spouštěcím mechanismem celé řady fyzikálních, fyzikálně-chemických, biochemických a biologických reakcí, které ve svých důsledcích vedou buď k poškození ozářeného organismu, nebo k jeho zániku (smrti). Doba, která uplyne od okamžiku absorpce ionizujícího záření atomem či molekulou absorbentu do vzniku změn v biologicky významných makromolekulách, je velmi krátká a nepřesahuje většinou jednu mikrosekundu. Časový rozvoj biologických změn je mnohem delší, což souvisí se složitostí metabolických pochodů v živých systémech a existencí široké sítě zpětnovazebních spojení. Bývá zvykem dělit biologické účinky ionizující záření na přímé a nepřímé. //Přímý účinek// zahrnuje fyzikální a fyzikálně-chemický proces spojený s absorpcí zářivé energie, vedoucí bezprostředně ke změnám v metabolicky a geneticky významných buněčných strukturách. Převládá v buňkách s nízkým obsahem vody. Teorie přímého účinku bývá někdy označována jako teorie zásahová. //Nepřímý účinek// je zprostředkován produkty radiolýzy vody, zejména volnými radikály H* a OH*. Tento druh účinku převažuje v buňkách s vysokým obsahem vody. Volné radikály nenesou elektrický náboj, mají však volný nepárový elektron, který z nich činí velmi reaktivní látky s oxidačně redukčními účinky. Těmi jsou schopny štěpit různé druhy intramolekulárních vazeb v biomolekulách a degradovat tak jejich strukturu, nutnou pro zachování jejich biologické funkce. Při radiačním poškození buňky se oba mechanismy objevují společně. U buněk nacházíme tyto postupné fáze radiačního poškození: – dočasné zastavení *proliferace (buněčného dělení), – reproduktivní smrt buněk (dočasné uchování funkce při ztrátě proliferační schopnosti), – okamžitá smrt buněk.$Citlivost buněk vůči ionizujícímu záření závisí na mnoha okolnostech, především na jejich schopnosti reparovat radiační poškození. Nejcitlivější jsou obecně buňky rychle se rozmnožující: embryonální, kožní a epiteliální, *kostní dřeně a gonád. Dlouhodobým následkem ozáření mohou být *mutace a vznik nádorových onemocnění. (Vojtěch Mornstein)