Radioaktivita a zdroje ionizující záření Karel Katovský Ústav elektroenergetiky Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 2 PŘEDNÁŠKA  Motivace  Historie objevování radioaktivity  Struktura jádra, radioaktivní přeměny  Ionizující záření – alfa, beta, gama, neutrony...  Zdroje ionizujícího záření  Přirozené ionizující záření  Atomový obal, atomové jádro (100 000 : 1 = Brno : puk)  Prvky, izotopické složení prvků (periodická tabulka je 3D! – Table of nuclides – Nuklidová karta)  Stabilní vs. nestabilní izotopy (uhlík, draslík: 12 C/14 C, 39 K/40 K)  Fyzikální vs. chemické vlastnosti (uran – 235 U/238 U)  Slupkový model jádra, energetické hladiny → gama  Elektronový obal, energetické hladiny → RTG záření X FYZIKA ATOMOVÉHO JÁDRA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 3 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 4  Velký třesk  Vznik elementárních částic  Nukleosyntéza – vznik jader a atomů  Proces vedoucí od volných elementárních částic po složitá atomová jádra  Atomy a molekuly, hvězdy, galaxie, sluneční soustavy, planety  Živá hmota VZNIK PRVKŮ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 5 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 6 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 7 Protony Neutrony Těžká stabilní jádra Uran  Fyzikální vlastnost nestabilního přírodního nebo umělého radionuklidu (prvku, izotopu)  Doprovázena „transmutací“ vznikem chemicky odlišného prvku s jinými vlastnostmi (hovoříme o jaderné přeměně, slangově rozpadu)  Doprovázena přeměnou energie (uvolněním energie)  Doprovázena emisí částic a energetických kvant elektromagnetického pole (fotonů)  Pozor na „Radioaktivní záření“! RADIOAKTIVITA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 8 Radioaktivita je fyzikální jev (vlastnost nestabilního nuklidu), kdy dochází k samovolné vnitřní přeměně atomových jader, přičemž je emitováno vysokoenergetické ionizující záření. Jádra vykazující tuto vlastnost se nazývají radionuklidy. RADIOAKTIVITA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 9 HISTORIE JADERNÉ FYZIKY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 10 ZÁLEŽÍ NA TOM, JAK SE DO TOHO TŘÍSKNE Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 11  Historie objevování atomů, prvků, elektromagnetismu, vesmíru, spekter...  Henry Bequerel  Konrad Roentgen  Marie Curie-Skłodowská, Pierre Curie (Irene Curie-Joliot...)  Planck, Einstein, de Broglie, Rutherford, Bohr...  František Běhounek, Čestmír Šimáně HISTORIE Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 12 PRVNÍ JADERNÝ REAKTOR NA SVĚTĚ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 13 Před 2 mld. lety > 3.6 % U-235  V provozu stovky mil. let GABON, OKLO Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 14 SLOUŽIL PRO POBAVENÍ HOSTŮ (V RESTAURACI U BÍLÉHO/ČERNÉHO KONĚ) Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 15 RADIOFOBIE VS. RADIOFILIE Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 16 16 Soda atomique – zdraví které chutná Oblečení IRADIA a už vám nikdy zima nebude  Atomová oblačná komora  Zábavné, snadné, vzrušující  Obsahuje pouze bezpečný radioaktivní materiál 16 Zářivě krásná! Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 17 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 18 BOHUŽEL, JADERNÉ ZBRANĚ MÁ 9 ZEMÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 19 JADERNÁ ENERGETIKA (NEJNOVĚJŠÍ JE: OSTROVEC, BELARUSSIAN-1, NOV.3, 2020) Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 20  Většina vědců, kteří se podíleli na vývoji jaderné zbraně se pak stala bojovníky za jaderné odzbrojení  Jacob Robert Oppenheimer: „Nyní se stávám Smrtí, ničitelem světů.“  Andrej Dmitrijevič Sacharov – Nobelova cena za mír JASNĚJŠÍ NEŽ TISÍC SLUNCÍ „ZLÉ ZÁŘENÍ“ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 21 ROENTGEN A MARIE CURIE „HODNÉ ZÁŘENÍ“ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 22 SKOK DO SOUČASNOSTI: PET SPECT Protonová terapie C-12 terapie Gama nůž Řízená léčba radiofarmaky JADERNÁ ENERGIE A IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ MŮŽE DOBŘE SLOUŽIT V LÉKAŘSTVÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 23 DEEP SPACE, MARS... Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 24 New Horizonts Curriosity JADERNÝ KARDIOSTIMULÁTOR Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 25 Energie z radioaktivního rozpadu plutonia 238 nahrazuje baterie: nikdy nedojdou!  Přeměna alfa  Přeměna beta (b-, b+, EC)  Přeměna gama  Exotické přeměny (včetně dvojitého beta rozpadu, samovolné emise neutronu či spontánního štěpení)  Doprovodné jaderně-fyzikální jevy, emise gama záření, emise roentgenovského X-záření, brzdného (Bremsstrahlung) záření (braking radiation), apod. PŘEMĚNY JADER, RADIOAKTIVITA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 26 RADIOAKTIVITA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 27 POLOČAS PŘEMĚNY (ROZPADU) Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 28  Přímo ionizující ▪ Proton, nabitá částice, přímo „vytrhává“ elektrony z atomových obalů  Nepřímo ionizující ▪ Neutron, musí nejdříve reagovat s jádrem a poté nabité produkty reakce „vytrhnou“ elektrony z atomových obalů IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 29 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 30 ALFA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 31 ALFA  silně ionizující záření  těžké nabité částice (náboj +2e, hmotnost 4u)  krátký dolet závisející na energii  alfa částice z rozpadu cca 5 MeV  dolet ▪ jednotky cm ve vzduchu ▪ desetiny mm v pevných látkách  „Podobně“ se chovají všechny těžké nabité částice i protony – Braggova křivka  Využití např. v požárních hlásičích, vybíjení statické elektřiny… VLASTNOSTI ZÁŘENÍ ALFA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 32 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 33 BETA + nebo - Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 34 BETA  lehká nabitá částice (náboj 1e, hmotnost 1/2000u)  spojité spektrum (různé energie)  v rozpadech stovky keV, urychlovače >MeV  brždění v materiálem - „cik-cak“ zákon  v blízkosti jádra intenzivní brzdné záření (nabitá částice v el.-mag. poli) a záření X  dolet závisí na čísle Z a hustotě materiálu ▪ až desítky cm ve vzduchu ▪ desetiny až jednotky mm v materiálech VLASTNOSTI ZÁŘENÍ BETA (MÍNUS) Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 35  elektrony  pozitrony (beta plus) – dojde k anihilaci s elektronem ▪ vznikají anihilační gama kvanta o energii 511 keV opačného směru  doprovodné záření gama  Využití ▪ PET – pozitronová emisní tomografie (beta plus) ▪ Produkce záření X ▪ Tloušťkoměry VLASTNOSTI ZÁŘENÍ BETA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 36 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 37 GAMA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 38  silně pronikavé, elektricky neutrální záření  pronikavost závisí na energii  a velmi silně na Z materiálu – čím větší, tím lepší stínění  koeficient zeslabení (attenuation factor)  Velice široké využití ▪ Lekselův gama nůž, SPECT kamera (Tc99) ▪ Defektoskopie, radiografie, radiometrie, hladinoměry, karotáže ▪ Sterilizace zdravotnického materiálu, potravin; tvrzení um. hmot VLASTNOSTI ZÁŘENÍ GAMA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 39 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 40 NEUTRONY NEUTRONOVÉ „ZÁŘENÍ“ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 41 4-Be-9 + 2-He-4 → → 6-C-12 + 0-n-1 Reakce (alfa,n) (gama,n) (p,n) (n,štěpení) d+t – fúze V přírodě jen velmi sporadicky: - sponntánní štěpení U238 - produkt reakcí protonů v atmosféře - volné neutrony ve vesmíru nejsou  neutrony nemají elektrický náboj (hmotnost ~1u jako proton)  nepřímo ionizující záření – ionizuje až produkt reakce s neutronem, ne sám neutron  reaguje rozptylem nebo absorpcí  ve vodě až desítky rozptylů před absorpcí – při každém rozptylu může předávat energii  pronikavost závisí na energii, materiálu a hustotě ▪ složitá závislost, liší se materiál od materiálu – většinou desítky cm (i metry a desítky m) VLASTNOSTI NEUTRONOVÉHO ZÁŘENÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 42  Přirozené ▪ kosmické záření (+indukované např. C-14, H-3, tzv. kosmogenní) ▪ záření zemské kůry (rozpadové řady) ▪ primordiální (primární) radionuklidy (od vzniku Země s námi)  Umělé ▪ jaderné reaktory ▪ urychlovače ▪ radionuklidové zdroje ▪ neptuniová rozpadová řada ▪ pozůstatky zkoušek jaderných zbraní ▪ pozůstatky jaderných havárií ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 43 KOSMICKÉ ZÁŘENÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 44 URAN-RADIOVÁ ŘADA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 45 U-238 4.5.109y9 Th-234 24.1d Rn-222 3.82 d Po-216 3.05 m Pb-214 26.8 m Bi-214 19.9 m Po-214 164 µs Pb-210 22.3 y Bi-210 5.01 d Po-210 138d Pb-206 stable Pa-234 1.2m U-234 2.5.105y Th-230 7.7.104y Ra-226 1600 y URAN-AKTINIOVÁ ŘADA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 46 U-235 7.108y Th-231 25.6h Pa-231 3.3.104a Th-227 18.8d Ac-227 22a Ra-223 11.4d Fr-223 22m At-219 0.9m Rn-219 3.9s At-215 100µs Bi-215 7.4m Po-215 1.8ms Po-211 0.52s0 Pb-211 36.1m Pb-207 stabile Tl-207 4.8m Bi-211 2.15m Pb Bi Po Rn Fr Th Pa UTl At Ra Ac URANOVÉ ŘADY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 47 THORIOVÁ ŔADA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 48 Th-231 25.6h Th-227 18.8d Ac-227 22a Ra-223 11.4d Fr-223 22m At-219 0.9m Rn-219 3.9s At-215 210µs Bi-215 7.4m Po-215 1.8ms Po-211 0.52s0 Pb-211 36.1m Pb-207 stabile Tl-207 4.8m Bi-211 2.15m Pb Bi Po Rn Fr ThTl At Ra Ac Th-232 1.4.1010y Th-228 1.9y Ac-228 6.13h Ra-224 3.64d Rn-220 55.6s Po-216 0.15s Po-212 0.3µs Pb-212 10.6h Pb-208 stabile Tl-208 3.1m Bi-212 60.6m Ra-228 5.7y RADON Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 49 PRIMORDÁLNÍ (PRIMÁRNÍ) RADIONUKLIDY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 50 KOSMOGENNÍ RADIONUKLIDY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 51 nuklid symbol poločas zdroj Přírodní aktivita Uhlík 14 14 C 5730 let Interakce kosmického záření s atomy dusíku 0.22 Bq/g v organických materiálech Tritium 3 H 12.3 let Interakce kosmického záření s atomy dusíku, kyslíku a lithia 1.2 x 10-3 Bq/kg Beryllium 7 7 Be 53.28 dní Interakce kosmického záření s atomy dusíku a kyslíku 0.01 Bq/kg  Záření vzniká díky procesům v elektronovém obalu atomu ▪ Na rozdíl od záření gama, které má vždy původ v atomovém jádře  Charakteristické rentgenové záření  Brzdné „rentgenové“ záření (Bremsstrahlung, braking rad.) ZÁŘENÍ X (RTG A BRZDNÉ ZÁŘENÍ) Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 52  Primárně výzkumná, ale stále častěji průmyslová a medicínská zařízení (elektronové urychlovače, protonováhadronová terapie, terapie těžkými ionty) URYCHLOVAČE ČÁSTIC Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 53  Vojtěch Ullmann – AstroNuklFyzika  Marie Dufková a materiály ČEZ, a.s.  prof. Hála (VUT): Radioaktivita  doc. Švec (VŠB): IZ a ochrana před IZ  různé... ZDROJE Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 54 DĚKUJI ZA POZORNOST Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 55