3. RADIOAKTIVITA
nukleárně stabilní (cca 266)..... N/Z  1:1 ­ 3:2
Výjimky jsou H1
1 He3
2
Jádra
nukleárně labilní (cca 1750)
Relativní zvýšení počtu neutronů má příznivý vliv na stabilitu
jádra, protože se snižuje odpuzování protonů
některá jádra jsou stabilní jen při jediné kombinaci N a Z
(monoizotopické prvky)
většina prvků je však polyizotopických  existuje jisté
rozmezí poměru N/Z, kdy jsou jádra stabilní
pokud je poměr N/Z mimo uvedené hranice je jádro s velkou
pravděpodobností nestabilní a je jádrem radioaktivním
Radioaktivita je projevem nukleární nestability jader.
Spočívá v jejich přeměně na jiný nuklid, přičemž dochází
současně k eliminaci některé z elementárních částic, ev. jejich
skupin, z prostoru rozpadajícího se jádra.
částice)Z,A(Y)Z,A(X 2211
A
Z +
mateřské dceřiné jádro
Pro radioaktivní rozpad platí následující charakteristiky:
přeměna je děj samovolný (spontánní)
nezávisí na chemickém stavu atomu
platí zákon zachování hmotnosti a energie
platí zákon zachování nukleonového a atomového čísla
1
A = A1 + A2 ; Z = Z1 + Z2
při radioaktivní přeměně se vždy uvolňuje energie
(exoergický děj)
platí tedy obecná hmotnostní podmínka radioaktivity:
M(X) > M(X) + M(částice)
pokud vznikne dceřiné jádro Y v základním stavu, pak se
přeměnová energie projeví jako kinetická energie částice a
jádra Y
je-li po rozpadu jádro Y v excitovaném stavu, pak část
přeměnové energie zůstane v jádru Y ve formě excitační
energie
tato excitovaná jádra nejsou zpravidla stabilní a rozpadají se
ihned dále. Deexcitace se projeví vyzářením fotonu  záření.
Typy přeměn
přeměna se zachováním A , Z se mění ( přeměny, jejichž
podstatou jsou slabé interakce působící mezi leptonem a
hadronem)
přeměny se současnou změnou A i Z (přeměny  emise
nukleonu nebo těžších jader, samovolné štěpení)
přeměny spojené s pouhou deexcitací jádra (A i Z zůstává
zachováno) ­ přeměny , vnitřní konverze
2
Elementární částice
při radioaktivní
přeměně
Symbol částice
Typ radioaktivního
rozpadu
jádro 4
2He (helion)   - proces
elektron
pozitron (kladný elektron)
-
+
 - proces
(negatronová nebo
pozitronová přeměna)
foton   - proces
neutron n samovolné štěpení
Přeměny 
Tento typ přeměny je záležitostí slabých interakcí mezi
leptony (elektrony v obalu) a hadrony (nukleony) a je spojena
se změnou kvarkového složení jednoho z nukleonů:
Typ interakce
Zprostředkování
slabé
interakce mezi
nukleony
Chemická změna
přeměna (negatronová
přeměna)
n  p+
+ e+
~e
přeměna +
(pozitronová přeměna)
p+
 n + e+
+ e
elektronový záchyt
(EZ)
p+
+ e-
 n + e
Pozn.: ~e - elektronové antineutrino
e - elektronové neutrino
3
Tok vznikajících leptonů, tj. elektronů nebo pozitronů, se
pak nazývá zářením -, resp. +.
emise elektronového antineutrina u -, elektronového
neutrina u +, souvisí:
o se zákonem zachování energie,
o hybnosti
o leptonového čísla
 vznikající elektrony nemají stejnou energii ­
existuje celé spojité spektrum negatronů, resp.
pozitronůzáření má svou maximální energii
Negatronová přeměna je běžným typem rozpadu
nestabilních jader a setkáváme se s ní u přírodních i uměle
připravených radionuklidů s relativním nadbytkem neutronů.
o Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti:
M(A, Z) > M(A, Z+1) + me
4
Jádro Y vzniká buď:
v základním stavu (přeměny 3
H, 14
C, 32
P aj.
ve vzbuzeném (excitovaném) stavu
X  - + Yexcit
; Yexcit
 Y + 
v základním (a) i vzbuzeném stavu (b)
5
Pozitronová přeměna se vyskytuje pouze u nuklidů
připravených jadernými reakcemi s relativním nadbytkem
protonů
o Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti:
M(A, Z) > M(A, Z-1) + me
o je vyvolána změnou kvarkového složení protonu,
kterou zprostředkovává virtuální částice W+
W+
 + + e
Jádro Y vzniká analogicky buď:
v základním stavu (přeměny 15
O, 17
F, 19
Ne aj.)
ve vzbuzeném stavu (přeměny 14
O, 23
Mg, 62
Cu)
v základním i vzbuzeném stavu
pozitronickou přeměnu zpravidla provází také elektronový
záchyt
Pozitron (antičástice elektronu) je poměrně nestálý (~10-10
s),
po zpomalení srážkami dochází k interakci s elektronem
(anihilační reakce)
e+
+ e-
 2 (2x 0,51 MeV)
vznikající fotony se využívají při měření pozitronických
radioaktivních nuklidů
Př.
e
22
10
22
11 NeNa ++ +
6
Elektronový záchyt představuje zvláštní typ přeměny
, kdy se jádro zbavuje nadbytku protonů v jádře - proton
jádra zachytí obalový elektron (ze slupky K nebo L) a přemění
se na neutron
o Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti:
M(A, Z) + me > M(A, Z-1)
o je vyvolána změnou kvarkového složení protonu,
kterou zprostředkovává virtuální částice WPř.
7
Be + e-
 7
Li +  (neutrino)
Neutrino nelze běžnými detektory zachytit  registruje se podle
následných dějů:
o charakteristické rentgenovo záření,
o Augerovy elektrony (vznikají při průchodu rtg.
záření vyššími elektronovými slupkami  mají
diskrétní energii
7
Přeměna 
Přeměna  je typická pro těžká přirozená i umělá jádra, kde
je silné odpuzování protonů v jádrech.
= helion
Př: + RnRa 222
86
226
88
Hmotnostní podmínka pro jádra:
M(A, Z) > M(A-4, Z-2) + m
Vznikající částice :
má vysokou střední vazebnou energii (stabilní částice)
relativně nízkou hmotnost
 je energeticky výhodnější jako jiný shluk nukleonů, proces
emise se děje tzv. tunelovým efektem
Důkaz tunelového efektu:
výška potenciálové bariéry (MeV) energie ( MeV)226
Ra
23 4,8
8
Pozn.
Hmotnostní podmínku pro přeměnu  splňují i jiná jádra
s A>140 , ale radioaktivita se nepozoruje (výjimky 153
Dy, 150
Gd)
Důvod: částice  má v příslušném kvazistacionárním stavu
nízkou energii, leží hluboko v potenciálové jámě a tunelový
efekt nemůže nastat.
Přeměna  může probíhat za vzniku dceřiného jádra ve
základním (b) nebo vzbuzeném stavu (a)
Často se pozoruje emise více skupin  částic  musí
existovat více excitovaných stavů dceřiných jader
9
Platnost zákona zachování hybnosti při emisi alfa
částice ­ dochází k odrazu

jádro Y jádro X
Odrazová energie:


mm
Qm
E
Y
Y
+
+
=
Odrazová energie představuje cca 2% celkové přeměnové
energie (desítky keV)
 při odrazu dochází k excitaci elektronů a dceřiné jádro vzniká
ve vysoce ionizovaném stavu a zpřetrhání chemických vazeb
Emise těžkých jader
vzácný typ přeměny
musí být splněna hmotnostní podmínka
Příklady:
223
Ra  209
Pb + 14
C
232
U  208
Pb + 24
Ne
10
Samovolné štěpení
se vyskytuje u jader:
s vysokým počtem protonů
s elipsoidním tvarem jádra
musí platit hmotnostní podmínka
vznikají přitom 2 tzv. trosky a zpravidla 2-3 neutrony
jde zpravidla o konkurenční reakci k procesu 
Zavádí se tzv. parametr štěpení Z2
/A
(vychází z kapkového modelu jádra ­ jde o poměr energie
odpuzování a energie povrchové)
S rostoucím parametrem štěpení klesá poločas rozpadu
samovolného štěpení nuklidu:
11
Emise nukleonů
jev, kdy se z mateřského jádra uvolňuje
proton
pYX A
Z
A
Z
1
1
1
1 + -
-
neutron
nYX A
Z
A
Z
1
0
1
+ vzácný
typ rozpadu, neboť zpravidla není splněna
hmotnostní podmínka (jádro X je v základním
energetickém stavu)
nastává při extrémním relativním nadbytku protonů nebo
neutronů (vazebná energie nukleonů je malá)
pYbmsTLu += 150
70
151
71 )85(
Pozn. stabilní nuklidy lutecia mají A=175 a 176
emise nukleonů se pozoruje u vysoce excitovaných stavů
jader s nadbytkem protonů nebo neutronů, kdy emisi
nukleonu předchází přeměna , která je relativně pomalá.
Následně vzniklé nukleony se nazývají jako zpožděné.
pMgAlSi rychleexcitpomalu
+ +  +
242525

nKrKrBr rychleexcitpomalu
+ +  -
868787

excitovaná jádra s velkým nadbytkem neutronů a emitující
zpožděné neutrony jsou mezi štěpnými produkty u
235
U a
239
Pu (cca 0,65% celkových neutronů ­ nutno s nimi
počítat při řízení reaktoru)
12
Větvené přeměny
hmotnostní podmínka přeměny umožňuje dva či více typů
přeměny
každá přeměna má svou pravděpodobnost a energii
Typy větvených přeměn:
1 /- u těžkých nuklidů
2 /samovolné štěpení u těžkých jader, přeměna je
méně pravděpodobná jako
přeměna .
Úbytek radionuklidu je řízen
poločasem  přeměny ­ je
kratší.
3 /elektronový záchyt u těžkých jader
4 +/elektronový záchyt u lehčích radionuklidů s
nadbytkem protonů
5 -/elektronový záchyt vzácný případ
13
Přeměna  + vnitřní konverze
vyskytuje se často u excitovaných jader
deexcitace probíhá vyzářením jednoho nebo více fotonů
elektromagnetického záření
emise fotonů je dějem mezi diskrétními energetickými
stavy o určité energii  spektrum  je čárové
emise fotonu je vždy provázena změnou jaderného spinu
(foton má spin =1)
přechody |I| = 1 nebo 2 jsou nejpravděpodobnější
(dovolené přechody) doba života excitovaných stavů je
cca 10-16
-10-10
s, resp. 10-11
-10-4
s pro |I| = 2
okamžitá emise  záření
deexcitace může nastat postupnou emisí několika fotonů
přechody, kde |I| > 2, jsou méně pravděpodobné ­ jsou
tzv. zakázané
 emise fotonů se projeví delším poločasem deexcitace
10-3
s až roky) ­ zpožděná emise  záření (vznik
jaderných izomerů)
emise  záření je velmi významná ­ umožňuje měření
aktivity nuklidů, slouží k jejich identifikaci
zdroje  záření
60
Co, 137
Cs, 192m
Ir
14
Vnitřní konverze
je alternativním způsobem deexcitace jádra (nezářivý
přenos energie na orbitální elektron)
proces je umožněn překryvem vlnových funkcí orbitálního
elektronu a excitovaného jádra
uvolňuj se tzv. konvertovaný elektron (má diskrétní
energii)
po uvolnění konvertovaného elektronu se vakance
v elektronovém orbitalu zaplňuje elektronem z vyšší
hladiny a dochází ke vzniku charakteristického rtg. záření,
příp. i Augerova elektronu (jako u EZ)
15