3. Radioaktivita nukleárně stabilní (cca 266)….. N/Z  1:1 – 3:2. Výjimky jsou 1 H 1 3 He 2 . Jádra nukleárně labilní (více než 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, tj. N/Z = 1 -1,5 , je jádro s velkou pravděpodobností nestabilní a je jádrem radioaktivním. [USEMAP] 1 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. Pro radioaktivní přem+nu 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 · A = A1 + A2 Z = Z1 + Z2 ·při samovolné radioaktivní přeměně se vždy uvolňuje energie (exoergický děj) · A X Z mateřské dceřinné jádro vysokoenergetická částice  ( A1, Z1 )Y  ( A2 , Z2 )částice 2 [USEMAP] ·platí tedy obecná hmotnostní podmínka radioaktivity: M(X) > M(Y) + 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 · ·deexcitace jádra se projeví vyzářením fotonu  · ·tato excitovaná jádra nejsou zpravidla stabilní a přeměňují se ihned dále 3 [USEMAP] [USEMAP] Typy přeměn Elementární částice při radioaktivní přeměně Symbol emitované částice Typ radioaktivní přeměny jádro 42 He α α - proces elektron pozitron (kladný elektron) β- β+ β - proces (negatronová nebo pozitronová přeměna) foton   - proces neutron n samovolné štěpení 4 [USEMAP] [USEMAP] Přeměny  (negatronová, pozitronová, elektronový záchyt) Tento typ přeměny je spojen se změnou kvarkového složení jednoho z nukleonů. Tok vznikajících leptonů, tj. elektronů nebo pozitronů, se pak nazývá zářením β-, resp. β+. W- virtuální částice (gluon) 5 [USEMAP] Negatronová přeměna, β- je běžným typem rozpadu nestabilních jader a setkáváme se s ní u přírodních i uměle připravených radionuklidů s relativním nadbytkem neutronů. Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti zúčastněných částic: M(A, Z) > M(A, Z+1) + me 6 [USEMAP] [USEMAP] [USEMAP] Jak vyplývá ze schématu přeměny β-, má toto záření spojité spektrum a dosahuje tzv. maximální energie. Nutno si uvědomit, že při beta procesu vznikají dvě malé částice (elektron a antineutrino), které mají svou vlastní kinetickou energii – součet velikostí těchto energií odpovídá energii procesu. Je-li tedy kinetická energie antineutrina nulová, pak elektro dosahuje energie maximální. Jádro B vzniká buď: pouze v základním stavu (přeměny 3H, 14C, 32P aj. nebo v základním (a) i vzbuzeném stavu (b) Yexcit Yexcit X  β- +  Y +  7 (Hodnoty a i b jsou v %) Tato tabulka uvádí vybrané nuklidy s kombinovanou přeměnou beta-gama a energie jejich záření. Důležité: Maximální energie beta záření je pro danou přeměnu charakteristická a tato hodnota, pokud je určena, slouží k identifikaci přeměňujícího se radionuklidu. Najde s jaderných tabulkách. [USEMAP] Pozitronová přeměna a elektronový záchyt se vyskytují pouze u nuklidů připravených uměle jadernými reakcemi s relativním nadbytkem protonů. Elektronový záchyt (EZ) představuje zvláštní typ přeměny β, kdy se jádro zbavuje nadbytku protonů v jádře - proton jádra zachytí obalový elektron (ze slupky K nebo L) a přemění se na neutron. Při EZ pozorujeme současně vznik: charakteristického rentgenova záření a Augerovy elektrony (vznikají při průchodu rtg záření vyššími elektronovými slupkami  mají diskrétní energii. β+: M(A, Z) EZ: > M(A, Z-1) + me M(A, Z) + me > M(A, Z-1) Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti: 8 [USEMAP] Příklad přeměny pozitronového zářiče 22Na (má o jeden neutron méně, než má monoizotopický 23Na). Tento „relativní nedostatek počtu neutronů“ = relativní nadbytek počtu protonů se projeví β+ aktivitou 22 Na22 Ne     11 10  e Pozitron (antičástice elektronu) je poměrně nestálý (~10-10 s), po zpomalení srážkami dochází k interakci s elektronem (anihilační reakce) e+ + e-  2  (2 x 0,51 MeV) vznikající fotony se využívají při měření pozitronických radioaktivních nuklidů. 9 [USEMAP] [USEMAP] Příklad elektronového záchytu: Dceřinné jádro lithia vzniká: ·v základním stavu (přeměny 15O, 17F, 19Ne aj.) · ·ve vzbuzeném stavu (přeměny 14O, 23Mg, 62Cu) · ·v základním i vzbuzeném stavu · ·pozitronickou přeměnu zpravidla provází také elektronový záchyt e- 7Be +  7Li +  (neutrino) 10 [USEMAP] Chemické změny při přeměnách beta Fajans - Soddyho posunová pravidla Typ interakce Chemická změna Posun v periodickém systému přeměna β- o jedno místo doprava přeměna β+ o jedno místo doleva elektronový záchyt (EZ) o jedno místo doleva 11 [USEMAP] Přeměna  Přeměna  je typická pro těžká přirozená i umělá jádra, kde je silné odpuzování protonů v jádrech. Hmotnostní podmínka pro jádra: M(A, Z) > M(A-4, Z-2) + m Př: Ra Rn   222 226 88 86 Opět platí Fajans- Soddyho posunové pravidlo (při rozpadu alfa vzniká dceřiný nuklid, který se v periodickém systému nachází o dvě místa vlevo od mateřského nuklidu) 12 [USEMAP] Vznikající částice  ·má relativně nízkou hmotnost ·a dostatečně velkou vazebnou energii (stabilní částice)  Její tvorba je energeticky výhodnější jako jiný shluk nukleonů, •proces emise  se děje tzv. tunelovým efektem. Důkaz tunelového efektu: 226Ra výška potenciálové bariéry (MeV) energie  (MeV) 23 4,8 Poznámka Hmotnostní podmínku pro přeměnu  splňují i jiná jádra s A>140, ale radioaktivita se nepozoruje (výjimky 153Dy, 150Gd) Důvod: částice  má v příslušném kvazistacionárním stavu nízkou energii, leží hluboko v potenciálové jámě a tunelový efekt nemůže nastat. 13 [USEMAP] [USEMAP] Přeměna  může probíhat za vzniku dceřiného jádra v základním (a) nebo vzbuzeném stavu (b) Často se pozoruje emise více skupin  částic  musí existovat více excitovaných stavů dceřiných jader. 14 [USEMAP] Platnost zákona zachování hybnosti při emisi alfa částice – dochází k tzv. odrazu jádro Y jádro X Odrazová energie:   m  Q E Y m  m Y  při odrazu dochází k excitaci elektronů a dceřiné jádro vzniká ve vysoce ionizovaném stavu a zpřetrhání chemických vazeb.  představuje cca 2 % celkové přeměnové energie (desítky keV) 15 [USEMAP] Přeměna  ·Záření gama je vysokoenergetické elektromagnetické záření vznikající deexcitací vzbuzených hladin mateřského atomového jádra · ·U dceřiného jádra se jedná o deexcitaci vzbuzených hladin vzniklých po radioaktivní přeměně. 16 [USEMAP] [USEMAP] ·deexcitace vzbuzeného jádra probíhá vyzářením jednoho nebo více fotonů elektromagnetického záření najednou nebo postupně ·emise fotonů je dějem mezi diskrétními energetickými stavy o určité energii  spektrum fotonů  je čárové ·emise fotonu je vždy provázena změnou jaderného spinu I (foton má spin 1) · Je-li změna jaderného spinu |I| = 1 nebo 2 (jsou nejpravděpodobnější), pak jde přechody s okamžitou emisí kvanta gama (tzv. dovolené přechody) Zakázané přechody jsou ty, kde |I| > 2, jsou méně pravděpodobné. Okamžitá emise kvanta gama:10-16-10-10 s pro |I| =1 a 10-11-10-4 s pro |I| = 2 Zpožděná emise  záření nastává po základné přeměně podstaně později a vede ke vzniku jaderných izomerů) Jaderná izomerie T ½ =10-3 s až roky 17 Emise  záření je velmi významná – umožňuje měření aktivity nuklidů, slouží k jejich identifikaci [USEMAP] [USEMAP] [USEMAP] Vnitřní konverze kvanta gama ·je alternativním způsobem deexcitace jádra (nezářivý přenos energie na orbitální elektron) ·proces je umožněn překryvem vlnových funkcí orbitálního elektronu a excitovaného jádra · ·uvolňuje se tzv. konverzní 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) 18 [USEMAP] [USEMAP] Samovolné štěpení (SF – spontaneous fission) se vyskytuje u jader: ·s vysokým počtem protonů ·s elipsoidním tvarem jádra, které se zaškrtí a rozdělí ·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 nukleonů v jádře a energie povrchové, která naopak drží jádro pohromadě. S rostoucím parametrem štěpení klesá poločas rozpadu samovolného štěpení nuklidu: 19 [USEMAP] [USEMAP] Emise nukleonů jev, kdy se z mateřského jádra uvolňuje proton A X A1Y 1p Z Z 1 1 neutron A X  A1Y  1n Z Z 0 Øvzácný typ rozpadu, neboť zpravidla není splněna hmotnostní podmínka (jádro X je v základním energetickém stavu) Ønastává při extrémním relativním nadbytku protonů nebo neutronů (vazebná energie nukleonů je malá) 151Lu(T  85ms)150Yb  p 71 70 Pozn. stabilní nuklidy lutecia mají A=175 a 176 Øemise nukleonů se pozoruje u vysoce excitovaných stavů jader s nadbytkem protonů nebo neutronů, kdy emisi nukleonu předchází přeměna , která je relativně pomalá. 20 [USEMAP] ·následně vzniklé nukleony se nazývají jako zpožděné. 25Si   25Alexcit 24 M g  p 87 Br  87Krexcit  86 Kr  n Poznámka: ·excitovaná jádra s velkým nadbytkem neutronů a emitující zpožděné neutrony jsou mezi štěpnými produkty u 235U a 239Pu (cca 0,65 % celkových neutronů – nutno s nimi počítat při řízení reaktoru). 21 [USEMAP] Větvené přeměny ·probíhají najednou v různém zastoupení ·hmotnostní podmínka přeměny umožňuje dva či více typů přeměny ·každá dílčí přeměna má svou pravděpodobnost a energii /- u těžkých nuklidů /samovolné štěpení u těžkých jader, přeměna je méně pravděpodobná jako přeměna . Úbytek radionuklidu je řízen poločasem  přeměny – je kratší. /elektronový záchyt u těžkých jader +/elektronový záchyt u lehčích radionuklidů s nadbytkem protonů -/elektronový záchyt vzácný případ 22 [USEMAP] Přeměnová schemata a Fajans-Soddyho posunová pravidla 23 [USEMAP] [USEMAP] [USEMAP]