1
3. RADIOAKTIVITA
nukleárně stabilní (cca 266)….. N/Z  1:1 – 3:2 Výjimky jsou H1
1 He3
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 je jádro s velkou pravděpodobností
nestabilní a je jádrem radioaktivním
2
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.
mateřské dceřinné jádro vysokoenergetická částice
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
A = A1 + A2 Z = Z1 + Z2
 při radioaktivní přeměně se vždy uvolňuje energie (exoergický děj)
částiceZAYZAXA
Z ),(),( 2211 
3
 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  záření.
 tato excitovaná jádra nejsou zpravidla stabilní a rozpadají se ihned dále.
4
Typy přeměn
 přeměna se zachováním A, Z se mění. Jde o  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
Elementární částice
při radioaktivní
přeměně
Symbol emitované
částice
Typ radioaktivního
rozpadu
jádro 4
2He (helion) α α - proces
elektron
pozitron (kladný
elektron)
β-
β+
β - proces
(negatronová nebo
pozitronová přeměna)
foton   - proces
neutron n samovolné štěpení
5
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+.
6
Negatronová přeměna, βje
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
7
Jádro B vzniká buď: v základním stavu (přeměny 3
H, 14
C, 32
P aj. nebo ve vzbuzeném
(excitovaném) stavu X  β- + Yexcit
; Yexcit
 Y + 
 v základním (a) i vzbuzeném stavu (b) pouze v excitovaném stavu s deexcitací
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.
8
Pozitronová přeměna a elektronový záchyt (EZ)
se vyskytují pouze u nuklidů připravených uměle jadernými reakcemi s relativním nadbytkem
protonů
Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti:
β+
: M(A, Z) > M(A, Z-1) + me
EZ: M(A, Z) + me > M(A, Z-1)
Elektronový záchyt 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
elektron§ (vznikají při průchodu rtg. záření vyššími elektronovými slupkami  mají diskrétní
energii
9
Příklad přeměny pozitronového zářiče: (22
Na má o jedem elektron méně než má –
monoizotopický 23
Na. Tnto „relativní nedostak neutronů se projeví β+
aktivitou
e
22
10
22
11 NeNa  
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
10
7
Be + e
7
Li +  (neutrino)
Příklad elektronového záchytu:
Jádro B 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
11
Chemické změny při přeměnách beta –
Fajans - Soddyho posunová pravidla
Typ interakce Chemická změna
Posun v periodickém
systému
přeměna βo
jedno místo doprava
přeměna β+
o jedno místo doleva
elektronový záchyt (EZ) o jedno místo doleva
12
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:  RnRa 222
86
226
88
Opět platí Fajans- Soddyho posunové pravidlo (při rozpadu alfa vzniká
dceřinný nuklid, který se v periodickém systému nachází o dvě místa vlevo od
mateřského nuklidu)
13
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:
226
Ra
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 153
Dy, 150
Gd)
Důvod: částice  má v příslušném kvazistacionárním stavu nízkou energii, leží hluboko
v potenciálové jámě a tunelový efekt nemůže nastat.
14
Přeměna  může probíhat za vzniku dceřiného jádra v základním (b) nebo vzbuzeném stavu (a)
Často se pozoruje emise více skupin  částic  musí existovat více excitovaných stavů
dceřiných jader.
15

Platnost zákona zachování hybnosti při emisi alfa částice – dochází k tzv. odrazu
jádro Y jádro X
Odrazová energie:


mm
Qm
E
Y
Y



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.
16
Přeměna  + vnitřní konverze
 Záření gama je vysokoenergetické elektromagnetické záření
vznikající deexcitací vzbuzených hladin mateřského atomového
jádra
 U dceřinného jádra se jedná o deexcitaci vzbuzených hladin
vzniklého po radioaktivní přeměně.
17
 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 I (foton má spin =1)
 deexcitace může nastat postupnou emisí několika fotonů
 emise  záření je velmi významná – umožňuje měření aktivity nuklidů, slouží
k jejich identifikaci
 přechody |I| = 1 nebo 2 jsou nejpravděpodobnější (tzv. dovolené přechody),
 přechody, kde |I| > 2, jsou méně pravděpodobné – jsou tzv. zakázané přechody
Okamžitá emise gama …….10-16
-10-10
s pro |I| =1 10-11
-10-4
s pro |I| = 2
Zpožděná emise  záření (vznik jaderných izomerů)
Jaderná izomerie T ½ =10-3
s až roky
18
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. 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)
19
Samovolné štěpení
se vyskytuje u jader:
 s vysokým počtem protonů
 s elipsoidním tvarem jádra, které se zaškrtí a rozděl
 musí platit hmotnostní podmínka
 vznikají přitom 2 tzv. trosky a zpravidla 2-3 neutrony
 jde zpravidla o konkurenční reakci k procesu 
20
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:
21
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
22
 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)
23
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
24
Přeměnová schemata a Fajans-Soddyho posunová pravidla