3. Radioaktivita nukleárně stabilní (cca 266)….. N/Z @ 1:1 – 3:2 Výjimky jsou Jádra nukleárně labilní (cca 1750) Ø Relativní zvýšení počtu neutronů má příznivý vliv na stabilitu jádra, protože se snižuje odpuzování protonů Ø některá jádra jsou stabilní jen při jediné kombinaci N a Z (monoizotopické prvky) Ø většina prvků je však polyizotopických Þ 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. mateřské dceřinné jádro Pro radioaktivní rozpad platí následující charakteristiky: Ø přeměna je děj samovolný (spontánní) Ø nezávisí na chemickém stavu atomu Ø platí zákon zachování hmotnosti a energie Ø platí zákon zachování nukleonového a atomového čísla A = A[1] + A[2] ; Z = Z[1] + Z[2][] Ø při radioaktivní přeměně se vždy uvolňuje energie (exoergický děj) Ø platí tedy obecná hmotnostní podmínka radioaktivity: M(X) > M(Y) + M(částice) Ø pokud vznikne dceřiné jádro Y v základním stavu, pak se přeměnová energie projeví jako kinetická energie částice a jádra Y Ø je-li po rozpadu jádro Y v excitovaném stavu, pak část přeměnové energie zůstane v jádru Y ve formě excitační energie Ø tato excitovaná jádra nejsou zpravidla stabilní a rozpadají se ihned dále. Deexcitace se projeví vyzářením fotonu g záření. Typy radioaktivních přeměn Ø přeměna se zachováním A, Z se mění (b přeměny, jejich podstatou jsou slabé interakce působící mezi leptonem a hadronem) Ø přeměny se současnou změnou A i Z (přeměny a emise nukleonu nebo těžších jader, samovolné štěpení) Ø přeměny spojené s pouhou deexcitací jádra (A i Z zůstává zachováno) – přeměny g, vnitřní konverze Elementární částice při radioaktivní přeměně Symbol částice Typ radioaktivního rozpadu jádro ^4[2]He (helion) α α - proces elektron pozitron (kladný elektron) β- β+ β - proces (negatronová nebo pozitronová přeměna) foton g g - proces neutron n samovolné štěpení Přeměny b 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 β- (negatronová přeměna) n ® p^+ + e^- + ν˜[e] přeměna β+ (pozitronová přeměna) p^+ ® n + e^+ + ν[e] elektronový záchyt (EZ) p^+ + e^- ® n + ν[e] Pozn.: ν˜[e] - elektronové antineutrino ν[e] - elektronové neutrino Tok vznikajících leptonů, tj. elektronů nebo pozitronů, se pak nazývá zářením β-, resp. β+. Ø emise elektronového antineutrina u β-, elektronového neutrina u β+, souvisí: o se zákonem zachování energie, o hybnosti o leptonového čísla Þ vznikající elektrony nemají stejnou energii – existuje celé spojité spektrum negatronů, resp. pozitronůÞzáření 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. Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti: M(A, Z) > M(A, Z+1) + m[e] Jádro Y vzniká buď: Ø v základním stavu (přeměny ^3H, ^14C, ^32P aj. Ø ve vzbuzeném (excitovaném) stavu X ® β- + Y^excit ; Y^excit ® Y + g  Ø  v základním (a) i vzbuzeném stavu (b) Pozitronová přeměna se vyskytuje pouze u nuklidů připravených jadernými reakcemi s relativním nadbytkem protonů Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti: M(A, Z) > M(A, Z-1) + m[e] je vyvolána změnou kvarkového složení protonu, kterou zprostředkovává virtuální částice W^+ W^+ ® b[+] + n[e] Jádro Y vzniká analogicky buď: Ø v základním stavu (přeměny ^15O, ^17F, ^19Ne aj.) Ø ve vzbuzeném stavu (přeměny ^14O, ^23Mg, ^62Cu) Ø v základním i vzbuzeném stavu Ø pozitronickou přeměnu zpravidla provází také elektronový záchyt Pozitron (antičástice elektronu) je poměrně nestálý (~10^-10s), po zpomalení srážkami dochází k interakci s elektronem (anihilační reakce) e^+ + e^- ® 2g (2x 0,51 MeV) vznikající fotony se využívají při měření pozitronických radioaktivních nuklidů Př. 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 o Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti: M(A, Z) + m[e] > M(A, Z-1) o je vyvolána změnou kvarkového složení protonu, kterou zprostředkovává virtuální částice W^- ^7Be + e^- ® ^7Li + n (neutrino) Př. Neutrino nelze běžnými detektory zachytit Þ registruje se podle následných dějů: o charakteristické rentgenovo záření, o Augerovy elektrony (vznikají při průchodu rtg. záření vyššími elektronovými slupkami Þ mají diskrétní energii  Přeměna a Přeměna a je typická pro těžká přirozená i umělá jádra, kde je silné odpuzování protonů v jádrech. = helion Př: Hmotnostní podmínka pro jádra: M(A, Z) > M(A-4, Z-2) + m[a] Vznikající částice a: Ø má vysokou střední vazebnou energii (stabilní částice) Ø relativně nízkou hmotnost Þ je energeticky výhodnější jako jiný shluk nukleonů, proces emise se děje tzv. tunelovým efektem  Důkaz tunelového efektu: ^226Ra výška potenciálové bariéry (MeV) energie a( MeV) 23 4,8 Pozn. Hmotnostní podmínku pro přeměnu a splňují i jiná jádra s A>140 , ale radioaktivita se nepozoruje (výjimky ^153Dy, ^150Gd) Důvod: částice a má v příslušném kvazistacionárním stavu nízkou energii, leží hluboko v potenciálové jámě a tunelový efekt nemůže nastat. Přeměna a může probíhat za vzniku dceřiného jádra ve základním (b) nebo vzbuzeném stavu (a)   Často se pozoruje emise více skupin a částic Þ musí existovat více excitovaných stavů dceřiných jader Platnost zákona zachování hybnosti při emisi alfa částice – dochází k odrazu jádro Y jádro X Odrazová energie: Odrazová energie představuje cca 2% celkové přeměnové energie (desítky keV) Þ při odrazu dochází k excitaci elektronů a dceřiné jádro vzniká ve vysoce ionizovaném stavu a zpřetrhání chemických vazeb Emise těžkých jader Ø vzácný typ přeměny Ø musí být splněna hmotnostní podmínka Příklady: ^223Ra ® ^209Pb + ^14C ^232U ® ^208Pb + ^24Ne Samovolné štěpení se vyskytuje u jader: Ø s vysokým počtem protonů Ø s elipsoidním tvarem jádra Ø musí platit hmotnostní podmínka Ø vznikají přitom 2 tzv. trosky a zpravidla 2-3 neutrony Ø jde zpravidla o konkurenční reakci k procesu a  Zavádí se tzv. parametr štěpení Z^2/A (vychází z kapkového modelu jádra – jde o poměr energie odpuzování a energie povrchové) S rostoucím parametrem štěpení klesá poločas rozpadu samovolného štěpení nuklidu:  Emise nukleonů Ø jev, kdy se z mateřského jádra uvolňuje proton neutron Ø vzácný typ rozpadu, neboť zpravidla není splněna hmotnostní podmínka (jádro X je v základním energetickém stavu) Ø nastává při extrémním relativním nadbytku protonů nebo neutronů (vazebná energie nukleonů je malá) Pozn. stabilní nuklidy lutecia mají A=175 a 176 Ø emise nukleonů se pozoruje u vysoce excitovaných stavů jader s nadbytkem protonů nebo neutronů, kdy emisi nukleonu předchází přeměna b, která je relativně pomalá. Ø Následně vzniklé nukleony se nazývají jako zpožděné. Ø 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)  Větvené přeměny Ø hmotnostní podmínka přeměny umožňuje dva či více typů přeměny Ø každá přeměna má svou pravděpodobnost a energii Typy větvených přeměn: 1 a/b- u těžkých nuklidů 2 a/samovolné štěpení u těžkých jader, přeměna je méně pravděpodobná jako přeměna a. Úbytek radionuklidu je řízen poločasem a přeměny – je kratší. 3 a/elektronový záchyt u těžkých jader 4 b+/elektronový záchyt u lehčích radionuklidů s nadbytkem protonů 5 b-/elektronový záchyt vzácný případ  Přeměna g + vnitřní konverze Ø vyskytuje se často u excitovaných jader Ø deexcitace probíhá vyzářením jednoho nebo více fotonů elektromagnetického záření Ø emise fotonů je dějem mezi diskrétními energetickými stavy o určité energii Þ spektrum g je čárové Ø emise fotonu je vždy provázena změnou jaderného spinu (foton má spin =1) Ø přechody |DI| = 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 |DI| = 2 okamžitá emise g záření Ø deexcitace může nastat postupnou emisí několika fotonů Ø přechody, kde |DI| > 2, jsou méně pravděpodobné – jsou tzv. zakázané Ø  Þ emise fotonů se projeví delším poločasem deexcitace 10^-3 s až roky) – zpožděná emise g záření (vznik jaderných izomerů) Ø emise g záření je velmi významná – umožňuje měření aktivity nuklidů, slouží k jejich identifikaci Ø zdroje g záření ^60Co, ^137Cs, ^192mIr Vnitřní konverze Ø je alternativním způsobem deexcitace jádra (nezářivý přenos energie na orbitální elektron)  Ø proces je umožněn překryvem vlnových funkcí orbitálního elektronu a excitovaného jádra Ø uvolňuj se tzv. konvertovaný elektron (má diskrétní energii) Ø 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)