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 vysokoenergetická částice 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. Ø Deexcitace se projeví vyzářením fotonu g záření. Typy přeměn Ø přeměna se zachováním A , Z se mění (b přeměny), jejichž 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 (negatronová, pozitronová, elektronový záchyt) Tento typ přeměny je spojen se změnou kvarkového složení jednoho z nukleonů http://astronuklfyzika.cz/RadioaktivitaBeta.gif Tok vznikajících leptonů, tj. elektronů nebo pozitronů, se pak nazývá zářením β-, resp. β+. 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 zúčastněných částic: M(A, Z) > M(A, Z+1) + m[e] http://astronuklfyzika.cz/RadioaktivitaBeta1.gif Jádro B vzniká buď: Ø v základním stavu (přeměny ^3H, ^14C, ^32P aj. Ø ve vzbuzeném (excitovaném) stavu A ® β- + B^excit ; B^excit ® B + g Ø pouze v excitovaném stavu (následuje deexcitace) A B  Ø v základním (a) i vzbuzeném stavu (b) A B  Pozitronová přeměna a elektronový záchyt se vyskytují pouze u nuklidů připravených jadernými reakcemi s relativním nadbytkem protonů Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti: β[+]: M(A, Z) > M(A, Z-1) + m[e] EZ: M(A, Z) + m[e] > 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: · charakteristické rentgenovo záření, · http://astronuklfyzika.cz/RadioaktivitaBeta2.gif Augerovy elektrony (vznikají při průchodu rtg. záření vyššími elektronovými slupkami Þ mají diskrétní energii Příklad rozpadu pozitronového zářiče: Textové pole: 7Be + e- ® 7Li + n (neutrino) Příklad elektronového záchytu: Jádro B 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^- ® 2 g (2 x 0,51 MeV) vznikající fotony se využívají při měření pozitronických radioaktivních nuklidů Chemické změny při přeměnách beta –Fajans- Soddyho posunová pravidla Typ interakce Chemická změna přeměna β- přeměna β+ elektronový záchyt (EZ) Přeměna a Přeměna a 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[a] http://astronuklfyzika.cz/RadioaktivitaAlfa.gif Př: 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) 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 Poznámka 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 v 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: 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. Přeměna g + vnitřní konverze Ø Záření gama je vysokoenergetické elektromagnetické záření vznikající deexcitací vzbuzených hladin atomového jádra Ø U radioaktivity se jedná o deexcitaci vzbuzených hladin dceřinného jádra vzniklého po radioaktivní přeměně. http://astronuklfyzika.cz/Radioaktivita.gif 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 deexcitace může nastat postupnou emisí několika fotonů Ø přechody |DI| = 1 nebo 2 jsou nejpravděpodobnější (dovolené přechody) Ø přechody, kde |DI| > 2, jsou méně pravděpodobné – jsou tzv. zakázané přechody Ø   zpožděná emise g záření (vznik jaderných izomerů) Okamžitá emise gama 10^-16-10^-10 s pro |DI| =1 10^-11-10^-4 s pro |DI| = 2 Jaderná izomerie T [½ ]=10^-3 s až roky Ø emise g záření je velmi významná – umožňuje měření aktivity nuklidů, slouží k jejich identifikaci Vnitřní konverze Ø je alternativním způsobem deexcitace jádra (nezářivý přenos energie na orbitální elektron) http://astronuklfyzika.cz/VnitrniKonverze.gif 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) 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 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 Přeměnová schemata a Fajans-Soddyho posunová pravidla http://astronuklfyzika.cz/RozpadSchema.gif