3. Radioaktivita
Jádra
nukleárně labilní (více než 2000)
·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.
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.
mateřské jádro dceřinné jádro        vysokoenergetická částice
2

·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 zůstala v jádru Y  ve
formě excitační energie,
·tato excitovaná jádra nejsou stabilní a dále se přeměňují,
·deexcitace jádra probíhá většinou vyzářením fotonu .
3

Typy přeměn
4


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+.
5
Obsah obrázku snímek obrazovky, text, kruh, design Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku
černá, tma Popis byl vytvořen automaticky

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
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 elektron dosahuje
energie maximální.

Jádro B vzniká buď: pouze v základním stavu (přeměny 3H, 14C, 32P aj.) nebo
v základním (a) i vzbuzeném stavu (b)
X  β- + Y*  Y*  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.
Najdete ji v jaderných tabulkách či příslušných databázích.

Pozitronová přeměna β+ a elektronový záchyt EZ
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.
Hmotnostní podmínka pro jaderné hmotnosti:
β+: M(A, Z) > M(A, Z-1) + me
EZ: M(A, Z) + me > M(A, Z-1)
8

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
22Na  22Ne  +  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 0,511 MeV)
vznikající fotony se využívají při měření pozitronických radioaktivních nuklidů.
9

Příklad elektronového záchytu:
Dceřinné jádro 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.
7Be + e-  7Li + e
10

Chemické změny při přeměnách β
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

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
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

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

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

>
Platnost zákona zachování hybnosti při emisi alfa částice – dochází k tzv. odrazu.
Odrazová energie: představuje cca 2 % celkové přeměnové energie.
 při odrazu dochází k excitaci elektronů a dceřiné jádro vzniká ve vysoce ionizovaném stavu 
zpřetrhání chemických vazeb.
15

>

Y α
2 % Qα  98 % Qα

Přeměna 
Záření gama je vysokoenergetické elektromagnetické záření vznikající deexcitací vzbuzených hladin
po radioaktivní přeměně.
16

·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 o 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 pro |I| > 2 vede ke vzniku jaderných izomerů T½ = 10-3 až roky.

17
Emise  záření je velmi významná – umožňuje měření aktivity nuklidů, slouží k jejich identifikaci.

Vnitřní konverze kvanta gama
·je alternativním způsobem deexcitace jádra (nezářivý přenos energie na orbitální elektron),
·
·je-li ΔI = 0 pak VK je jediný možný proces, protože emise není v tomto případě možná,
·proces je umožněn překryvem vlnových funkcí orbitálního elektronu a excitovaného jádra,
·ale 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 emisím Augerova elektronu
(jako u EZ).
18

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
T½celkový
4,468 GY
6561 Y
18,11 Y
2,647 Y
3,240 h

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
20

•následně vzniklé nukleony se nazývají jako zpožděné.
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
25Si ® β+ + 25Alexcit ® 24Mg + p+
87Br ® β- + 87Krexcit ® 86Kr + n

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

Přeměnová schemata a Fajans-Soddyho posunová pravidla
23