Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

47. Jaderná energie a ionizující záření

Autor: Jiří Škorpík twitter, skorpik@fme.vutbr.cz : aktualizováno 2013-01

Složení atomového jádra a základní pojmy

Atom se skládá z těžkého kladně nabitého jádra obklopeného lehkými záporně nabitými elektrony. Nejjednodušším atomem je vodík s jedním protonem tvořící jádro a jedním elektronem obíhajícím kolem jádra. Jádro každého atomu se skládá z protonů. Většina jader obsahuje i neutrony, které jsou bez náboje. Neutrony i protony se souhrnně nazývají nukleony*. Atomy, které mají jednoznačně určený počet protonů a neutronů se nazývají nuklidy (svým způsobem slovo nuklid nahrazuje slovo prvek). Nuklidy téhož prvku, jejichž atomy mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů se nazývají izotopy (izotop je pojem užší než nuklid a měl by se používat pouze tehdy, jde-li o nuklid téhož prvku, píše se tedy o izotopech uhlíku, síry, kyslíku apod.). Všechny izotopy daného prvku mají stejné chemické vlastnosti. Ještě lze připomenout termín izobary, což jsou nuklidy, které mají stejné nukleonové a různé protonové číslo.

*Poznámka
Protony a neutrony jsou složeny z ještě menších částic. Podrobností o složení a podstatě hmoty populárně naučnou formou např. v [8].
Bohrův model vodíkového atomu, základní názvosloví a značení atomů.
1.72. Bohrův model vodíkového atomu, základní názvosloví a značení atomů.
(a) izotop vodíku; (b) typy nuklidů. X značka chemického prvku; A [množství] nukleonové číslo; Z [množství] protonové číslo; N [množství] neutronové číslo. Protium, „lehký vodík“ je nejednodušším atomem a nejčastější izotop vodíku. Deuterium, „těžký vodík“, jádro obsahuje na rozdíl od předchozího izotopu i jeden neutron. Poslední izotop vodíku tritium obsahuje v jádře dva neutrony a navíc je oproti dvěma předchozím izotopům vodíku radioaktivní. Literatura [1], [2].

Obyčejný „lehký vodík“ je v přírodě běžný (99,9885% člověku dostupného vodíku). Nejčastěji je na povrchu Země přítomen ve vodě H2O (lehká voda). Deuterium „těžký vodík“ se v přírodě vyskytuje v množství pouze 0,0115%. Při sloučení s kyslíkem vznikne tzv. těžká voda někdy označována jako D2O. Těžká voda není radioaktivním, má pouze některé drobné fyzikální odlišnosti oproti lehké vodě. Tritium je radioaktivní s poločasem rozpadu přibližně 12,32 let a proto se v přírodě ve využitelném množství nevyskytuje. Lze jej však vyrobit pomocí neutronového ozařování lehkého vodíku i deuteria.

reklama

Vazebná energie

Aby se nukleony v jádře udržely pohromadě je k tomu potřeba „neviditelné“ vazebné energie. Největší vazebná energie na jeden nukleon (nasycení jaderných sil) je u Fe. Vazebná energie se projeví i na hmotnosti jádra viz níže. Při zvyšování nukleonového čísla do 56 se slučováním nukleonů energie uvolňuje a dochází k poklesu hmotnosti jádra oproti stavu před sloučením (součet hmotnosti jednotlivých vstupujících protonů a neutronů – klidová hmotnost jádra). Naopak při dalším zvyšování nukleonového čísla je nutné energii dodávat a měrná hmotnost vztažená na jeden nukleon v jádře opět roste:

Přibližný trend změny vazebné energie připadající na jeden nukleon jádra atomu.
2.71. Přibližný trend změny vazebné energie připadající na jeden nukleon jádra atomu.
EV [MeV] vazebná energie v jádře atomu; eV [MeV] vazebná energie v jádře atomu připadající na jeden nukleon; Δmj [kg] přírůstek/úbýtek hmotnosti jádra atomu změnou vazebné energie (schodek hmotnosti jádra); c [m·s-1] rychlost fotonu ve vakuu. eV nejprve rychle roste (největší skok je od deuteronu k 4He), pak je zhruba stejně velká (nasycení jaderných sil), maximum má železo 5626Fe a u těžších jader opět klesá následkem elektrického odpuzování. Křivka udává jen hrubý trend: skutečné hodnoty drobně kolísají podle toho, jak je počet protonů a neutronů blízko k tzv. magickým číslům, je-li sudý nebo lichý ap. Zdroj dat [4, s. 305].

Z obrázku je patrné, že energie se uvolňuje při zvyšování počtu nukleonů v jádře přibližně do izotopu železa 5626Fe potom je nutné při zvyšování počtu nukleonů v jádře energii dodávat. Proto těžké prvky mohly vzniknout pouze zhroucením dávných hvězd a „okamžitým“ uvolnění obrovského množství energie. Naopak v jádru hvězd probíhá slučování lehkých jader vodíku na těžší jádro Helia a tím se energie uvolňuje. Ke slučování nukleonů ovšem nedojde jen tak. Za normálních podmínek jsou mezi jádry jednotlivých prvků takové odpudivé síly, že se k sobě nepřiblíží a tedy nemůže dojít k sloučení v těžší jádro a k uvolnění energie. K tomu, aby se jádra prvků k sobě přiblížily je potřeba velkých tlaků a teplot. Což vzniká například gravitačním působení obrovského množství hmoty v jádru slunce. Tomuto procesu se říká jaderná syntéza. Opakem jaderné syntézy je jaderné štěpení. Při štěpení se energie uvolní rozdělí-li se (rozštěpí) těžké jádro na dvě jádra jejichž hmotnostní čísla budou nižší.

Posledním způsobem získávaní energie přetvářením hmoty je anihilace hmoty. Tato, zatím jen teoretická možnost předpokládá existenci antihmoty. Při setkání hmoty a antihmoty dojde k přeměně obou podle rovnice E=m·c2 na energii (kde E [J] je množství uvolněné energie; m [kg] celková hmotnost anihilované hmoty), energie je uvolněna ve formě fotonů. V současnosti lze vyrobit pouze pozitron e+, který je antičástici k elektronu e- známého z běžné hmoty. Při anihilaci jádra vodíku by se uvolnilo o několik řádů více energie než při syntéze.

Štěpení jader atomů

Štěpením těžkého atomového jádra, na dvě nebo více jader lehčích, se uvolní část vazebné energie. Tato energie se uvolňuje ve formě kinetických energií štěpných produktů. Štěpení probíhá vyvoláním silové nerovnováhy v jádru atomu například pomocí neutronu, který je absorbován jádrem, přitom se mohou uvolnit další neutrony. Pokud uvolněné neutrony způsobí štěpení dalších jader sousedních atomů, potom nastala řetězová reakce. Pokud tato řetězová reakce není omezována potom nastala neřízená štěpná reakce (např. u jaderná exploze*). Pokud, množství rozštěpených jader v daném čase je regulováno, potom nastala řízená štěpná reakce, které se využívá především v energetice v zařízeních zvané jaderné reaktory, ve kterých se transformuje jaderná energie na energii tepelnou.

*Jaderná exploze
Jedná se o druh štěpných jaderných reakcí, při kterých téměř okamžitě dojde k jaderným reakcím v celém objemu štěpitelného materiálu (lavinovité štěpení). Aby se tak stalo musí tento objem štěpitelného materiálu být velice čistý a mít určitou hmotnost (kritická hmotnost). Jako palivo pro takovou lavinovitou štěpnou reakci se nejčastěji používá čistý izotop 235U nebo 239Pu. Kritické množství u izotopu 235U je cca 50 kg, u izotopu 239Pu je 15 kg [5, s. 222].

Nejčastěji se využívá pro řízenou štěpnou reakci izotop uranu 235U. Štěpení jádra probíhá pomocí jednoho tzv. pomalého neutronu (viz dále), který je tímto jádrem absorbován. Jádro uranu 235U tedy zvýší počet nukleonů na 236 a vznikne izotop uranu 236U. Tento izotop je vysoce nestabilní a je velmi vysoká pravděpodobnost (cca 88%), že se ihned rozpadne na dvě jádra těžkých prvků (v opačném případě je pouze vyzářeno z jádra γ záření). Nejčastěji to bývá dvojice prvků 144Ba a 90Kr nebo 101Sr a 133Xe. Dále se uvolní určitý počet neutronů podle toho, kolik nukleonů právě vzniklé prvky dohromady obsahují. Tyto jádra mají v okamžiku vzniku vysokou kinetickou energii rovnající se přibližně energii 166 MeV, což je ale jennom část celkové energie uvolněné při štěpení 235U*. Nárazy jader do krystalické mřížky okolních prvků se snižuje jejich kinetická energie ve prospěch zahřívání okolní hmoty.

*Sekundární energie uvolněná při štěpení 235U
Dále se uvolní energie ve formě kinetické energie sekundárních neutronů o celkové energii přibližně 6 MeV. Energie ve formě přímého gamma záření o celkové energii přibližně 10 MeV. Ionizující záření produktů štěpení o celkové energii přibližně 18 MeV. Celkem se tedy při štěpení uvolní energie v různých formách v množství přibližně 200 MeV [7, s. 19]:
Příklad řízené štěpné reakce izotopu uranu <sup>235</sup>U pomocí moderátoru.
3.73. Příklad řízené štěpné reakce izotopu uranu 235U pomocí moderátoru.
a volný neutron je zachycen jádrem 235U; b vzniklý izotop 236U se rozštěpí na dvě těžká jádra přičemž se uvolní energie a několik neutronů; c snížení rychlosti neutronů v moderátoru; d zachycení nadbytečných neutronů v absorbátoru.

Při rozpadu izotopu 236U se uvolní také několik neutronů podle typu vzniklých jader. V případě Rovnice 3 se uvolnily dva neutrony. Tyto neutrony mají mnohem vyšší rychlost než původní neutron, který způsobil štěpení, proto se takovým neutronům říká rychlé neutrony. Tyto dva rychlé neutrony o energiích >1,1 MeV mohou způsobit celkem 3 případy:

(1) Uniknout z látky schopné reakce.                              
(2) Jsou pohlceny příměsnými látkami případně jinými izotopy Uranu
    (za vzniku γ záření, tzv. přeměna gamma popsaná níže).        
(3) Jsou absorbovány jádry 235U.                                  
4.523. Možnosti rychlého neutronu v látce obsahující 235U, [6, s. 1352].

Pro energetické využití je požadován případ číslo 3. Tedy, aby neutron byl absorbován jádrem 235U a následovaly události vedoucí až ke štěpné reakci uvedené v předchozím odstavci. Pravděpodobnost, že neutron bude absorbován v dané látce jádrem je vyjádřena účinným průřezem pro absorpci neutronu*, dále jen účinný průřez. Čím je účinný průřez jádra vyšší tím vyšší je i pravděpodobnost absorpce neutronu jádrem 235U. Účinný průřez se zvětší, když klesne rychlost neutronu, protože pak má menší kinetickou energii a jádro může svým silovým působením jeho dráhu ovlivnit natolik až neutron narazí do jádra. Nejčastěji se snižuje rychlost neutronů na cca 2 km·s-1 do 4 km·s-1 (to odpovídá energii přibližně od 0,025 do 0,085 eV [7, s. 30]). Při této rychlosti jsou neutrony v molekulárně kinetické rovnováze se svým okolím (uvedený rozsah rychlostí odpovídá teplotám od 20 °C do 700 °C). Takovým neutronů se říká termické neutrony, protože tato rychlost je menší než rychlost neutronu po štěpné reakci – nazývají se také pomalými neutrony (rychlost většiny neutronů těsně po štěpení je intervalu 14000 do 20000 km·s-1 [7, s. 30]), maximální účinný průřez pro absorpci neutronu je při rychlosti neutornu 40 km·s-1 [7, s. 31] (kinetická energie neutronu při této rychlosti 7 eV). Ke zpomalení neutronů v reaktoru dochází v moderátoru. U lehkovodních reaktorů je moderátorem (a zároveň chladivem) voda dále jim může být těžká voda, grafit... Vlastnost moderátoru musí být taková, aby zpomaloval neutrony na požadovanou rychlost, ale zároveň aby znatelně tyto neutrony nepohlcoval. To bývají obvykle lehčí prvky, ale některé lehké prvky jsou pohlcovači neutronů například bor a kadmium. Prvky moderátoru bývají extrémně čisté. Zpomalení se děje ve formě pružných srážek neutronů s jádry moderátoru.

*Účinný průřez pro absorpci neutronu
Vyjadřuje míru pravděpodobnosti, že neutron v určitém stavu (kinetické energii) bude absorbován jádrem atomu o určité velikosti za daných podmínek.

Objem paliva, ve kterém probíhají řízené jaderné reakce se nazývá aktivní zóna. V aktivní zóně mohou z pohledu bilance neutronů nastat tři stavy:

(1) PODKRITICKÝ--Počet štěpných reakcí způsobené neutrony uvolněné      
    při štěpení v první generaci je menší než počet štěpných reakcí     
    v první generaci. To může být způsobeno úbytkem jader 235U-spotřeba 
    paliva, neutrony opouští aktivní zónu a zbylé neutrony nejsou       
    schopny zajistit konstantní štěpný výkon, neutrony jsou absorbovány 
    okolními látkami (příměsi v palivu) či moderátorem. Postupně může   
    dojít k ukončení řetězové štěpené reakci v daném objemu paliva.     
    Tento stav je žádoucí například při snižování výkonu reaktoru.      
(2) KRITICKÝ--Počet štěpných reakcí v druhém sledu způsobené neutrony   
    uvolněné při štěpení v první generaci je stejný jako počet štěpných 
    reakcí v první generaci. Po štěpení jednoho jádra dojde k absorpci  
    všech neutronů jinými než štěpitelnými jádry (nebo opustí aktivní   
    zónu) kromě počtu neutronů potřebných k rozštěpení dalšího jednoho  
    jádra 235U. Konstantní výkon aktivní zóny/reaktoru.                 
(3) NADKRITICKÝ--Počet štěpných reakcí v druhé generaci je vyšší než    
    počet štěpných reakcí v první generaci. Vzniká, když neutrony       
    vzniklé při štěpení jednoho jádra způsobí v průměru štěpení více jak
    jednoho jádra. Tento stav je žádoucí například při zvyšování výkonu 
    aktivní zóny. Pokud se děje neřízeně, může dojít k přehřátí aktivní 
    zóny a její destrukci (roztavení). Zvyšování výkonu aktivní zóny.   
5.524. Základní stavy aktivní zóny.

Výše uvedené tři stavy aktivní zóny vyjadřuje multiplikační faktor k [-], který je definován jako průměrný počet neutronů, které způsobily štěpení připadají na jeden neutron, který způsobil štěpení v předchozí generaci. Pokud je k<1 jedná se o podkritický stav aktivní zóny; k=1 jedná se o kritický stav aktivní zóny; k>1 jedná se o nadkritický stav aktivní zóny. Regulace výkonu aktivní zóny se z výše uvedeného provádí změnou multiplikačního faktoru respektive regulací počtu neutronů v aktivní zóně.

Výkon aktivní zóny v jaderném reaktoru se standardně reguluje pomocí regulačních tyčí obsahující absrobátor*, které se do aktivní zóny zasouvají (výkon klesá) nebo vysouvají (výkon roste). Regulací lze docílit kritického stavu při požadovaném výkonu, kdy se regulační tyče ustálí v jisté poloze.

*Absorbátor
Absorbátor musí ve velké míře pohlcovat neutrony. To je například bór a kadmium.

Zasouváním regulačních tyčí dochází k pohlcování neutronů. Při přechodu ze stavu podkritického na nadkritický stav se musí tyče začít opět vysouvat a řetězová štěpná reakce se obnovuje pomocí zpožděných neutronů* v aktivní zóně nebo jiného zdroje neutronů v okolí aktivní zóny.

*Zpožděné neutrony
Tyto neutrony se uvolňují při přirozeném rozpadu některých těžkých jader vzniklých při štěpení viz výše. Některá tyto jádra jsou izotopy s poločasem rozpadu v řádech jen desítek sekund. Takže po odstranění absorbátoru z aktivní zóny tyto zpožděné neutrony mohou nastartovat opět štěpnou reakci v aktivní zóně.

Jaderná syntéza

Zařízení, ve kterém se může uskutečňovat řízená syntéza lehkých jader se jmenuje termonukleární reaktor nebo také fúzní reaktor. Za přírodní termonukleární reaktor lze považovat i Slunce. Jaderná syntéza patří ve vesmíru k té nejzákladnější reakci, která ovšem je pro nás stále nedostupná v řízené podobě. V podobě neřízené je známa jako vodíková bomba. Jaderná syntéza v jádru Slunce probíhá za velmi vysokých teplot a tlaků, pouze takto získávají jádra vodíku potřebnou kinetickou energii k překonání odpudivých jaderných sil:

Některé rovnice jaderné syntézy. 6.74. Některé rovnice jaderné syntézy.
(a) úhrnná reakce jaderné syntézy lehkého jádra vodíku v jádru Slunce; (b) jaderná syntéza deuteria; (c) jaderná syntéza deuteria s tritiem. νe neutrino.
Rovnice 6a
Tato reakce je velice pomalá a mezi její levou a pravou stranou probíhá několik reakcí dílčích; některé z nich potřebují jako vstupní produkty jiná jádra (např. uhlík) a pak je nezměněna zase uvolní – tato jádra plní funkci katalyzátoru reakce [4, s. 313].
Rovnice 6b
Tato reakce probíhá při nižších teplotách a tlacích a za kratší dobu než je reakce lehkého vodíku. Proto i technické řešení termonukleárních reaktoru by bylo méně náročné.
Rovnice 6c
Jedná se o nejrychlejší známou termojadernou reakci, při které se reakce nastartuje při nejnižší teplotě [3, s. 22]. Jedná se o slučování deuteria a tritia. Proto pravděpodobně první termojaderné reaktory budou využívat k výrobě energie slučování deuteria a tritia. Naproti tomu u této reakce obsahuje kinetická energie jádra helia asi jen 3,5 MeV zbylá kinetická energie 14,1 MeV je v kinetické energii neutronu (problém neutronového bombardování nádoby reaktoru, tím se sice kinetická energie neutronu přemění na tepelnou /zpomalí/, ale bombardovaný materiál mění vlastnosti).
(a) Doplňte tabulku. (b) Jaké množství čistého uranu 235U nebo vody (lehká voda) by bylo potřeba k nahrazení energie veškerých fosilních paliv spotřebovaných v ČR v roce 2005?
Úloha 1.525
způsob         palivo             využitelná energie
využití                           [MJ·kg-1]         
----------------------------------------------------
hoření         sláma              14                
hoření         č. uhlí            27,3              
štěpení        235U (čistý 100 %) ?                 
štěpení        přírodní uran      ?                 
slučování      H2O                ?                 
Tabulka k Úloze 1.
(a) 235U          [MJ·kg-1] 82 150 234
(a) přírodní uran [MJ·kg-1] 575 052   
(a) H2O           [MJ·kg-1] 71 526 927
(b) 235U          [kg]      18 137    
(b) H2O           [kg]      20 831    
Úloha 1: souhrn výsledků.

Radioaktivita a vliv ionizujícího záření

Ionizující záření, radionuklid či radioaktivita jsou obecně známe pojmy spojené především s jadernou energií respektive s jadernou energetikou. Všechna tělesa vyzařují energii (elektromagnetické záření) odpovídající jejich teplotě, ale za jistých podmínek může vyzařovat energii mnohem větší. Pokud je vyzářená energie tak vysoká (>25 eV), že je schopna při průchodu prostředím atomy a molekuly v tomto prostředí ionizovat a excitovat (to znamená, že tato energie způsobí změny v elektronovém obalu atomu nebo dokonce změny v jádře atomu) potom se toto záření nazývá ionizující záření.

Ionizující záření

Pro ionizující záření se vžily i názvy jaderné nebo radioaktivní záření. Jaderné je věcně správný avšak zahrnuje pouze ionizující záření vzniklé v jádrech atomu. Radioaktivní je ale chybný, protože ionizující záření samo o sobě není radioaktivní (je už produkt radioaktivity). Výjimkou je záření neutronové, protože volné neutrony se po několika minutách rozpadají za vzniku ionizujícího záření.

Mezi ionizující záření patří např. záření elektromagnetické (γ záření – produkt radioaktivní přeměny je to foton o vysoké energii), záření elektronové neboli beta záření (je tvořeno elektronem a označováno β- – produkt radioaktivní přeměny, např. urychlovačích elektronů), záření pozitronové (je tvořeno pozitronem a označováno β+ – jedná se o protiklad k elektronu), záření těžkých kladných částic neboli alfa záření (je tvořeno jádrem Helia označováno α – produkt radioaktivní přeměny např. v urychlovačích), záření neutronové (je tvořeno neutronem n – produkt radioaktivní přeměny, např. ze samovolného štěpení jader atomů, vzniká v neutronových generátorech i jaderných reaktorech).

Prostředí jenž pohltí ionizující záření získá energii ε [J], což je energie sdělená látce. Dávka záření je veličinou vyjadřující velikost sdělené energie na 1 kg látky. Rozměr jednotky dávky záření je označovaný Gy (Gray), přičemž 1 Gy znamená energii 1 joulu absorbovanou 1 kg látky:

Dávka záření. 7.84. Dávka záření.
D [J·kg-1] dávka záření; ε [J] energie sdělená látce; m [kg] hmotnost látky.

Rychlost s jakou je energie látce sdělována vyjadřuje dávkový příkon:

Dávkový příkon. 8.535. Dávkový příkon.
D [Gy·s-1; W·kg-1] dávkový příkon; t [s] čas.

Radioaktivita

Je to vlastnost některých jader atomů samovolně se rozpadat (přeměňovat) na jádra menší nebo při deexcitaci jádra vyzařovat energii. Při tomto procesu se uvolní část vazebné energie jádra ve formě elektromagnetického záření a kinetické energie produktů rozpadu – uvolňuje ionizující záření.

"Z více než dvou tisíc známých nuklidů je jen 266 stálých, ostatní, ať se nacházejí v přírodě nebo vznikají jadernými reakcemi, se více nebo méně rychle samovolně přeměňují na jiný nuklid tj. jsou radioaktivní." Jiří Hála [1]

Jsou rozeznávány tři skupiny radioaktivních přeměn:

(1) Přeměny, při nichž se mění Z při konstantním A (například           
    přeměna β-, β+)                                                     
(2) Přeměny, při nichž se současně mění Z i A (například přeměna α...). 
(3) Přeměny způsobené deexcitací jádra, při nichž se mění pouze         
    energetický obsah jádra (například uvolnění záření gamma - γ).      
9.85. Základní skupiny radioaktivních přeměn [1, s. 31].

Základní zákon radioaktivních přeměn říká, že za dostatečně krátký časový interval se přemění vždy stálá část z přítomného počtu R atomů radioaktivního nuklidu. Tato stálá část se označuje přeměnová konstanta:

Přeměnová konstanta
10.536. Přeměnová konstanta.
λ [s-1] přeměnová konstanta (například l=1·10-3 s-1 znamená, že ve velkém souboru atomů daného radioaktivního nuklidu se každou sekundu přemění jedna tisícina z přítomného počtu radioaktivních atomů); A+ [1·s-1; Bq] aktivita (časová změna (úbytek) počtu radioaktivních atomů za časovou jednotku); R [množství] počet přítomných radioaktivních nuklidů.

Z přeměnové konstanty a molové hmotnosti lze určit poločas rozpadu daného radioaktivního nuklidu. Což je doba, za kterou se přemění polovina množství atomů daného radioaktivního nuklidu ve velkém souboru atomů.

Přeměna β- vzniká při přeměně neutronu v jádře radionuklidu na proton:

Příklad přeměny β<sub>-</sub>. 11.538. Příklad přeměny β-*.
ν-e antineutrino.
*Poznámka
Této přeměny se využívá při stanovování stáří odumřelých organismů. Radionuklid 14C vzniká v horních vrstvách atmosféry reakcí kosmického záření s dusíkem. Tento radionuklid se prostřednictvím molekuly CO2 dostává do živých organismů. Díky metabolismu organismu se neustále uhlík v organismu vyměšuje a zase přijímá. Po odumření organismu se tato výměna zastaví a radionuklid 14C se rozpadá s poločasem rozpadu 5730 let na izotop dusíku 14N podle Rovnice 10. Podle poměru obsahu izotopů 14C a 14N v odumřelém organismu lze tedy určit dobu, kdy organismus zemřel. Tuto metodu lze spolehlivě uplatnit pro stáří zkoumaného organismu 5 00020 000 let.

Přeměna β+ vyskytuje se u radioaktivních nuklidů připravených jadernými reakcemi. Vzniká při přeměně nadbytečných protonů v jádře na neutron, elektron a neutrino:

Příklad přeměny β<sub>+</sub>. 12.539. Příklad přeměny β+.

Přeměna α se vyskytuje převážně u přirozených i umělých radioaktivních nuklidů těžkých prvků, kde se v jádru projevuje silné odpuzování protonů. Při této přeměně jádro emituje shluk dvou protonů a neutronů (jádro helia):

Příklad přeměny α. 13.540. Příklad přeměny α.

Přeměna γ: Jádra, která vzniknou radioaktivní přeměnou se velmi často vyskytují v excitovaném stavu (například jádra izotopu 236U, která vznikla z izotopu 235U absorbováním jádra a přesto nedošlo ke štěpení). Což je způsobeno tím, že po změnách v počtu nebo typu nukleonů v jádře se nemusí vyskytovat v nejnižších možných energetických stavech. Následuje proto reorganizace nukleonů do energeticky výhodnějšího stavu- deexcitace jádra. Přitom dojde k emisi γ záření. Protože emise γ může být velice opožděná za předchozí radioaktivní přeměnou má vlastní poločas přeměny nezávislý na poločasu předchozí přeměny. Nuklid v excitovaném stavu s delším poločasem přeměny γ se nazývá jaderný izomer.

Účinky ionizujícího záření

Nejsou dány pouze aktivitou zdroje záření, ale závisí také na tom, jakou energii záření nese a jak účinně ji předává prostředí, kterým prochází:

druh   látka  tl.                                          
záření                                                     
-----------------------------------------------------------
α      vzduch 10 cm (úplné pohlcení)                       
β      vzduch 20 cm (úplné pohlcení)                       
γ      olovo  35 cm (snížení výkonu záření na 10 000 000-1)
14.875. Schopnost některých druhů zaření pronikat daným prostředím, [7, s. 97 až 99].

Biologické účinky ionizujícího záření

Pozorovatelné účinky ionizujícího záření mají svůj počátek vždy v dějích, které ionizující záření vyvolává v buňkách (rozklad molekul, vznik radikálů HO2 a O-2). Zpravidla platí, že buňky, které se nedělí (nerozmnožují) nebo se dělí pomalu jsou odolnější než buňky, které se dělí rychleji (vlasy). Nejzávažnější jsou změny na struktuře a biosyntéze DNA. Jakýkoliv zásah do biochemického cyklu DNA má za následek buď selhání buněk, která přestane vytvářet potřebnou bílkovinu nebo dokonce může tvořit bílkoviny, které jsou pro tělo cizí nebo dokonce toxické.

Při extrémně vysokých dávkách (<= 103 Gy) hynou buňky již během ozařování v důsledku štěpení vnitro buněčných bílkovin (atomární smrt). Biologické účinky ionizujícího záření závisí na dávce záření a době za jakou je tělu sděleno. Buňky však mají jistou schopnost poškození enzymaticky opravit. Prakticky to znamená, že při určité dávce je poškození organismu menší, je-li tkáň nebo organismus touto dávkou ozářen nikoliv najednou, ale je-li dávka buď rozprostřena rovnoměrně na delší dobu, nebo rozdělena na několik menších dávek s časovými prodlevami mezi nimi (frakcionance dávky). Účinek na tkáň podstatně závisí i na druhu ionizujícího záření. Např. neutrony způsobí v živé tkání větší „škodu“ než elektrony a částice α zase větší škodu než neutrony. Biologická účinnost jednotlivých druhů záření se vyjadřuje pomocí tzv. jakostního faktoru. Dávka záření vynásobená jakostním faktorem se nazývá dávkový ekvivalent a jeho jednotkou je Sievert [Sv; J·kg-1] [2, s. 144]. Dávkový ekvivalent tedy zahrnuje fyzikální veličinu dávka záření, druh záření a míru vlivu na danou tkáň v porovnání s fotonovým zářením:

Každý orgán v těle je však jinak citlivý na ionizující záření, proto se dávkový ekvivalent ještě násobí faktorem, který tuto skutečnost zohledňuje. Například pro žaludek je tento faktor 0,12 a pro kůži 0,01 [1]. Součin dávkového ekvivalentu a tohoto faktoru se nazývá ekvivalentní dávka.
15.541. Definice ekvivalentní dávky.

Ionizující záření má převážně na organismus (lidský) negativní vliv, jsou ale známy případy, kdy ionizující záření vyvolává v živých organismech změny pozitivní. Při nízké úrovni nelze zjistit žádné škodlivé účinky ionizujícího záření na lidský organismus. Ty se projevují až při dávkových ekvivalentech, převyšujících 500 mSv. V České republice je zákonem stanoven nejvyšší přípustný limit ozáření běžného obyvatele během jednoho roku ve výši 5 mSv. Dávkový ekvivalent záření z přírodních zdrojů je kolem 2,5...3 mSv za rok, umělé zdroje (včetně jaderných zařízení) přispívají ročně jen zcela minimálně, kolem 0,01 mSv. Velice ovšem závisí do jakého období je dávka rozložena, jestli mezi jednotlivými dávkami je dostatečná doba pro regeneraci tkání atd:

Odezva organismu na ozáření. 16.86. Odezva organismu na ozáření.
Zde je prahová ekvivalentní dávkou myšlena dávka, při které poškození organismu vlivem ionizujícího záření způsobí smrt. Obrázek ukazuje pravděpodobnost poškození organismu (nevratného) v závislosti na obdržené dávce. Podrobnější popis například v [1, s. 145].
Výběr některých reakcí lidského těla na ionizující záření z [1].
Akutní nemoc z ozáření nastává po dávce 12 Sv (závisí na individuální odolnosti). Následuje několik fázi onemocnění (nevolnost, skleslost, bolesti hlavy, zvracení a různé závažné změny v krevním obrazu podle stupně ozáření). Poté následuje latence a poté padání vlasů, silná vnímavost vůči infekcím. Při ozáření dávkou 6 Sv převládá hematologická (krvetvorba) forma nemoci pravděpodobnost přežití 20 %, při 10 Sv pravděpodobnost přežití se blíží k 0 %. O záření ekvivalentní dávkou 50 Sv způsobuje nervovou formu nemoci projevující se psychickou dezorientací a zmateností, křečemi a bezvědomí. Během několika hodin až dnů nastává smrt v důsledku oběhového kolapsu, zástavy dýchání a poruch mozku.

Hematologické změny (změny ve složení krve) lidského organismu způsobené inozujícím ozařením jsou uvedeny v [9, s. 691].

Odkazy

  1. HÁLA, Jiří. Radioaktivita, ionizující záření, jaderná energie, 1998. 1. vydání. Brno: KONVOJ, ISBN 80-85615-56-8.
  2. PRÁŠIL, Zdeněk, ŽILKA, Luděk, SATORIE, Zdeněk, PALEK, Miroslav, DUFKOVÁ, Marie. Užitečné záření, 1992. 3. vydání, přepracované. Praha: ČEZ, a.s., ISBN 80-7073-047-1.
  3. ŘÍPA, Milan, WEINZETTL, Vladimír, MLYNÁŘ, Jan, ŽÁČEK, František, Řízená termojaderná syntéza pro každého, 2005. 2. vydání. Praha: Ústav fyziky plazmatu AV ČR, ISBN 80-902724-7-9.
  4. MACHÁČEK, Martin. Encyklopedie fyziky, 1995. 1. vydání. Praha: Mladá fronta, ISBN 80-204-0237-3.
  5. VACÍK, Jiří, BARTHOVÁ, Jana, PACÁK, Josef, STRAUCH, Bohuslav, SVOBODOVÁ, Miloslava, ZEMÁNEK, František. Přehled středoškolské chemie, 1995. 1. vydání. Praha: SPN-pedagogické nakladatelství, a.s., ISBN 80-85937-08-5.
  6. HORÁK, Zdeněk. KRUPKA, František, ŠINDELÁŘ, Václav. Technická fysika, 1961. 3. vydání. Praha: SNTL.
  7. NĚSTĚRENKO, G., SOBOLEV, A., SUŠKOV, J. Atomová letadla, 1959. Vydání první. Praha. Naše vojsko, z ruského originálu Primeněnije atomonych dvigatělej v avijaciji.
  8. WILCZEK, Frank. The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces, 2008. New York: Basic Books. České vydání: Lehkost bytí aneb Bytí jako světlo, 2011. První vydání vydaly společně nakladatelství Paseka (ISBN 978-80-7432-146-7), Argo (ISBN 978-80-257-0544-5), Dokořán (ISBN 978-80-7363-395-0).
  9. GARLÍK, Bohumír. Energie elektromagnetického pole, inteligentní budovy a lidský organismus, Energetika, číslo 12, 2012, ročník 62. Praha: ČSZE, ISSN 0375–8842.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Jaderná energie a ionizující záření, Transformační technologie, 2006-10, [last updated 2013-01]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/47.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
reklama
www.transformacni-technologie.cz