RADIOAKTIVITA

Radioaktivita jako vlastnost látky

Radiaoktivita je přírodní jev objevený až poté co pokročily jiné objevy ve fyzice, viz Historické poznámky. Radioaktivita je vlastnost některých druhů atomových jader samovolně se přeměňovat, takové druhy jader se nazývají radionuklidy (respektive radioizotop daného prvku). Při radioaktivní přeměně se změní složení jádra atomu a uvolní energie ve formě kinetické energie produktů této přeměny. Těmito produkty mohou být atomové elementární částice, fotony i jádra lehčích prvků, které obvykle pronikají do okolního prostředí jako záření. Existují i případy radionuklidů, kdy při radioaktivní přeměně nedojde ke změně složení jádra, ale pouze ke snížení jeho energetického obsahu a vyzáření fotonu, taková jádra nazýváme jadernými izomery. Produkty radioaktivních přeměn lze detekovat, protože jsou schopny atomy prostředí, kterým je vzorek obklopen, proniknou, ionizovat, respektive energeticky ovlivnit.

  ~  

Historické poznámky k radioaktivitě

Objevitelé radioaktivity byly hned tři vědci pracující společně, francouzská vědkyně polského původu Marie Curie-Skłodowská (1867-1934), francouzský fyzik a chemik Pierre Curie (1859-1906) a především francouzský fyzik Antoine H. Becquerel (1852-1908) [Běhounek, 1945]. Hlavní přínos prvních dvou je, že dokázali izolovat prvky, které prokazatelně vykazovaly aktivitu v podobě ionizujícího záření od těch bez této aktivity – přitom objevili nové prvky Polonium a Radium. Také zavedli výraz radioaktivita. Becquerel ještě před nimi pozoroval ionizující záření některých nerostů (tím inspiroval oba manželé Curie v jejich směru).

  ~  

Definice radionuklidu

Každý známý prvek má izotopy, jejichž atomová jádra obsahují počet protonů odpovídající danému prvku označovaném jako protonové číslo. Toto číslo je pro daný prvek neměnné, nicméně každý prvek má několik izotopů odlišujících se počtem neutronů v jádře, označovaném jako neutronové číslo. Na počtu protonů v jádře závisí, zda je daný izotop radioaktivní či nikoliv, přičemž každý prvek do protonového čísla 82 (olovo) má mimo radioizotopů také alespoň jeden izotop stabilní (neradioaktivní). Navíc radioaktivní přeměně podléhá i volný neutron. U volných protonů a volných elektronů zatím nebyl zaznamenán samovolný rozpad.

Tabulka stabilních izotopů a radioizotopů

Na Obrázku 313 (s. 4) je tabulka prvků do protonového čísla 117 a jejich izotopů. Na každém řádku jsou vypsané do buněk tabulky jednotlivé známé izotopy daného prvku, přičemž číslo řádku odpovídá protonovému číslu tohoto prvku a číslo sloupce tabulky odpovídá počtu neutronů v jádře. Buňky s černým pozadím označují stabilní izotop, to znamená, že izotopy ve světlých buňkách jsou radioizotopy daného prvku.

– 536: –

A⁺ [1·s^-1; Bq] aktivita (počet radioaktivních přeměn za vteřinu); R [-] počet přítomných atomů radionuklidu – dR tedy znamená úbytek počtu přítomných radionuklidů v důsledku radioaktivních přeměn jeho jader; t [s] čas; λ [s^-1] přeměnová konstanta; T_1/2 [s] poločas přeměny; ΔR [-] úbytek počtu radioaktivních jader ve vyšetřované množině; R₀ [-] počet radioaktivních jader na počátku sledování; τ [s] doba, která uplynula od počátku sledování. Vzorec pro výpočet úbytku radioaktivních jader ve vyšetřovaném souboru je odvozen v Příloze 536.

  ~  

Přeměnová konstanta

Protože pravděpodobnost radioaktivní přeměny jednotlivých nuklidů je stejná, tak podíl aktivity a počtu radionuklidů ve vzorku bude konstantní – tento poměr se nazývá přeměnová konstanta radionuklidu λ, viz Vzorec 536. Například je-li přeměnová konstanta vzorku rovna 1·10^-2 s^-1, pak to znamená, že vzorku každou vteřinu proběhne radioaktivní přeměna u 1 % z přítomného počtu radionuklidů.

  ~  

Poločas přeměny

Doba, za kterou ve vyšetřovaném vzorku proběhne radioaktivní přeměna přesně u poloviny atomů se nazývá poločas přeměny T_1/2, která je definována Vzorcem 536. Poločas přeměny je statistickou veličinou odvozenou pro velký soubor atomů radionuklidu, takže v případě dvou atomů radionuklidu automaticky neplatí, že u jednoho z nich dojde po uplynutí poločasu přeměny k radioaktivní přeměně se 100% pravděpodobností, ale 50% pravděpodobností atd.

Zvláštnosti radionuklidů s krátkým poločasem přeměn

Poločasy přeměny některých radionuklidů jsou tak krátké, že je v přírodě nenajdeme, protože jejich jádra se rozpadla. Například izotop vodíku tritium má poločas přeměny přibližně 12,32 let. Velmi krátký poločas přeměny je hlavní problém při výrobě těžších prvků. Ty se obvykle vyrábí tak, že se do jádra těžkého radioaktivního izotopu přidávají protony a neutrony, přitom tento proces musí být výrazně rychlejší než poločas přeměny.

Beta přeměna volných neutronů

Beta přeměně podléhá i volný neutron, jeho střední délka života mimo jádro je 877,75 +/- 0,34 s [Gonzalez, 2021]. Rozpadá se na proton a elektron.

  ~  

Pozitronová přeměna u umělých radionuklidů

Mimo přeměny-β_- se vyskytuje i přeměna-β₊, kdy se uvolňuje z jádra kladně nabitý elektron, nazývaný pozitron. Tento typ přeměny se vyskytuje u umělých radionuklidů. Vzniká při přeměně nadbytečných protonů v jádře na neutron, elektron a neutrino, například podle Vzorce 539. Radionuklidy podléhající převážně pozitronové přeměně jsou označeny na Obrázku 313 (s. 4) modře.

– 539: –

e⁺-pozitron – opačně nabitý elektron (částice β₊-záření); ν_e-neutrino; Na-Sodík; Ne-Neon.

  ~  

Neutronová přeměna

Neutronová přeměna s vyzářením neutronu z jádra je typická pro radionuklidy s velkým přebytkem neutronů oproti stabilnímu stavu. Například vodík ⁶H přechází neutronovou přeměnou na vodík ⁵H. Radionuklidy podléhající převážně neutronové přeměně jsou označeny na Obrázku 313 (s. 4) fialově.

  ~  

Samovolné štěpení velmi těžkých jader

Samovolné štěpení jader je typické pro velmi těžké jádra radionuklidů, které se mohou roštěpit bez vnějších zásahů na dvě lehčí jádra. Samovolné štěpení bylo objeveno v roce 1940 sovětskými fyziky Georgijem Fljorovem (1913-1990) a Konstantinem Petržakem (1907-1998). Z principu samovolného štěpení mohou být jeho produkty alfa záření, protony, neutrony, což se označuje jako emise nukleonů. Radionuklidy podléhající převážně samovolnému štěpení jsou označeny na Obrázku 313 (s. 4) zeleně.

  ~  

Izomerický přechod s uvoněním γ-záření

Za izomerický přechod jádra je považováno energetické přeskupení nukleonů, které zahrnuje i vyzáření fotonu s energiemi v řádech vyšších jak 10⁴ eV, tzv. γ-záření. Přičemž tato změna přichází po některé jiné radioaktivní přeměně jádra s takovým zpožděním, že tento přechod je považován za samostatnou událost s vlastním poločasem přeměny. V tabulkách se jaderný izomer obvykle označuje písmenem-m u nukleonového čísla. Jaderné izomery se používají jako zdroje fotonů u zobrazovacích metod, zejména ve zdravotnictví.

– 533: –

Obrázek ČEZ, a.s.

  ~  

Konečné úložiště radioaktivního odpadu

Tento typ skladu musí dokázat uchovat bezpečně radioaktivní odpad po dobu až 100 000 let dokud radioaktivní pozadí jeho obsahu nebude rovno přirozenému pozadí. Konečná úložiště jsou zároveň hlubinná umístěné v horninovém nebo jílovém masívu, aby jím nemohla prosakovat voda. Musí být také v geologicky klidné lokalitě [Marek, 2020]. V současnosti se taková úložiště teprve budují, viz Obrázek 534, respektive naplňují.

– 534: –

Pohled na hlubinné úložiště jaderného odpadu u jaderné elektrárny Forsmark (Švédsko)

Nachází se 1,5 km od pobřeží a samotné úložiště je 80 m pode dnem Baltského moře v granitových horninách. V blízkosti úložiště je i stejnojmenná jaderná elektrárna (na obrázku v pozadí). Obrázek Forsmark

Označení konečného úložiště pro budoucí generace

Významným problémem hlubinného úložiště je také jeho označení tak, aby i budoucí generace pochopili, že na uvedeném místě se nachází radioaktivní odpad. Po naplnění konečného úložiště bude tento prostor zcela opuštěn, a tím i v podstatě končí jakékoliv závazky původních majitelů odpadu vůči okolí. například z toho důvodu bude kolem hlubinného úložiště WIPP (waste isolation pilot projekt) v Novém Mexiku zbudováno několik žulových sloupů a přímo nad úložištěm mohyla ze zeminy s komorou uvnitř, opět ohraničenou masivními žulovými sloupy a s nápisem Zákaz vstupu + informace o úložišti. Navíc informaci o úložišti bude v archivech po celém světě. Naopak okolí Finského úložiště Onkalo bude navráceno do původního stavu (borový les), bez sebemenší připomínky co pod povrchem leží [Anon., 2021].