Rádioaktívny rozpad — princíp, typy, meranie a využitie

Väčšina atómov uhlíka má vo svojom jadre šesť protónov a šesť neutrónov. Tento uhlík sa nazýva uhlík-12 (šesť protónov + šesť neutrónov = 12). Jeho atómová hmotnosť je 12. Ak má atóm uhlíka o dva neutróny viac, je to uhlík-14. Uhlík-14 sa chemicky správa ako ostatné uhlíky, pretože šesť protónov a šesť elektrónov riadi jeho chemické vlastnosti. Uhlík-14 sa v skutočnosti nachádza vo všetkých živých organizmoch; všetky rastliny a živočíchy obsahujú uhlík-14. Uhlík-14 je však rádioaktívny. Rozpadá sa beta rozpadom na dusík-14. Uhlík-14 je v malom množstve, ktoré sa nachádza v prírode, neškodný. V archeológii sa tento druh uhlíka používa na určenie veku dreva a iných predtým živých vecí. Táto metóda sa nazýva rádiouhlíkové datovanie.

Ernest Rutherford zistil, že tieto častice prenikajú do hmoty rôznymi spôsobmi. Zistil dva rôzne druhy, ktoré nazval rozpad alfa a rozpad beta. Paul Villard objavil v roku 1900 tretí druh. Rutherford ho v roku 1903 nazval rozpad gama.

Zmena rádioaktívneho uhlíka-14 na stabilný dusík-14 je rádioaktívny rozpad. Dochádza k nemu, keď atóm vyžiari časticu alfa. Častica alfa je impulz energie, keď elektrón alebo pozitrón opustí jadro.

Neskôr boli objavené ďalšie druhy rozkladu. Jednotlivé druhy rozpadu sa od seba líšia, pretože pri rôznych druhoch rozpadu vznikajú rôzne druhy častíc. Východiskové rádioaktívne jadro sa nazýva materské jadro a jadro, na ktoré sa zmení, sa nazýva dcérske jadro. Vysokoenergetické častice, ktoré vznikajú pri rádioaktívnych materiáloch, sa nazývajú žiarenie.

Tieto rôzne druhy rozpadu môžu prebiehať postupne v "rozpadovom reťazci". Jeden druh jadra sa rozpadá na iný druh, ktorý sa opäť rozpadá na iný a tak ďalej, až kým sa z neho nestane stabilný izotop a reťazec sa neskončí.

Rýchlosť, akou sa táto zmena uskutočňuje, je pre každý prvok iná. Rádioaktívny rozpad sa riadi náhodou: Čas, za ktorý sa v priemere zmení polovica atómov látky, sa nazýva polčas rozpadu. Rýchlosť je daná exponenciálnou funkciou. Ako príklad možno uviesť jód (¹³¹ I), ktorého polčas rozpadu je približne 8 dní. U plutónia sa pohybuje v rozmedzí od 4 hodín (²⁴³ Pu) do 80 miliónov rokov (²⁴⁴ Pu).

Rádioaktívny rozpad mení atóm s vyššou energiou vo vnútri jadra na atóm s nižšou energiou. Zmena energie jadra je daná časticami, ktoré vznikajú. Energia uvoľnená pri rádioaktívnom rozpade sa môže prenášať buď elektromagnetickým žiarením gama (druh svetla), časticou beta alebo časticou alfa. Vo všetkých týchto prípadoch sa prenáša zmena energie jadra. A vo všetkých týchto prípadoch sa celkový počet kladných a záporných nábojov protónov a elektrónov atómu pred a po zmene rovná nule.

Pri rozpade alfa sa z atómového jadra uvoľňuje častica alfa. Pri rozpade alfa jadro stratí dva protóny a dva neutróny. Rozpad alfa spôsobuje zmenu atómu na iný prvok, pretože atóm stráca dva protóny (a dva elektróny). Ak by napríklad amerícium prešlo alfa rozpadom, zmenilo by sa na neptúnium, pretože neptúnium je definované tým, že má o dva protóny menej ako amerícium. K alfa rozpadu zvyčajne dochádza v najťažších prvkoch, ako sú urán, tórium, plutónium a rádium.

Častice alfa nemôžu prejsť ani cez niekoľko centimetrov vzduchu. Alfa žiarenie nemôže ublížiť človeku, ak je zdroj alfa žiarenia mimo ľudského tela, pretože ľudská pokožka neprepustí alfa častice. Žiarenie alfa môže byť veľmi škodlivé, ak je zdroj vo vnútri tela, napríklad keď ľudia dýchajú prach alebo plyn obsahujúci materiály, ktoré sa rozpadajú vyžarovaním častíc alfa (žiarenia).

Existujú dva druhy beta rozpadu, beta plus a beta mínus.

Pri rozpade beta-minus jadro odovzdá záporne nabitý elektrón a neutrón sa zmení na protón:

n 0 → p + + e - + ν - e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}} .

kde

n 0 {\displaystyle n^{0}} je neutrón

  p + {\displaystyle \ p^{+}} je protón

e - {\displaystyle e^{-}} je elektrón

ν Ž e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} je antineutríno

Rozpad beta-minus prebieha v jadrových reaktoroch.

Pri beta-plus rozpade jadro uvoľní pozitrón, ktorý je ako elektrón, ale je kladne nabitý, a protón sa zmení na neutrón:

  p + → n 0 + e + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}} .

kde

  p + {\displaystyle \ p^{+}} je protón

n 0 {\displaystyle n^{0}} je neutrón

e + {\displaystyle e^{+}} je pozitrón

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}} je neutríno

K rozpadu beta-plus dochádza vo vnútri Slnka a v niektorých typoch urýchľovačov častíc.

Gama rozpad nastáva, keď jadro vyprodukuje vysokoenergetický balík energie nazývaný gama žiarenie. Gama žiarenie nemá elektrický náboj, ale má uhlový moment. Gama lúče sú zvyčajne emitované z jadier hneď po iných typoch rozpadu. Gama lúče sa dajú použiť na videnie cez materiál, na ničenie baktérií v potravinách, na vyhľadávanie niektorých druhov chorôb a na liečbu niektorých druhov rakoviny. Gama žiarenie má najvyššiu energiu zo všetkých elektromagnetických vĺn a výbuchy gama žiarenia z vesmíru sú najenergetickejším známym uvoľňovaním energie.