1. Ionizujúce žiarenie (zdroje- alfa, beta, gama, neutrónové, rtg. žiarenie, fyzikálne vlastnosti žiarenia, zákony premeny)

Transcript

1 1. Ionizujúce žiarenie (zdroje- alfa, beta, gama, neutrónové, rtg. žiarenie, fyzikálne vlastnosti žiarenia, zákony premeny) Ionizujúce žiarenie je schopné pri prechode prostredím spôsobiť jeho ionizáciu, t.j. vytvoriť z pôvodne elektricky neutrálnych atómov kladné a záporné ióny (iónové páry). Vzhľadom na charakter ionizačného procesu rozoznávame: priamo ionizujúce a nepriamo ionizujúce žiarenie. Priamo ionizujúce žiarenie je tvorené nabitými časticami (elektróny, pozitróny, protóny, častice alfa a beta a pod.), ktorých kinetická energia je dostatočná na to, aby mohla vyvolať ionizáciu. Nepriamo ionizujúce žiarenie zahŕňa nenabité častice (fotóny, neutróny a pod.), ktoré samé o sebe prostredie neionizujú. Pri ich interakcii s prostredím sa uvoľňujú sekundárne, priamo ionizujúce nabité častice, ktoré spôsobia ionizáciu prostredia. drojmi ionizujúceho žiarenia môžu byť rádionuklidy (prirodzené, umelé) alebo generátory (RG lampa, urýchľovače a pod). rádionuklidy majú nestabilné atómové jadrá, rozpadajú sa a emitujú ionizujúce žiarenie. Ionizujúce žiarenie možno charakterizovať jeho energiou. Ionizačná energia je minimálna energia, potrebná na odstránenie elektrónu z izolovaného atómu alebo molekuly v plynnej fáze. Udáva sa zvyčajne v elektrónvoltoch (ev) a ich násobkoch (kev, MeV). Jeden elektrónvolt je definovaný ako energia, ktorú získa elektrón pri prechode potenciálovým rozdielom jedného voltu. Medzi elektrónvoltom (ev) a základnou jednotkou energie Joulom (J) platí vzťah: 1eV = 1, J. 1.1 Rádioaktivita Živá a neživá hmota je zložená z atómov rôznych prvkov. tómy sú tvorené protónmi, neutrónmi a elektrónmi. Hmotnosť atómu je skoncentrovaná do jadra, ktoré je tvorené protónmi a neutrónmi. Elektróny (e - ) sú záporne nabité častice a obiehajú okolo jadra po kruhových dráhach v relatívne veľkých vzdialenostiach. Protóny (p ), sú častice s kladným elektrickým nábojom a každý prvok je definovaný počtom protónov v jadre, tzv. protónovým číslom. Neutróny (n) sú elektricky neutrálne častice a sú oveľa ťažšie ako protóny. Počet neutrónov v jadre určuje, či je jadro stabilné alebo nestabilné - rádioaktívne. by bolo jadro stabilné, počet neutrónov by mal byť rovnaký ako počet protónov. k je počet neutrónov iný ako počet protónov, jadro má prebytok energie a tento je nútené uvoľniť. Prebytočná energia je uvoľňovaná buď vo forme elektromagnetických vĺn alebo vo forme toku rôznych častíc. ento tok energie sa nazýva radiácia alebo rádioaktívne žiarenie, niekedy aj jadrové žiarenie, pretože sa týka jadra. Rádioaktivita je schopnosť (vlastnosť) niektorých látok (prvkov) samovoľne vysielať neviditeľné žiarenie. Látky, ktoré majú túto schopnosť sa označujú ako rádioaktívne látky (prvky). Všetky ťažšie jadrá sú nestabilné a samovoľne sa rozpadajú na ľahšie jadrá, ktoré sú stabilné, alebo vedú ku stabilnej konfigurácii jadra. Jav sa nazýva prirodzená rádioaktivita na rozdiel od umelej rádioaktivity, kedy nestabilita atómového jadra je vyvolaná umelo (zvyčajne jadrovou reakciou). Umelá rádioaktivita sa riadi tými istými zákonitosťami ako prirodzená rádioaktivita. Rádioaktívny rozpad (premena) je samovoľná premena jadra, pri ktorej sa emitujú 4 častice (jadrá hélia He ), časticeβ (elektróny e - ) alebo lúčeγ (fotóny). Ide teda o proces, počas ktorého nestabilný atóm ( jadro) uvoľňuje prebytok svojej excitačnej energie, alebo

2 dosahuje konfiguráciu, ktorá má väčšiu stabilitu, alebo povedie ku konfigurácii s väčšou stabilitou. Nuklid je prvok zložený z rovnakých atómov, ktoré sú určené počtom protónov a neutrónov. Nuklidy toho istého prvku, ktorých atómy majú rovnaký počet protónov a rôzny počet neutrónov, sú izotopy tohto prvku. Rádionuklid je nestabilný (rádioaktívny) nuklid podliehajúci samovoľnej rádioaktívnej premene. Rádioizotop je nestabilný (rádioaktívny) izotop prvku podliehajúci samovoľnej rádioaktívnej premene. Rádioaktívny rozpad je dej náhodný, riadiaci sa štatistickými zákonmi veľkých čísel. Rádioaktívny rozpad je charakterizovaný troma významnými vlastnosťami: mení chemickú podstatu látky nezávisí od vonkajších podmienok ( tlak, teplota, vlhkosť, horotvorné procesy je sprevádzaný emisiou troch druhov žiarenia (alfa, beta, gama) Rozpad jadier rádioaktívnych prvkov sa riadi určitými zákonitosťami. istilo sa, že všetky nuklidy rádioaktívneho izotopu sa nerozpadajú súčasne, ale za časovú jednotku sa ich rozpadne len časť. Riešením rovnice (.1) pre hraničné podmienky dostávame základný zákon rádioaktívneho rozpadu (.1) N λt ( t) N e, = (1.1) kde N t je počet rádioaktívnych jadier ešte nepremenených v čase t a λ, tzv. rozpadová konštanta je veličina, charakterizujúca rýchlosť rozpadu rádioizotopu a závisiaca od danej rádioaktívnej látky. ákon rádioaktívneho rozpadu vyjadruje exponenciálnu závislosť premeny atómových jadier v čase. Grafické zobrazenie zákona rádioaktívnej premeny je na obr.1.1.a,b, kde obr..1.a vyjadruje zobrazenie v lineárnom súradnicovom systéme a obr.1.1.b v semilogaritmickom súradnicovom systéme. N je počet rádioaktívnych jadier v čase t = a ( ) N N logn logn logn / N / logn /4 N /4 N /8 logn /8 3 t 3 t Obr.1.1.a Obr.1.1.b Rýchlosť rozpadu je výhodné charakterizovať fyzikálnym polčasom rozpadu. Je to čas, za ktorý sa rozpadne polovica jadier všetkých rádioaktívnych atómov, alebo v prípade konkrétneho rádionuklidu znamená, dobu, za ktorú sa počet atómov rádionuklidu (jeho aktivita) zmenší o polovicu. Fyzikálny polčas rozpadu je vyjadrený jednotkami času, napr. rok, deň, sekunda.

3 Pre daný konkrétny prvok je fyzikálny polčas rozpadu konštantou a pre rôzne prvky je odlišný. Rádioaktívne prvky sa z organizmu odbúravajú a vylučujú rádioaktívnym rozpadom a okrem toho aj metabolickými procesmi a vylučovacou sústavou. Rýchlosť tohto procesu charakterizuje tzv. biologický polčas b, ktorý je definovaný ako doba, za ktorú sa z organizmu vylúči polovica vstrebanej rádioaktívnej látky. Keď chceme sledovať rýchlosť odbúravania rádioaktívneho prvku z organizmu, musíme brať do úvahy obidva spomínané procesy. Pomocou fyzikálneho polčasu rozpadu a pomocou biologického polčasu b definujeme tzv. efektívny polčas ef vzťahom 1 ef 1 1 =. (1.) b Efektívny polčas je čas, za ktorý klesne celková intenzita žiarenia dodaného do organizmu na polovicu (aktivita klesne na polovicu) a je rozhodujúci pre výpočet dávky žiarenia, ktorú dostane organizmus. Rozpad alfa () sa vyskytuje u jadier, ktorých hmotnostné číslo je väčšie než, t.j. u ťažkých jadier od olova (Pb) vyššie a jadier niektorých vzácnych zemín. Je to premena jadra, kedy dochádza k vymršteniu častice alfa, ktorá má kladný náboj. áto častica nesie dva protóny a dva neutróny, medzi ktorými je veľká väzbová energia (cca 8 MeV), pretože len taká častica je schopná opustiť jadro cez Coulombovu potenciálnu bariéru. lfa častica je 4 jadro atómu hélia (He) s hmotnostným číslom 4 a protónovým číslom ( = He ). lfa rozpad môže byť schematicky znázornený rovnicou X Y He = Y. (1.3) - - Vznikajúce dcérske jadro Y môže byť tiež excitované, ale jeho excitačná energia je malá a sprievodné gama žiarenie má tiež spravidla nízku energiu v prípade väčšiny - žiaričov. Častice o vyšších energiách možno získať v urýchľovačoch. ko príklad rozpadu alfa možno uviesť schému rozpadu rádia (Ra), amerícia (m) a uránu (U): 41 Ra Rn, (1.4) m Np, (1.5) U 34 h, (1.6) uvedených schém vyplýva, že pri rozpade vznikne dcérsky prvok, ktorý je v periodickej sústave prvkov posunutý o dve miesta doľava od materského prvku. Hmotnostné číslo prvku sa zmenší o 4 a atómové číslo sa zmenší o dva. V prípade rozpadu rádia (1.4) je to radón (Rn), v prípade rozpadu amerícia (1.5) je to neptúnium (Np) a v prípade rozpadu uránu (1.6) je to tórium (h). Rozpad beta (β) je premena, pri ktorej zostáva počet nukleónov v jadre zachovaný. jadra je vymrštená beta častica, ktorá môže mať záporný alebo kladný náboj. Najznámejšie sú tri druhy rozpadu beta. Rozpad beta mínus (β ) predstavuje premenu, pri ktorej sa neutrón v jadre premení na protón, pričom sa vyžiari častica β (elektrón- e ) a elektrónové antineutríno. Rozpad možno znázorniť schémou X Y β. (1.7) 1

4 ko príklad možno uviesť schému rozpadu rádioizotopu uhlíka (C), rádioizotopu cézia (Cs) a rádioizotopu kobaltu (Co): C N β, (1.8) Cs Ba β,(1.9) Co Ni β. (1.1) Pri rozpade beta mínus vznikne dcérsky prvok, ktorého atómové číslo je o jedno väčšie a teda je v periodickej tabuľke posunutý o jedno miesto doprava od materského prvku. V prípade rozpadu uhlíka (1.8) je to dusík (N),a v prípade rozpadu cézia (1.9) je to báryum (Ba) a v prípade rozpadu kobaltu (1.1) je to nikel (Ni). Rozpad beta plus (β ) znamená, že v jadre sa uskutoční premena protónu na neutrón a vyžiari sa častica β (pozitrón- e ) a neutríno podľa schémy: X Y 1 - β. (1.11) ento typ rádioaktívnej premeny sa vyskytuje len pri umelo vyrobených rádioizotopoch. ko príklad uvádzame schému rozpadu rádioizotopu neónu (Ne) a sodíka (Na) uhlíka (C): Ne 9 F β, (1.1) Na Ne β, (1.13) 11 C 11 B 5 β (1.14) Pri beta plus rozpade neónu (1.1) vznikne fluór (F) a pri beta plus rozpade sodíka (1.13) vznikne neón (Ne) a pri beta plus rozpade uhlíka (1.14)vznikne bór (B). achytenie elektrónu z elektrónového obalu, tzv. elektrónový záchyt (niekedy nazývaný inverzný beta rozpad) znamená premenu, pri ktorej jadro atómu strhne (zachytí) elektrón z elektrónovej sféry, (najčastejšie zo sféry K), pričom protón v jadre sa premení na neutrón a v súlade so zákonom zachovania energie sa vyžiari elektrónové neutríno podľa schémy X e = ( X β ) Y. -1 (1.15) V prípade, že energetický rozdiel medzi počiatočným a konečným stavom je malý, nemusí byť elektrónový záchyt sprevádzaný emisiou neutrína. ko príklad elektrónového záchytu môžu byť uvedené schémy pre berýlium (Be) a ortuť (Hg), kde v prípade berýlia (1.16) dostaneme lítium (Li) a v prípade ortute (1.17) dostaneme zlato (u) 7 Be e 1 1 Li, (1.16) Hg e u.(1.17) v Gama premena (γ ) je nestabilita, ako dôsledok elektromagnetického pôsobenia. Gama žiarenie je prúd fotónov s veľkou energiou a spravidla sprevádza alfa a beta rozpad. Pri gama rozpade jadro prechádza zo vzbudeného stavu do stavu základného, pri súčasnom vyžiarení fotónov elektromagnetického žiarenia, t.j. kvánt gama. Vyslaným fotónom gama sa zníži energia vybudeného jadra. tómové číslo (počet protónov alebo neutrónov v jadre) aj atómová hmotnosť ostávajú nezmenené, čiže materské aj dcérske atómy sú tie isté chemické prvky. Rozpad alfa a všetky tri druhy beta premeny sú väčšinou sprevádzané aj emisiou gama žiarenia, resp. röntgenového žiarenia. Žiarenie gama a röntgenové žiarenie majú charakter elektromagnetického žiarenia, pričom γ žiarenie vzniká pri jadrových procesoch a röntgenové žiarenie sprevádza elektrónové prechody a ich interakcie.

5 Okrem uvedených spôsobov rádioaktívnej premeny existujú aj ďalšie, ako je spontánne štiepenie, dvojitá protónová emisia, dvojitý elektrónový záchyt, elektrónový záchyt s pozitrónovou emisiou, vnútorná konverzia, jadrová izoméria a iné. Rádioaktívny rozpad má za následok redukciu súhrnnej zvyškovej hmotnosti, ktorá sa premení na energiu (rozpadovú energiu) podľa vzťahu E = mc. áto energia sa uvoľňuje ako kinetická energia emitovaných častíc. Premena rádioizotopov je sprevádzaná emisiou žiarenia. Medzi najznámejšie druhy patria alfa, beta, gama a neutrónové žiarenie. utorom označenia uvedených žiarení písmenami gréckej abecedy je britský fyzik Ernest Rutherford, ktorý v roku 19 pri svojich výskumoch objavil, že atómové jadrá vyžarujú pri svojom rozpade tri druhy žiarení. lfa a beta žiarenie sú korpuskulárne a žiarenie gama je vysokoenergetické elektromagnetické žiarenie. lfa, beta a gama žiarenie môžu byť oddelené magnetickým poľom, pretože kladne nabité alfa častice sa vychyľujú jedným smerom, záporné beta častice opačným a gama žiarenie (bez náboja) sa nevychyľuje (obr.1.). γ β Obr.1. lfa, beta, gama častice v magnetickom poli Žiarenie alfa ( - žiarenie) je korpuskulárne žiarenie. Je to prúd (tok) kladne nabitých 4 častíc (jadier hélia He ), ktoré majú relatívne veľkú hmotnosť a náboj, a teda majú silné ionizačné schopnosti. Môže ich zastaviť list papiera alebo pokožka (epidermis), preto látky, ktoré vyžarujú toto žiarenie, sú pre živé tkanivá nebezpečné, až keď sú prehltnuté alebo vdýchnuté. Častice alfa sú monoenergetické. Častice alfa vyletujú z jadier toho istého prvku vždy s rovnakou energiou arýchlosťou, ktorá predstavuje 5-7% rýchlosti svetla vo vákuu. Dolet alfa častíc závisí okrem energie aj na hustote prostredia a vo vzduchu dosahuje hodnôt rádovo niekoľko centimetrov, zatiaľčo v kvapalinách a pevných látkach je to len niekoľko stotín milimetra. Ochrana pred vonkajším ožiarením žiarením nepredstavuje väčší problém Medzi alfa žiariče patrí napr. 6 Ra, 39 Pu a 41 m. Žiarenie beta (β - žiarenie) je prúd elektrónov e ( β ) alebo pozitrónov e ( β ), ktoré sú vymrštené z atómového jadra pri jeho rozpade. ieto častice sú ľahšie a majú menší náboj (jednotkový, t.j. 1, J, kladný alebo záporný) ako častice alfa a preto majú väčšiu schopnosť prieniku hmotou. astaví ich tenká vrstva vody, skla alebo kovu (hliník). Vnútri tela sú veľmi nebezpečné. Pohybujú sa takmer rýchlosťou svetla a vytvárajú spojité spektrum energií od nuly až po maximálnu energiu, ktorá je charakteristickou veličinou daného rádioaktívneho atómu. Pri každej premene toho istého prvku sa musí vyžiariť rovnaké množstvo energie. Existuje teda častica, ktorá preberá rozdiel medzi energiou vyžiarenou časticou beta a maximálnou energiou pre častice beta uvažovaného žiariča. outo časticou je

6 neutríno, ktoré je mnohokrát menšie než elektrón a nenesie žiaden náboj. Pri rozpade β je súčasne vyžiarená častica antineutrino a pri rozpade β neutrino. Rozdiel medzi neutrínom a jeho antičasticou antineutrínom je v spine (rotácii častice okolo vlastnej osi). Dolet častíc beta z rádioaktívnych izotopov dosahuje vo vzduchu hodnôt rádovo niekoľkých metrov, v tkanivách a ľahkých materiáloch neprenikne častica β hlbšie než asi 1 cm. Napríklad beta žiarenie s maximálnou energiou MeV má dolet vo vzduchu približne 8 m, vo vode 1 cm a v hliníku 4mm. K najčastejšie používaným beta žiaričom patrí napr. 35 S, 63 Ni, 85 Kr, 9 Sr 9 Y a 4 l. Žiarenie gama (γ - žiarenie) a röntgenové žiarenie nie sú žiarením časticovým. Sú to elektromagnetické vlny, podobné svetlu a rádiovým vlnám, avšak s kratšími vlnovými dĺžkami a vyššími frekvenciami, ktoré sa pohybujú sa rýchlosťou svetla. Gama žiarenie vzniká v jadre atómu pri rozpade rádioaktívnych prvkov. Energia fotónov γ - žiarenia je väčšia ako energia fotónov röntgenového žiarenia. Žiarenie gama má čiarové spektrum, to znamená že daný rádionuklid emituje len fotóny s určitými energiami, ktoré sú pre neho charakteristické. Gama žiarenie má vysokú priechodnosť hmotou (a teda aj ľudským telom) a dá sa zastaviť prípadne zoslabiť vrstvou olova alebo betónu. Röntgenové žiarenie vzniká prudkým zabrzdením urýchlených elektrónov (brzdné žiarenie) alebo prechodom elektrónov na nižšie energetické hladiny v atóme (charakteristické žiarenie). Fyzikálna podstata gama žiarenia a röntgenového žiarenie je rovnaká, líšia sa len svojím zdrojom (pôvodom). Lúče γ majú najväčšiu prenikavosť a najväčší dolet z uvedených druhov rádioaktívneho žiarenia. Čistých gama žiaričov je veľmi málo, žiarenie gama obvykle sprevádza alfa alebo beta žiarenie.k najčastejšie používaným zdrojom gama žiarenia patrí 6 Co a 137 Cs. Neutrónové žiarenie je tvorené tokom neutrónov, t.j. častíc bez elektrického náboja s určitou hmotnosťou a vysokou kinetickou energiou, čo im umožňuje ľahký prechod materiálmi. Neutróny neionizujú prostredie priamo, ale svojou interakciou s atómami hmoty zapríčiňujú vznik, β - častíc a tiež γ a X -lúčov, ktoré uskutočnia ionizáciu. Prírodným zdrojom neutrónov je kozmické žiarenie, vznikajú však aj pri štiepení uránu v jadrovom reaktore, v urýchľovačoch a pri iných jadrových premenách. ok neutrónov sa dá zastaviť až hrubými vrstvami betónu, vody alebo parafínu.