Shrnutí na Struktura atomu a radioaktivita

## Úvod Radioaktivita je proces, při kterém se nestabilní jádro atomu spontánně přeměňuje na jiné jádro vyzářením částice nebo fotonu. Tyto přeměny mění protonové nebo neutronové číslo jádra a vedou k transmutacím prvků. Tento materiál vysvětluje základní posuvové zákony radioaktivních přeměn, poločas rozpadu, radioaktivní řady a praktické příklady. > **Definice:** Radioaktivita je samovolné vyzařování částic nebo elektromagnetického záření nestabilními jádry vedoucí k jejich přeměně. ## Základní typy radioaktivních přeměn (posuvové zákony) Rozdělíme je podle toho, co jádro emituje a jak se změní protonové ($Z$) a nukleonové ($A$) číslo. ### 1) α (alfa) rozpad - Při vyzáření částice α (která je jádrem helia) se počet protonů sníží o 2 a počet nukleonů o 4. - Nový prvek je v periodické soustavě o dvě místa vlevo. > **Reakce (použijte mhchem):** $$\ce{{}_{Z}^{A}X -> {}_{2}^{4}\alpha + {}_{Z-2}^{A-4}Y}$$ Příklady: - $$\ce{{}_{92}^{235}U -> {}_{2}^{4}\alpha + {}_{90}^{231}Th}$$ - $$\ce{{}_{84}^{200}Po -> {}_{2}^{4}\alpha + {}_{82}^{196}Pb}$$ ### 2) β (beta) přeměny Beta přeměny zachovává počet nukleonů $A$ a mění protonové číslo $Z$. 2a) β⁻ rozpad (beta minus) - Při β⁻ se neutron přemění na proton a emituje se elektron a antineutrino (antineutrino zde neuvedeno v původním textu, ale běžně se při β⁻ vyskytuje). > **Reakce:** $$\ce{{}_{0}^{1}n -> {}_{-1}^{0}e + {}_{1}^{1}p}$$ > **Obecně:** $$\ce{{}_{Z}^{A}X -> {}_{-1}^{0}e + {}_{Z+1}^{A}Y}$$ Příklady: - $$\ce{{}_{92}^{235}U -> {}_{-1}^{0}e + {}_{93}^{235}Np}$$ - $$\ce{{}_{84}^{200}Po -> {}_{-1}^{0}e + {}_{85}^{200}At}$$ 2b) β⁺ rozpad (beta plus) a zachycení elektronu - Při β⁺ se proton přemění na neutron a emituje se pozitron; při zachycení elektronu klesne rovněž $Z$ o 1. > **Reakce:** $$\ce{{}_{1}^{1}p -> {}_{+1}^{0}e + {}_{0}^{1}n}$$ > **Obecně:** $$\ce{{}_{Z}^{A}X -> {}_{+1}^{0}e + {}_{Z-1}^{A}Y}$$ Příklady (uvedené): - $$\ce{{}_{92}^{235}U -> {}_{1}^{0}e + {}_{91}^{235}Pa}$$ (pozor: v původním textu jsou příklady pro ilustraci posuvu) - $$\ce{{}_{84}^{200}Po -> {}_{1}^{0}e + {}_{83}^{200}Bi}$$ ### 3) γ (gama) záření - Při záření γ se složení jádra nemění: není změna $Z$ ani $A$, pouze jádro přechází do nižšího energetického stavu. > **Definice:** Gama záření je elektromagnetické záření vysoké energie uvolněné při přechodu jádra na nižší energetický stav. ## Poločas rozpadu - **Poločas rozpadu** je doba, za kterou se rozpadne polovina původního počtu radioaktivních jader. > **Definice:** Poločas rozpadů $t_{1/2}$ je čas, za který aktivita nebo počet jader klesne na polovinu. - Pro exponenciální rozpad platí vztah pro počet jader $N(t)$: $$N(t) = N_0 e^{-\lambda t}$$ kde $\lambda$ je rozpadová konstanta. - Vztah mezi $\lambda$ a $t_{1/2}$ je: $$t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}$$ Praktický příklad: pokud má izotop poločas $t_{1/2}=10\ \text{dní}$, po 10 dnech zůstane $\frac{1}{2}N_0$, po 20 dnech $\frac{1}{4}N_0$ atd. ## Radioaktivní řady - Při rozpadu těžkých prvků často vznikají další radioaktivní izotopy, které dále rozpadají. Tak vznikají přirozené radioaktivní přeměnové řady. - Posledním stabilním článkem většiny přirozených řad je izotop olova nebo bismutu (stabilní Pb nebo Bi v některých řadách). Hlavní přirozené řady: 1. Uranová (např. z $^{238}$U) 2. Thoriová (z $^{232}$Th) 3. Aktinouranová 4. Neptunová (uměle vytvořená, obsahuje umělé prvky) Fun fact: Věděli jste, že přirozené radioaktivní řady mohou zahrnovat i více než deset po sobě jdoucích přeměn, než vznikne stabilní produkty jako olovo? ## Tabulka: Přehled přeměn | Typ přeměny | Změna $Z$ | Změna $A$ | Co se emituje | Příklad | | --- | ---: | ---: | --- | --- | | α | -2 | -4 | $\alpha$ (\ce{^{4}_{2}He}) | $$\ce{{}_{92}^{235}U -> {}_{2}^{4}\alpha + {}_{90}^{231}Th}$$ | | β⁻ | +1 | 0 | elektron ($e^-$) + antineutrino | $$\ce{{}_{92}^{235}U -> {}_{-1}^{0}e + {}_{93}^{235}Np}$$ | | β⁺ / zachycení e⁻ | -1 | 0 | pozitron ($e^+$) nebo zachycený elektron | $$\ce{{}_{84}^{200}Po -> {}_{1}^{0}e + {}_{83}