úvod
Keď počuješ slovo rádioaktivita, možno si predstavíš havárie, bomby a žiariace sudy. Skutočnosť je pokojnejšia. Slabé žiarenie je okolo nás odjakživa. Prichádza z hornín pod nohami, z vesmíru, zo vzduchu, ktorý dýchame, aj z vlastného tela: v tele dospelého človeka sa každú sekundu premenia tisíce jadier rádioaktívneho draslíka-40, ktorý prijímame s jedlom. Rádioaktivita pomáha lekárom nájsť a liečiť choroby, archeológom určiť vek nálezov a elektrárňam vyrábať elektrinu. Ako pri ohni, elektrine či liekoch platí: dôležité je množstvo a správne zaobchádzanie. V tejto lekcii zistíš, čo sa pri rádioaktivite deje v jadre, aké druhy žiarenia poznáme a ako sa pred nimi chrániť.
Pre 8. ročník je táto lekcia rozšírením učiva. Stačí, ak pochopíš, čo je rádioaktivita, aké druhy žiarenia poznáme, čo ich zastaví a čo znamená polčas rozpadu. Rovnice premien sú v blokoch pre SŠ.
teória
Objav rádioaktivity
V roku 1896 francúzsky fyzik Henri Becquerel zistil, že soli uránu samy od seba vyžarujú neviditeľné žiarenie, ktoré sčerní fotografickú dosku zabalenú v čiernom papieri. Manželia Marie Curie-Skłodowská a Pierre Curie potom z ton uránovej rudy z Jáchymova v Čechách získali v roku 1898 dva nové prvky, ktoré žiarili oveľa silnejšie ako urán: polónium a rádium. Jav nazvali rádioaktivita. Marie Curie-Skłodowská dostala za svoju prácu dve Nobelove ceny, za fyziku aj za chémiu.
Dnes vieme, čo sa pri rádioaktivite deje. Niektoré jadrá sú nestabilné: majú nevhodný pomer protónov a neutrónov alebo sú príliš veľké. Také jadro sa skôr či neskôr samo premení a pri tom vyšle žiarenie. Nuklid, ktorého jadrá sa takto premieňajú, sa volá rádionuklid. Premenené jadro nezmizne, stane sa z neho jadro iného prvku: jód-131 sa premení na xenón-131, rádium na radón. Ako vyzerá jadro a čo sú izotopy, opisuje lekcia Atómové jadro a izotopy.
teória
Žiarenie alfa, beta a gama
Rádioaktívne látky vyžarujú tri hlavné druhy žiarenia. Pomenovali ich podľa prvých písmen gréckej abecedy:
| žiarenie | čo to je | čo ho zastaví |
|---|---|---|
| alfa (α) | jadrá hélia, dva protóny a dva neutróny | list papiera, vrchná vrstva kože |
| beta (β) | rýchle elektróny alebo pozitróny | niekoľko milimetrov hliníka, plexisklo |
| gama (γ) | neviditeľné žiarenie podobné röntgenovému, s veľkou energiou | len ho zoslabí hrubá vrstva olova alebo betónu |
Žiarenie alfa nepreniká ďaleko, ale ak sa látka, ktorá ho vyžaruje, dostane do tela, napríklad vdýchnutím, je nebezpečné. Žiarenie gama preniká hlboko, preto sa ním dá ožarovať nádor aj zisťovať chyby vo zvaroch. Proti žiareniu sa chránime tromi spôsobmi: čas (byť pri zdroji čo najkratšie), vzdialenosť (byť od zdroja čo najďalej) a tienenie (postaviť medzi seba a zdroj vhodnú prekážku).
Zápis jadrových premien pripomína chemickú rovnicu. Platí v nej, že súčet nukleónových čísel aj súčet protónových čísel je na oboch stranách rovnaký:
- premena α: jadro vyšle jadro hélia ⁴₂He, nukleónové číslo klesne o 4 a protónové o 2: ²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He,
- premena β⁻: v jadre sa neutrón zmení na protón, z jadra vyletí elektrón a antineutríno, Z stúpne o 1: ¹⁴₆C → ¹⁴₇N + ⁰₋₁e,
- premena β⁺: protón sa zmení na neutrón, z jadra vyletí pozitrón (kladný elektrón) a neutríno, Z klesne o 1: ¹⁸₉F → ¹⁸₈O + ⁰₊₁e,
- žiarenie γ: jadro v stave s vyššou energiou ju odovzdá ako žiarenie, A ani Z sa nemenia: ⁹⁹ᵐTc → ⁹⁹Tc + γ. Písmeno m znamená, že jadro je v takom stave s vyššou energiou.
Ťažké jadrá sa premieňajú postupne v rozpadových radoch. Urán-238 sa cez štrnásť premien, medzi nimi aj cez rádium a radón, dostane až k stabilnému olovu-206. Preto je v horninách s uránom vždy aj radón.
teória
Polčas rozpadu
Nedá sa povedať, kedy sa premení jedno konkrétne jadro. Je to ako s hodom mincou: nevieš, či padne hlava, ale pri tisícoch hodov bude hláv približne polovica. Pri veľkom počte jadier sa preto dá presne povedať, za aký čas sa premení polovica z nich. Tento čas sa volá polčas rozpadu (niekedy aj polčas premeny) a pre každý rádionuklid je iný:
| rádionuklid | polčas rozpadu | kde ho stretneš |
|---|---|---|
| fluór-18 | 110 minút | vyšetrenie PET |
| technécium-99m | 6 hodín | scintigrafia, snímky orgánov |
| jód-131 | 8 dní | liečba štítnej žľazy |
| cézium-137 | 30 rokov | vyhoreté palivo, zamorenie po Černobyle |
| uhlík-14 | 5 730 rokov | určovanie veku nálezov |
| urán-238 | 4,5 miliardy rokov | horniny, palivo elektrární |
Keď máš 100 mg jódu-131, po 8 dňoch ho zostane 50 mg, po ďalších 8 dňoch 25 mg, po ďalších 12,5 mg. Rádionuklid nikdy neubudne naraz, každý polčas zmizne len polovica toho, čo ešte zostalo. Látky s krátkym polčasom rozpadu sú pri vzniku veľmi aktívne, ale rýchlo „vyhasnú“. Preto sa v medicíne používajú rádionuklidy s polčasom hodín alebo dní: vyšetrenie stihnú a z tela rýchlo zmiznú.
vyskúšaj si
Rozpad vzorky
Uplynulo 0 dní, nerozpadnutých jadier: 100 z 100. Rozpadnuté jadrá sa zmenili na ¹³¹Xe (premena β⁻).
Odčítaj z grafu polčas rozpadu jódu-131 (v jednotkách dni).
0 / 0Vyber rádionuklid a spusti rozpad. Fialové štvorčeky sú jadrá, ktoré sa ešte nepremenili, sivé sú premenené. Vedľa sa kreslí graf: bodky ukazujú, koľko jadier zostalo, a modrá krivka, ako by to vyzeralo pri obrovskom počte jadier. Polčas rozpadu odčítaš z krivky: nájdi na osi y polovicu, 50 mg, prejdi vodorovne ku krivke a potom zvislo dole na os času. Pomôžu ti čiarkované čiary na polovici, štvrtine a osmine.
V sade pre SŠ je mriežka so 400 jadrami a ďalšie rádionuklidy s presnými polčasmi. Pomocné čiary chýbajú: polčas rozpadu môžeš odčítať aj zo štvrtiny, ktorá zodpovedá dvom polčasom. Matematicky platí m = m₀ · (1/2)ⁿ, kde n = t / T je počet polčasov rozpadu. Číslo n nemusí byť celé: po 20 dňoch zostane z jódu-131 (T = 8 dní) časť (1/2)^2,5 ≈ 0,177, teda 17,7 %.
Aktivita vzorky udáva počet premien za sekundu. Jednotka je becquerel (Bq): 1 Bq je jedna premena za sekundu. Aktivita klesá s polčasom rozpadu rovnako ako počet jadier. Účinok žiarenia na človeka vyjadruje dávka v sievertoch (Sv). Človek dostane z prírodných zdrojov v priemere asi 2,4 mSv za rok, z toho asi polovicu z radónu. Telo dospelého obsahuje asi 4 000 Bq draslíka-40.
vyskúšaj si
Rádionuklid a kde ho stretneš
Ku každému rádionuklidu priraď, kde sa používa alebo kde ho stretneš.
0 / 0rádionuklid
kde ho stretneš
teória
Rádioaktivita okolo nás
Radón je rádioaktívny vzácny plyn, ktorý vzniká rozpadom uránu v horninách. Uniká z podložia a hromadí sa v nevetraných pivniciach a prízemiach. Dlhodobé dýchanie vzduchu s vysokým obsahom radónu zvyšuje riziko rakoviny pľúc, preto sa jeho koncentrácia meria. Odporúčaná horná hranica v miestnostiach je 300 Bq/m³. Najjednoduchšia ochrana je pravidelné vetranie. Viac o radóne nájdeš v lekcii Vzácne plyny.
V medicíne pomáhajú rádionuklidy nájsť aj liečiť choroby. Pri scintigrafii dostane pacient malé množstvo technécia-99m a kamera zachytí žiarenie gama z orgánu, ktorý sa vyšetruje. Pri vyšetrení PET sa používa cukor s fluórom-18; najviac ho prijmú rýchlo rastúce nádory, ktoré sa tak ukážu na snímke. V Bratislave fluór-18 na vyšetrenia vyrába spoločnosť BIONT. Jód-131 sa hromadí v štítnej žľaze a ničí v nej choré bunky. Žiarením gama kobaltu-60 sa ožarujú nádory a sterilizujú zdravotnícke pomôcky. Ožiarená striekačka sa pritom rádioaktívnou nestane.
Jadrové elektrárne v Mochovciach a Jaslovských Bohuniciach vyrábajú viac ako polovicu elektriny na Slovensku. Jadrá uránu-235 sa v nich po zásahu neutrónom štiepia na dve menšie jadrá, uvoľnia pri tom veľké teplo a dva alebo tri nové neutróny. Tie môžu rozštiepiť ďalšie jadrá, čo je reťazová reakcia. V reaktore je presne riadená tak, aby bola stála. Teplo ohrieva vodu na paru, ktorá poháňa turbínu. Pri haváriách sa môže do ovzdušia dostať rádioaktívny jód-131. Ľudia v okolí elektrární preto majú jódové tablety. Obsahujú obyčajný, nerádioaktívny jodid draselný KI. Štítna žľaza sa ním nasýti a rádioaktívny jód už neprijme. Tablety sa užívajú len vtedy, keď to nariadia úrady.
Jadrová energetika má na Slovensku dlhú históriu. Prvá elektráreň A1 v Jaslovských Bohuniciach so sovietskym reaktorom KS-150 spaľovala prírodný urán a ako moderátor používala ťažkú vodu. Spustili ju v roku 1972. V roku 1976 sa pri výmene paliva uvoľnil oxid uhličitý z chladenia a dvaja pracovníci sa udusili. V roku 1977 zostalo pri zavážaní paliva v jednom palivovom článku vrecúško so silikagélom, ktoré malo pohlcovať vlhkosť. Článok sa preto prehrial a poškodil, čo bola havária 4. stupňa medzinárodnej stupnice INES. Elektráreň A1 už nepracuje a jej vyraďovanie má na starosti štátna spoločnosť JAVYS. Bloky V1 v Bohuniciach boli odstavené v rokoch 2006 a 2008. Do siete sa pripojili bloky V2 v Bohuniciach v rokoch 1984 a 1985 a bloky v Mochovciach v rokoch 1998, 1999 a 2023.
Rádionuklidy sa vyrábajú najmä ožarovaním neutrónmi v reaktore: stabilný kobalt-59 zachytí neutrón a vznikne rádioaktívny kobalt-60. Prírodná rádioaktivita je rádioaktivita nuklidov, ktoré sú v prírode, napríklad uránu, rádia alebo draslíka-40. Umelá rádioaktivita je rádioaktivita nuklidov, ktoré pripravili ľudia. Rozlišuj dva objavy. Ernest Rutherford v roku 1919 ostreľoval dusík časticami alfa a ako prvý premenil jeden prvok na iný: ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈O + ¹₁H. Produkty boli stabilné, išlo o umelú jadrovú premenu. Irène a Frédéric Joliot-Curieovci v roku 1934 ostreľovali hliník a vznikol fosfor-30, ktorý sa ďalej sám premieňal: ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅P + ¹₀n a ³⁰₁₅P → ³⁰₁₄Si + ⁰₊₁e. To bol objav umelej rádioaktivity.
Ako sa pri pokusoch zaobchádza s uránovými látkami, ukazuje pokus Uránové sklo. Uránové sklo svieti pod ultrafialovou lampou zeleno a jeho žiarenie je také slabé, že sa dá bezpečne ukazovať.
rozšírenie Štiepenie uránu a reťazová reakcia v Mochovciach
V decembri 1938 ostreľovali Otto Hahn a Fritz Strassmann v Berlíne urán neutrónmi a na svoje prekvapenie našli medzi produktmi bárium, prvok s takmer polovičným protónovým číslom. Lise Meitnerová, ktorá musela pred nacistami utiecť do Švédska, a jej synovec Otto Frisch to začiatkom roka 1939 vysvetlili: jadro uránu sa rozštiepilo na dve menšie jadrá. Napríklad:
²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3 n
Súčet hmotností produktov je o niečo menší ako hmotnosť uránu a neutrónu. Chýbajúca hmotnosť sa podľa vzťahu E = mc² zmení na energiu: rozštiepením jedného gramu uránu-235 sa uvoľní toľko tepla ako spálením asi troch ton uhlia. Nové neutróny môžu rozštiepiť ďalšie jadrá. Ak každé štiepenie spôsobí v priemere práve jedno ďalšie, reakcia beží stále rovnako rýchlo, a to je cieľ v elektrárni.
V reaktoroch typu VVER v Mochovciach a Bohuniciach je palivom urán obohatený na niekoľko percent uránu-235. Obyčajná voda v nich robí dve veci naraz: spomaľuje neutróny, aby štiepili urán ochotnejšie, a odvádza teplo z jadra reaktora. Riadiace tyče z materiálov, ktoré pohlcujú neutróny, sa dajú zasunúť medzi palivo a reakciu spomaliť alebo zastaviť. Vyhoreté palivo obsahuje rádionuklidy ako cézium-137 a stroncium-90, preto sa roky chladí v bazénoch a potom bezpečne skladuje.
teória
Časté chyby
- „Po dvoch polčasoch rozpadu z rádionuklidu nič nezostane.“ Po dvoch polčasoch zostane štvrtina, po troch osmina. Množstvo stále klesá na polovicu, no nikdy nie naraz na nulu.
- „Rozpadnuté jadrá zmiznú.“ Jadrá sa premenia na jadrá iného prvku: jód-131 na xenón-131, uhlík-14 na dusík-14. Ubúda len pôvodný rádionuklid, hmotnosť vzorky sa takmer nemení.
- „Ožiarená vec je rádioaktívna.“ Ožiarenie gama alebo röntgenom (sterilizácia pomôcok, ožarovanie potravín, röntgen) z predmetu rádioaktívny nespraví. Rádioaktívnym sa stane, keď sa naň dostane rádioaktívna látka (kontaminácia). Výnimkou je ožarovanie neutrónmi v reaktore, tak sa rádionuklidy vyrábajú.
- „Jódové tablety obsahujú rádioaktívny jód.“ Obsahujú obyčajný jodid draselný KI. Nasýtia štítnu žľazu, aby neprijala rádioaktívny jód-131.
- „Polčas rozpadu sa dá zmeniť zohriatím alebo chemickou reakciou.“ Rádioaktivita je vlastnosť jadra. Teplota, tlak ani chemická väzba ju nezmenia, preto sa podľa uhlíka-14 dá spoľahlivo určiť vek.
Ako sa uhlík-14 používa na určovanie veku, ukazuje lekcia Uhlík, prečo jadrová premena nie je chemický dej, lekcia Fyzikálne a chemické deje. V ďalšej lekcii sa vrátiš od jadra k elektrónom a molekulám: zistíš, čo vyjadruje chemický vzorec.