Atómové jadro a jadrové žiarenie

Atómové jadro a jadrové žiarenie

2.1 Štruktúra atómu
Predstavy a názory o stavbe a štruktúre látkovej formy hmoty prešli dlhým vývojom. Ešte začiatkom minulého  storočia sa považoval atóm za najmenší útvar látkovej formy hmoty a až objav prírodnej rádioaktivity a neskôr umelej premeny prvkov  si vynútil zásadnú revíziu vtedajších názorov o stavbe atómov. Preto sa vytvoril nukleárny model atómu, podľa ktorého sa atóm skladá z rozmerovo malého, elektricky kladne nabitého jadra a z obalu, elektricky záporne nabitých častíc - elektrónov, ktoré obklopujú atómové jadro.

2.2 Atómové jadro
Atómové jadro je centrálna časť atómu. Je to kvantovo-mechanická sústava jadrových častíc, nukleónov. Základnými formami nukleónov sú elektricky kladne nabité protóny a elektricky neutrálne neutróny. Nukleóny sú v jadre navzájom viazané vnútrojadrovými silami. V jadrových vedách sa často používa termín nuklid na označenie druhu atómov definovaných určitým zložením a štruktúrou jadra.

2.3 Charakteristika a druhy nuklidov
Vlastnosti nuklidov určuje počet, druh a vzájomné zoskupenie nukleónov v atómovom jadre. Charakteristika nuklidu sa udáva pomocou protónového, nukleónového, neutrónového
a izotopového čísla.
Protónové (atómové, poradové, nábojové) číslo ( Z ) vyjadruje počet protónov v jadre a tým aj počet kladných nábojov jadra. Rovnaký počet elektrónov obieha v elektrónovom obale atómu.
Nukleónové (hmotnostné) číslo ( A ) vyjadruje celkový počet nukleónov čiže súčet protónov a neutrónov v jadre.
Neutrónové číslo ( N ) vyjadruje počet neutrónov v jadre
Izotopové číslo ( I ) udáva rozdiel medzi počtom neutrónov a protónov v jadre I=N-Z. Toto číslo udáva nadbytok neutrónov v jadre vzhľadom na počet jeho protónov.
  Medzi nukleónovým (A), protónovým (Z) a neutrónovým (N) číslom v atómovom jadre platí vzťah: A = Z + N

2.4 Stále a rádioaktívne nuklidy
Atómové jadro je všeobecne súbor nukleónov. Súdržnosť nukleónov v jadre vyjadruje ich väzbová energia. Atómové jadrá môžu byť v rôznych energetických stavoch. Základný energetický stav zodpovedá jeho najnižšej energii. Nuklidy s vyššou energiou sú v energeticky vzbudenom stave.

Nuklidy, ktoré sú schopné trvalej existencie, sa nazývajú stabilné. Niektoré jadrá sa však samovoľne premieňajú na iné atómové jadrá a nazývajú sa rádioaktívnymi. Také rádioaktívne jadrá, ktorých premena je spojená s emisiou korpuskulárnej častice sú labilné. Ak ide o vysielanie gama -fotónu z nuklidu čiže o prechod jadra z vyššieho energetického stavu do nižšieho, takéto jadro sa nazýva metastabilné. Stabilitu atómového jadra určuje pomer počtu jeho neutrónov k počtu protónov. Pri ľahkých prvkoch je tento pomer blízky jednotke a so stúpajúcim protónovým číslom prvku sa posúva v prospech neutrónov. Oblasť stálych atómových jadier je pomerne úzka. Atómové jadrá s väčším relatívnym nadbytkom protónov alebo neutrónov sú nestále.

2.5 Jadrové žiarenie
Takmer každý dej jadrovej premeny je spojený s vysielaním častíc alebo fotónov z atómového jadra. Častice, emitované atómovým jadrom, sa pohybujú  veľkou rýchlosťou, predstavujú teda určitý druh žiarenia. Žiarenie má pôvod v atómovom jadre a všeobecne sa nazýva jadrovým žiarením.
V prípade základných samovoľných jadrových premien sa vysielané žiarenie  nazýva rádioaktívne ( alfa-, beta-, gama- ) žiarenie.
  K druhom jadrového žiarenia patrí okrem rádioaktívneho žiarenia deuteronové, neutrónové a protónové žiarenie. Jadrové žiarenie sa môže klasifikovať aj z hľadiska jeho charakteru. Toto hľadisko je základom členenia jadrového žiarenia na korpuskulárne a elektromagnetické.
  Podľa hmotnosti častice sa rozdeľuje korpuskulárne žiarenie na:
a)  ľahké - negatróny, pozitróny,
b)  stredné - protóny, neutróny, deuteróny, alfa-častice,
c)  ťažké - urýchlené ióny a štiepne jadrové trosky

Elektromagnetické žiarenie je zastúpené gama-žiarením.  Spoločným znakom všetkých druhov žiarenia je vysoká energia, preto ich súhrnné označenie je žiarenie s veľkou energiou.

Z vysokého obsahu energie žiarenia vyplýva špecifická forma pôsobenia na prostredie ktorým prechádza. Podobne ako jadrové žiarenie pôsobí na prostredie aj röntgenové žiarenie, ktoré však nemá pôvod v atómovom jadre, ale v elektrónovom obale atómu. Charakterom je však elektromagnetické žiarenie. Na základe rovnakého kvalitatívneho pôsobenia na prostredie jadrové žiarenie a röntgenové žiarenie sa označujú spoločným názvom ionizujúce žiarenie. Ionizujúca schopnosť žiarenia môže byť pritom prejavom jeho priameho, ale aj nepriameho pôsobenia na prostredie.

2.5.1 Alfa – žiarenie
Ťažké atómové jadrá ( A > 170 ) sú nestále a emitujú častice alfa. Alfa častica je vlastne atómové jadro hélia, má teda dva kladné náboje. Skladá sa z dvoch protónov a dvoch neutrónov. Alfa-žiarenie sa odchyľuje v silnom elektrickom a magnetickom poli.
  Dĺžka dráhy alfa - častice v určitom prostredí závisí okrem kvality a fyzikálneho stavu prostredia aj od energie, nazýva sa dosah žiarenia a pohybuje sa od 1 cm do 10 cm. Alfa žiarenie má veľkú ionizačnú schopnosť.

2.5.2 Beta – žiarenie
Beta-rádioaktívna premena je charakterizovaná emisiou negatrónu alebo pozitrónu z atómového jadra, prípadne zachytením elektrónu jadrom v spojitosti so stabilizáciou nuklidu. Atómové jadro je nestále a jeho beta-premena nastáva vtedy, keď je relatívny nadbytok neutrónov, čiže nedostatok kladného náboja v jadre, alebo relatívny nadbytok protónov, teda nadbytok kladného náboja jadra. Jadro môže dosiahnúť vyšší stupeň stability vnútorným preskupením svojich nukleónov. Preskupenie sa môže približne vysvetliť vzájomnou premenou nukleónov - prechodom neutrónového stavu na protónový stav:
  negatrónová premena: n ¾> p + e-
alebo naopak
  pozitrónová premena  p ¾> n + e+
Vzájomná vnútrojadrová nukleónová premena má ešte jeden variant:
  zachytenie elektrónu p + e- ¾> n
  V tomto prípade jadro, ktoré má relatívny nadbytok protónov, zachytí elektrón z elektrónového obalu vlastného atómu. Pohybuje sa takmer rýchlosťou svetla. Má nižšiu ionizačnú energiu ako žiarenie alfa, častice sa vyznačujú doletom:
-niekoľko decimetrov (podľa energie), vo vzduchu
-niekoľko milimetrov v  tkanive
-zastavuje ich tenká kovová vrstva
Pre živý organizmus je nebezpečné pri vnútornej kontaminácii a pri ožiarení pokožky.

2.5.3 Gama – žiarenie
Keď nuklid emituje alfa alebo beta časticu, nemusí sa sústava nukleónov v nuklide dostať do základného energetického stavu, teda do stavu s najnižšou potenciálnou energiou. Pomerne časté sú prípady, že zvyškový nuklid je vo vyššom energetickom stave, ako zodpovedá základnému stavu. Nuklid je teda v excitovanom stave. Atómové jadro sa zbavuje zvyšku energie vyslaním elektromagnetického žiarenia, ktorého energia zodpovedá práve rozdielu dvoch energetických hladín. Energetické kvanta tohto elektromagnetického žiarenia sa nazývajú gama-fotóny a žiarenia gama-žiarenie.

Priemerná životnosť excitovaného stavu atómového jadra býva extrémne krátka ( asi 10-13 až 10-14 s), preto sa gama-fotón vyžiari takmer súčasne s jeho alfa alebo beta-premenou. V určitých prípadoch však môže byť životnosť excitovaného jadra aj relatívne dlhá. V elektrickom poli sa žiarenie gama nevychyľuje a môže prenikať v závislosti od svojej energie aj niekoľko dm hrubými kovovými platňami. Na jeho zachytenie sú najvhodnejšie ťažké kovy (Pb) a tiež betón.
 
2.6 Radiačné veličiny a jednotky
Základná veličina, ktorá sa používa v jadrových chemických vedách je aktivita, vyjadrujúca podiel stredného počtu rádioaktívnych premien a časového intervalu. Jednotkou je počet jadrových rozpadov za sekundu ( s-1) a nazýva sa Becquerel ( Bq).  Používa sa v rôznych variáciách v závislosti od posudzovania aktivity od hmotnosti latky (Merná aktivita – Bq.kg-1), objemu latky (Objemová aktivita – Bq.m-3 ), plochy (Plošná aktivita – Bq.m-2) a pod. Aktivita rádionuklidu A(t) klesá s časom t podľa exponencialného zákona:
 
a veličina ln2/ λ sa nazýva čas polpremeny T1/2 rádioaktívneho nuklidu
Základnou jednotkou popísujúcou účinok žiarenia je dávka D. Ide o množstvo energie odovzdané jednotke hmotnosti. Jednotkou dávky je Gray [Gy].
Vzhľadom na to, že alfa, beta, gama žiarenie a neutróny majú pri rovnakej dávke rozličné účinky, bola zavedená veličina upravujúca túto nezrovnalosť - dávkový ekvivalent H. Jeho jednotkou je Sievert [Sv]. Dávkový ekvivalent je súčin dávky a akostných faktorov žiarenia.  Pre jeho vzťah platí:
H = D .Q .N [Sv]
kde:
 D - obdržaná dávka
 Q - faktor kvality žiarenia
 N - faktor ďalších vplyvov, ktorý sa v súčasnej dobe považuje za rovný 1 (N = 1).

Pre presnejšie vyjadrenie účinku žiarenia na človeka sa zaviedla veličina efektívny dávkový ekvivalent Hef, ktorá zrovnáva hodnotenie citlivosti jednotlivých orgánov a tkanív voči žiareniu na jednu úroveň. Jeho jednotkou je tiež Sievert [Sv]. Možno ho vyjadriť nasledovne:
Hef = H .wT [Sv]
kde wT je tkanivový váhový faktor.

Pre prácu v prostredí ionizujúceho žiarenia sú dôležité údaje o intenzite žiarenia. Preto boli zavedené veličiny dávkový príkon  a príkon dávkového ekvivalentu . Dávkový príkon je radiačná energia pohltená v objemovom elemente ožiarenej sústavy o určitej hmotnosti za jednotku času. V praxi je používanou jednotkou  Gray/sekunda (Gy.s-1). Jednotkou príkonu dávkového ekvivalentu je Sievert/sekunda (Sv.s-1).  V praxi sa používajú aj odvodené jednotky [Gy.h-1], [mGy.h-1], [µGy.h-1], [Sv.h-1], [mSv.h-1], [µSv.h-1]. Keďže Becquerel je veľmi malá jednotka a Gray a Sievert je veľmi veľká, v praxi sa používajú násobky a diely týchto jednotiek ktoré sa tvoria pomocou normalizovaných predpôn.