Čo je rádioaktivita?

Práve teraz sa v horninách pod tvojimi nohami, vo vzduchu, ktorý dýchaš, a dokonca aj v tvojom vlastnom tele menia niektoré atómy. V tele dospelého človeka sa každú sekundu zmenia tisíce atómov na atómy iných prvkov. Nevidíš to ani to necítiš a je to úplne prirodzené. Tomu hovoríme rádioaktivita.

Jadrá, ktoré nemôžu zostať rovnaké

Každý atóm má jadro z protónov a neutrónov. Vo väčšine atómov zostáva jadro navždy rovnaké. Hovoríme, že je stabilné.

Niektoré jadrá však majú nevyváženú zmes protónov a neutrónov a sú nestabilné. Skôr či neskôr sa také jadro samo od seba zmení. Pri tom vystrelí drobnú čiastočku alebo záblesk energie. To, čo z neho vyletí, sa volá žiarenie, a atóm, ktorý to robí, je rádioaktívny.

Často sa atóm zmení na iný prvok! Keď sa napríklad zmení jadro atómu uhlíka-14, z atómu sa stane dusík. Uhlík-14 je jeden z rádioaktívnych izotopov: verzia uhlíka s neutrónmi navyše.

Tri druhy žiarenia

Žiarenie má tri hlavné druhy, pomenované podľa prvých troch písmen gréckej abecedy:

Žiarenie alfa je zhluk 2 protónov a 2 neutrónov, ktorý vyletí z jadra. Zastaví ho list papiera a aj vrchná vrstva tvojej kože. Vo vnútri tela je však nebezpečné, keď človek vdýchne alebo prehltne niečo, čo ho vysiela. Preto si dávame pozor na radón, rádioaktívny plyn zo zeme.
Žiarenie beta je rýchly elektrón, ktorý vyletí z jadra. Doletí ďalej, ale zastaví ho tenký hliníkový plech.
Žiarenie gama je záblesk energie, ako veľmi silné svetlo, ktoré nevidíme. Prejde väčšinou vecí a väčšinu z neho zastaví až hrubé olovo alebo betón.

Žiadne z nich nevidíš, nepočuješ, nezacítiš čuchom ani na koži. Na hľadanie žiarenia používajú vedci špeciálne prístroje. Napríklad Geigerov počítač cvakne zakaždým, keď zachytí kúsok žiarenia.

Žiarenie alfa zastaví papier, žiarenie beta tenký plech a žiarenie gama až hrubé olovo alebo betón.

Polčas rozpadu: čakanie na polovicu

Nikto nevie povedať, kedy sa zmení jedno konkrétne jadro. Môže sa to stať v nasledujúcej sekunde alebo o milión rokov.

Keď je však jadier veľa, stane sa niečo úžasné. Dá sa veľmi presne predpovedať, ako dlho trvá, kým sa zmení polovica z nich. Tomuto času hovoríme polčas rozpadu.

Po jednom polčase rozpadu zostane polovica rádioaktívnych atómov. Po dvoch polčasoch zostane štvrtina a po troch osmina. Množstvo sa stále delí na polovicu, znova a znova.

Tých istých 16 rádioaktívnych atómov znova a znova. Po každom polčase rozpadu sa polovica z tých, čo zostali, zmení na iný prvok. Nikto nevie povedať, ktoré sa zmenia ako ďalšie.

Každý rádioaktívny izotop má svoj vlastný polčas rozpadu:

Izotop	Polčas rozpadu
technécium-99m (používa sa v nemocniciach)	asi 6 hodín
radón-222 (plyn z hornín)	asi 4 dni
trícium (druh vodíka)	asi 12 rokov
uhlík-14	asi 5 700 rokov
urán-238	asi 4,5 miliardy rokov

Polčas rozpadu uránu-238 je asi taký dlhý, ako dlho existuje Zem. Približne polovica uránu-238, ktorý mala mladá Zem, je tu preto stále.

Vyskúšaj to: hra s mincami

Rádioaktivitu si môžeš zahrať s mincami. Nazbieraj asi 30 mincí. Každá minca je jeden rádioaktívny atóm.

Hoď všetky mince na stôl.
Odlož každú mincu, ktorá padla číslom nahor. Tieto atómy sa zmenili.
Spočítaj mince, ktoré zostali, a znova ich hoď.

Každý hod je jeden polčas rozpadu. Po každom hode zostane asi polovica mincí. Nevieš povedať, ktorá minca vypadne ako ďalšia, ale vieš približne povedať, koľko ich zostane.

Rádioaktivita je všade okolo nás

Rádioaktivita nie je len v laboratóriách. Je prirodzenou súčasťou sveta:

Horniny a pôda obsahujú malé množstvá rádioaktívneho uránu, tória a draslíka.
Radón je rádioaktívny plyn, ktorý uniká zo zeme. Môže sa hromadiť v pivniciach a v zatvorených miestnostiach, kde ho dýchame, a preto je dobré ich často vetrať.
Žiarenie z vesmíru, ktorému hovoríme kozmické žiarenie, k nám dopadá neustále. Vysoko v horách a v lietadlách ho je viac.
Jedlo obsahuje tiež trochu rádioaktivity. Známe sú tým banány: majú veľa draslíka a nepatrná časť všetkého draslíka je rádioaktívny draslík-40.
Tvoje telo obsahuje draslík-40 aj uhlík-14.

Život na Zemi s týmto prirodzeným žiarením žije odjakživa. Jeho množstvá sú malé a tvoje telo si s nimi poradí.

Ako nám rádioaktivita pomáha?

Medicína. Lekári používajú rádioaktívne izotopy, aby videli do tela a našli choroby. Silné, presne namierené žiarenie dokáže aj zničiť rakovinové bunky.
Detektory dymu. Mnohé detektory dymu obsahujú zrniečko rádioaktívneho amerícia. Jeho žiarenie zmení časť vzduchu vo vnútri na ióny, takže môže tiecť maličký elektrický prúd. Dym tento prúd naruší a detektor spustí poplach.
Určovanie veku. Rádioaktívne izotopy prezradia, aké staré sú kosti, drevo a horniny.
Elektrina. Jadrové elektrárne štiepia jadrá uránu, rádioaktívneho prvku, a pri tom sa uvoľňuje veľa tepla. Teplo premení vodu na paru a para poháňa generátory. Napríklad Slovensko takto vyrába viac ako polovicu svojej elektriny.
Vesmír. Niektoré vesmírne sondy a vozidlá na Marse si vyrábajú elektrinu z tepla rádioaktívneho plutónia, ďaleko od Slnka.

Marie Curie a záhadné lúče

V roku 1896 zistil francúzsky vedec Henri Becquerel, že urán vysiela neviditeľné lúče. Dokázali sčerniť fotografické dosky, dokonca cez čierny papier a v úplnej tme.

Mladá vedkyňa v Paríži, Marie Curie-Sklodowska, chcela vedieť viac. Tieto lúče veľmi starostlivo merala. Spolu so svojím manželom Pierrom nazvala tento jav rádioaktivitou.

V roku 1898 objavili dva nové rádioaktívne prvky. Prvý pomenovala polónium podľa Poľska, krajiny, v ktorej sa narodila. Druhý bol rádium, ktoré v tme slabo svieti.

Marie Curie bola úplne prvou ženou, ktorá dostala Nobelovu cenu, a neskôr dostala ešte druhú. Dodnes je jediným človekom s Nobelovými cenami z dvoch rôznych vied: z fyziky a z chémie.

V tých časoch ešte nikto nevedel, aké nebezpečné môže byť silné žiarenie. Marie Curie nosila skúmavky s rádioaktívnymi látkami vo vreckách a mala ich v zásuvke stola. Zomrela v roku 1934 na chorobu, ktorú najpravdepodobnejšie spôsobilo žiarenie. Jej zápisníky sú dodnes také rádioaktívne, že sú uložené v krabiciach vyložených olovom.

Ako zostať v bezpečí

Malé množstvá prirodzeného žiarenia všade okolo nás patria k bežnému životu. Silné žiarenie však dokáže poškodiť drobné bunky, z ktorých je postavené tvoje telo. Preto sú miesta a nádoby so silným rádioaktívnym materiálom označené výstražnou značkou.

Výstražná značka žiarenia: tri tmavé lopatky okolo bodky na žltom podklade. Môže byť na trojuholníku, na štvorci aj na okrúhlom štítku.

Poďme hlbšie: Matematika polčasu rozpadu pre dospelých a extra zvedavých

Ak má vzorka na začiatku $N_0$ rádioaktívnych jadier, po čase $t$ ich zostane

N = N_0 \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^{t/T}

$N$ je počet jadier, ktoré ešte zostali, a $N_0$ je ich počet na začiatku.
$t$ je čas, ktorý uplynul, a $T$ je polčas rozpadu v rovnakej jednotke času.

Príklad: rádium na zápisníkoch Marie Curie má polčas rozpadu asi 1 600 rokov. Po 100 rokoch je $\left(\tfrac{1}{2}\right)^{100/1600} \doteq 0{,}96$ , takže tam stále zostáva asi 96 %.

Počet rozpadov za sekundu sa volá aktivita a meria sa v becquereloch (Bq): jeden becquerel je jeden rozpad za sekundu. Aktivita je úmerná počtu jadier: $A = \lambda \cdot N$ , kde premenová konštanta je $\lambda = \frac{\ln 2}{T}$ . Žiadne jadro „nestarne“: nestabilné jadro, ktoré už čakalo milión rokov, sa v nasledujúcej sekunde nerozpadne s väčšou pravdepodobnosťou ako úplne nové. Tu sa končí aj podobnosť s vratkou vežou a s mincami: jadro nepotrebuje žiadne postrčenie ani hod.

Poďme hlbšie: Druhy rozpadu presnejšie pre dospelých a extra zvedavých

Rozpad alfa: jadro vyhodí jadro hélia-4. Jeho protónové číslo klesne o 2 a nukleónové o 4. Takto sa urán-238 mení na tórium-234.
Rozpad beta mínus: neutrón sa zmení na protón a jadro vyhodí novovzniknutý elektrón a antineutríno. Protónové číslo stúpne o 1: uhlík-14 sa zmení na dusík-14.
Rozpad beta plus a záchyt elektrónu: protón sa zmení na neutrón. Jadro buď vyhodí pozitrón, antičasticu elektrónu, alebo pohltí jeden z vlastných elektrónov atómu. Protónové číslo klesne o 1. Vyšetrenia PET v nemocniciach využívajú žiarič beta plus, fluór-18.
Rozpad gama: jadro s energiou navyše sa upokojí tak, že vyšle žiarenie gama, fotón s veľmi vysokou energiou. Zostane tým istým prvkom.

Pri jadrových premenách ide o obrovské energie: často milióny elektrónvoltov na jedno jadro, kým pri chemickej reakcii ide len o niekoľko elektrónvoltov na atóm. Rozštiepenie jedného jadra uránu-235 v reaktore uvoľní asi 200 miliónov elektrónvoltov. Preto trochu jadrového paliva dá toľko tepla.

Poďme hlbšie: Dávky: koľko je priveľa? pre dospelých a extra zvedavých

Účinok žiarenia na telo sa meria v sievertoch (Sv). Jeden sievert je veľa, a preto sa bežné dávky udávajú v milisievertoch (mSv, tisícinách) alebo v mikrosievertoch (µSv, milióntinách).

Prirodzené žiarenie dá ľuďom v priemere asi 2,4 mSv za rok, zvyčajne 1 až 10 mSv podľa toho, kde bývajú. Asi polovica tohto priemeru pochádza z radónu, ktorého množstvo sa od domu k domu veľmi líši.
Zjedený banán dá zhruba 0,1 µSv. Aj to je nadsadené: telo si udržiava stály obsah draslíka, a tak draslík navyše z jedla čoskoro opäť odíde.
CT vyšetrenie hrudníka dá niekoľko milisievertov. Lekári ho predpisujú vtedy, keď prínos stojí za to.
Chorobu z ožiarenia spôsobí len veľmi veľká dávka, ktorú celé telo dostane v krátkom čase, zvyčajne v priebehu minút. Treba na to viac ako asi 700 mSv, hoci mierne príznaky sa môžu objaviť už od asi 300 mSv.

Poďme hlbšie: Prečo pribudla druhá výstražná značka pre dospelých a extra zvedavých

Značku s tromi lopatkami prvýkrát načrtli v roku 1946 v radiačnom laboratóriu Kalifornskej univerzity v Berkeley. Stala sa medzinárodnou normou ISO 361, čiernou alebo purpurovou na žltom podklade. Prieskumy však ukázali, že ľudia bez odborného vzdelania jej význam väčšinou nepoznajú.

Preto v roku 2007 pridali IAEA a ISO druhú značku pre najnebezpečnejšie zdroje: červený trojuholník s vlnami žiarenia, lebkou a utekajúcim človekom. Umiestňuje sa na tú časť stroja, v ktorej je zdroj, aby ju uvidel každý, kto by stroj rozoberal. Jedným z dôvodov boli nehody ako tá v brazílskom meste Goiânia v roku 1987. Zberači šrotu odniesli kovovú kapsulu z opusteného nemocničného prístroja a neskôr ju niekto otvoril. Svietiaci prášok vo vnútri obsahoval rádioaktívne cézium-137. Štyria ľudia zomreli a 249 bolo kontaminovaných.

Over sa

Vzorka rádioaktívnych atómov má polčas rozpadu 1 deň. Aká časť z nej zostane po 2 dňoch?

Ukáž odpoveď

Štvrtina – Po 1 dni zostane polovica. Po ďalšom dni zostane polovica z tej polovice: štvrtina.