JADERNÁ CHEMIE 1 ÚVOD (vznik a vývoj jaderné chemie) radiochemie

Transkript

1 JDRÁ CHI ÚVOD vznik a vývoj jadrné chmi Objv radioakiviy hromadění nových poznaků, mzi nimi i mnoho chmických: změna chmické povahy lák při radioakivní přměně, nové prvky, chmické účinky zářní aj. Souhrn chmických poznaků radiochmi Camron 9, Soddy 9 posupně: - chmické účinky radioakivního zářní - chmi radioakivních prvků. kniha Radiochmisry Camron 9 - pracovní modika Panh 98 - zvlášnosi chování sopových kvan radionuklidů Sarik 959 Osnovy radiochimii Dfinic: Obor, krý vznikl spojním nauky o radioakiviě a chmi využívající chmických poznaků pro sudium radioakiviy a naopak radioakivních lák k výzkumům chmickým.

2 Rozvoj nauky o aomovém jádru 9-97 vdl k poznání jadrné podsay radioakiviy, jadrných rakcí a jjich chmických projvů a důsldků. V. lch začák používání pojmu jadrná chmi. 97. prof. jadrné chmi F. Jolio v Paříži, 95. kniha o jadrné chmii Williams Principls of uclar Chmisry. Vzah chmi a jádra chmi s obcně ýká obalové sféry aomu, krá j ovšm závislá na vlasnosch jádra. Chmické vazby a procsy prakicky novlivňují jádro aomu, změny jádra s však projvují chmickými změnami. S výjimkou dlouhodobých přirozných radionuklidů bylo yo změny možno dřív sudova jn fyzikálními modami sopováním malého poču radioakivních aomů při chmických rakcích. Tprv v roc 94 bylo možno čisě chmicky zkouma uměl připravný radioakivní prvk pluonium g PuO. Jadrná chmi s dy zabývá chmickými projvy změn jádra avšak nomzuj s na ně.

3 Dfinic: V.ajr - Vědní obor, krý s zabývá vlasnosmi hmoy a jvy chmické a fyzikálně chmické povahy, jjichž původcm j nbo na nichž s podílí jádro aomu a jho přměny a krý využívá vlasnosí jádra a jho projvů k sudiu a řšní chmických problémů. G.T.Saborg Vědní obor, zabývající s chmickými sránkami sudia a použií jadrných rakcí, výzkumy radiochmickými a aplikací radioakivních izoopů a nuklárních mod k obcnému sudiu chmických problémů..r.johnson Použií chmických idí a chnik v výzkumu, jhož hlavním cílm j proniknou do jadrných procsů. Přiom radiochmi zahrnuj použií radioakivních lák při řšní chmických problémů. Vzah jadrná chmi radiochmi: njdnoné názory radiochmi součás jadrné chmi přvažuj nbo čásčné přkrývání

4 Jadrné obory nuklonika: jadrná fyzika, j. chmi, j. chnologi, j. nrgika, nuklární mdicina čásčné přkrývání v chmii součás fyzikální chmi 4

5 Třídění součási jadrné chmi : podržným čásm j věnována zvlášní přdnáška Obcná jadrná chmi - jadrná individua - jadrné rakc popis, mchanismus, kinika, nrgika, výěžky - přirozná a umělá radioakivia - rakc čásic vysoké nrgi - jadrné šěpní a fúz - chmické projvy jadrných přměn nascnní aomy, radiační chmi - chmi radioakivních prvků - chmi izoopů - chmi sop vlmi nízkých koncnrací radioakivních lák 5

6 Pracovní mody a chniky jadrné chmi - akivační chniky - sparac radionuklidů - sparac izoopů - příprava výroba radionuklidů - znační organických sloučnin - analýza sanovní radionuklidů Užiá jadrná chmi - radioanalyické mody - použií radionuklidů - aplikovaná radiační chmi Další discipliny souvisjící s jadrnou chmií Radiační chmi njadrného zářní, Radiokologi, Tchnologi jadrných mariálů, Radiofarmaka 6

7 VYBRÁ LITRTUR K JDRÉ CHII V.ajr a kol.: Základy jadrné chmi..vyd. STL, Praha 96,.vyd. STL, Praha 98. V.ajr a kol.: Základy užié jadrné chmi. STL, Praha 985. Š.Varga, J.Tolgyssy: Rádiochémia a radiačná chémia. lfa, Braislava 976. O.avráil a kol.: Jadrná chmi. cadmia, Praha 985. J. Hála : Radioakivia, ionizující zářní, jadrná nrgi. Konvoj, Brno 998.C.Wahl,..Bonnr: Radioaciviy pplid o Chmisry. John Wily, w York 95..Haissinski: La Chimi ucléair ss pplicaions. asson, Paris 957. I..Sarik: Osnovy radiochimii..vyd. Izdalsvo SSSR, oskva 959,.vyd. auka, Lningrad 969 7

8 G.R.Choppin, J.Rydbrg: uclar Chmisry, Thory and pplicaions. Prgamon Prss, Oxford vydání: G.R. Choppin, J-O. Liljnzin, J. Rydbrg, Radiochmisry and uclar Chmisry, Burwor-Hinmann, 995, a - hp://jol.liljnzin.s/book.ht K.H.Lisr: infϋhrung in dr Krnchmi. Vrlag Chmi, 98. G.Fridlandr al.: uclar and Radiochmisry. w York 98..Vrs, I.Kiss: uclar Chmisry. kadémiai Kiadó, Budaps 987. O.avráil a kol.: uclar Chmisry. llis-horwood, Chichsr 99. J.P.dloff, R.Guillaumon: Fundamnals of Radio-chmisry. CRC Prss, Boca Raon 99..Vrs al. ds.: Handbook of uclar Chmisry. Kluwr,. W.D.Lovland al.: odrn uclar Chmisry. Wily, 6. J.-V. Kraz, K.H. Lisr: uclar and Radiochmisry: Fundamnals and pplicaions, rd diion, F. Rösch, d.: uclar- and Radiochmisry, Vol. : Inroducion, 4, ISB ; Vol. odrn pplicaions, 5 hp:// hp.ujf.cas.cz/~ wagnr základy subaomové fyziky 8

9 Hisorický vývoj názorů JDRÁ IDIVIDU jádra, nuklidy, čásic om v sarověku hypoéza Lukippos, Dmokrios, 5. sol. př.n.l., povrzná vývojm chmi. Složný charakr aomu priodicia vlasnosí prvků přisuzována prifrii aomu, npriodické vlasnosi nárůs hmonosi aj. cnrální oblasi aomu. Obal aomu z lkronů uvolňovány ploou, lkr. polm, fool. jvm. Obal záporný, cnrum kladné. Přímý důkaz kladného náboj 9 Ruhrford. Dělilnos aomu prokázána po objvu radioakiviy. Přispěl k omu i objv izoopi 9 Soddy aomy éhož prvku mohou mí různou hmonos. 9

10 JÁDRO TOU j dělilné, uvolňuj jadrné složky alfa čásic a lkrony 9 Ruhrford a Soddy součásí jádra j proon 99.umělá ransmuac Ruhrford + alfa O + proon v jádř jsou i lkrony vysílány z jádra, kd kompnsují čás náboj proonů 4 v jádř proony a nurony přdpověděl Ruhrford oricky 9, xisnc nuronu xprimnálně zjišěna 9-, prokázána Chadwickm 9 Proony p a nurony n jsou nuklony, jjich počy a poměr určují vlasnosi jádra, j. náboj, hmonos, rozměr a sabiliu. V jádř jsou vázány mimořádně vlkými jadrnými silami.

11 Základní charakrisika a symbolika jádra Jádro j charakrizováno počm proonů Z aomové nbo proonové číslo a clkovým počm nuklonů hmonosní nbo nuklonové číslo. Tao čísla s uvádějí jako indxy přd chmický symbol prvku: Z = -9-8 Z X = -96 asabilní sav jádra s označuj indxm m za m. Časo s Z vynchává, proož j dáno symbolm prvku, například v chmických vzorcích: 4 acl, KH PO 4 4 a 5 SO 4 = síran [ 5 S] sodný [ 4 a]. V xu s časo píš i hmonosní číslo za symbol prvku: a-4 ěkrá jádra a aomy mají spciální symboliku p, D, d, T,, α. Další používané charakrisiky jádra jsou nuronové číslo poč nuronů = Z 57 izoopové číslo nadbyk nuronů I = Z - 58

12 Vzahy mzi jádry a názvosloví Symbolika jádra plně charakrizuj i příslušný aom. Druh aomů s sjným Z i s nazývá UKLID. Druh aomů s sjným Z j prvk. Radioakivní nuklidy s nazývají RDIOUKLIDY. Různá jádra nuklidy nbo aomy mohou bý IZOTOPY Z sjné, různé 6,7,8 O, H, D, T IZOBRY Z různé, sjné Kr, 7Rb, 8Sr, 9Y ZRCDLOVÁ JÁDR Z I = II, I = Z II Z.J..řádu : I I = -, I II = + liché I = H STÍĚÁ JÁDR : H 7 6C 6 * S ST r ST 6 6 Cl IZOTOY sjné = Z, a, g IZODIFRY sjné I = - Z H, 4 H, 6 Li, B IZORY sjné Z i, různý nrgický sav 99 Tc, 99m Tc

13 Diagramy aomových jadr Izoony Izoopy Izobary

14 Vlasnosi jádra ÁBOJ - dán počm proonů = Z. =,6. -9 C HOTOST - závisí na poču nuklonů: m j = Z m p + m n m m j hmonosní úbyk, kvivalnní vazbné nrgii jádra. ůž bý vyjádřn i pomocí hmonosi aomu = Z H + m n m nboť vazbné nrgi lkronů lz zandba. Vyjadřování: absoluní pomocí aomové jdnoky hmonosi u m u u = C / =, kg rlaivní aomová váha násobkm / hmonosi aomu C u a a i i r = nbo r pro polyizoopní prvk. C n i Láková množsví radionuklidů s vyjadřují sjně jak j v chmii běžné p r 4

15 ROZĚR jádra na základě přdsavy o kulovém varu jádra: objm jádra j úměrný poču nuklonů V = 4/ π r = k r = k r 4 r j poloměr nuklonu,,,5. -5 m, podl způsobu sanovní poloměru jádra na základě silových inrakcí při osřlování jádra čásicmi α, p, n. Podl oho lz rozliši poloměr jádra lkrosaický r nbo nuronový r j. Průběh silových inrakcí s vzdálnosí od sřdu jádra x c lkrosaické coulombické odpuzování j jadrné přiažlivé síly. 5

16 Husoa jadrné hmoy : m j ~ a = r.u ~.u ρ = m j V 4 u.. r. u 4. r 4,66.,4,5. mm = 6. Hranic jádra j nosrá, husoa klsá k prifrii. 4 g,6. cm 4 g / cm Tvar - kulový až roační lipsoid Důlžiou vlasnosí jádra jsou jho sabilia a nrgický sav. Jádra a nuklidy podl sabiliy dělím na sabilní a radioakivní. Sabilní jádra jsou v základním nrgickém savu a schopné rvalé xisnc Radioakivní jádra mohou bý buď v základním nrgickém savu, al časm s samovolně mění v jiné jádro labilní jádra nbo v vzbuzném savu a dxciují s gama zářním masabilní jádra izomry m -x. Tao dxciac musí probíha s měřilnou rychlosí poločas > -9 s, jádra s rychljší dxciací njsou považována za izomry. 6

17 Vzbuzný nrgický sav jádra j výsldkm samovolné přměny jádra nbo binuklární jadrné rakc označované X x,y Y. J kvanován nrgické hladiny jádra vázané dxciac gama nbo viruální dxciac vysláním čásic, musí přvyšova vazbnou nrgii vysílané čásic v jádru Šířka hladiny Г j určna podl Hisnbrgova principu nurčiosi vzahm Г = h/ kd j sřdní doba rvání xciovaného savu. Dxciac j věšinou okamžiá j. za méně nž -9 s s výjimkou izomrů, kré s dxciují gama z njnižších hladin. Význam hladinová schémaa jadrných přměn 7

18 Kvanově a vlnově mchanické vlasnosi jádra omn hybnosi - vkorový souč hybnosí nuklonů v jádru. J charakrizován jadrným spinovým kvanovým číslm J hodnoy, /,/, 9/, závisí na Z, a nrgickém savu jádra. Jádra s nízkou hodnoou J jsou sabilnější. agnický a lkrický momn vyplývají z náboj jádra a jho varu, mají význam v jadrné spkroskopii. Saisika charakrizac kvanového savu jádra i mnších čásic. Frmi-Diracova frmiony každý spcifikovaný kvanový sav v daném clku můž bý obsazn jn jdnou niou Pauliho princip výlučnosi všchny čásic, jádra s lichým Bos-insinova bosony Pauliho princip nplaí foony, mzon, jádra s sudým Paria sudá a lichá, význam pro vlnově mchanický popis chování jadr a čásic 8

19 Vzah mzi sabiliou a složním jádra Sabilia podmíněna xisncí přiažlivých jadrných sil, kompnsujících vzájmné odpuzování proonů. Vlasnosi: mimořádně mohuné, krákého dosahu fm, vyznačují s synosí nxisnc jádra s =5. Povaha: nní dosud dokonal objasněna, přdpokládají s výměnné inrakc nuklonů prosřdnicvím msonů. Sabilia jadr j obcně charakrizována výskym sabilních a radioakivních jadr nuklidů a poločasm T samovolné přměny jadr. Závisí na složní a vazbné nrgii jádra, kré vzájmně souvisjí. Každý radionuklid j charakrizován ypm jho přměny viz dál, poločasm přměny, ypm a nrgií vysílaného zářní. Pro přhldnou prznaci výskyu a vlasnosí jadr a nuklidů jsou ssavovány dvourozměrné diagramy, v nichž jsou nuklidy sřazny podl Z, nbo. Vlasnosi nuklidů jsou v nich znázorněny graficky nbo uvdny číslnou formou. Příkladm j Karlsruh uklidkar. 9

20 Zobrazní výskyu známých nuklidů v diagramu = fz vymzuj pouz úzkou oblas kolm poměru /Z, krý j při nízkých hodnoách Z blízký jdné a s růsm Z ros až do,6. Přiom vlká čás éo oblasi odpovídá výskyu labilních radioakivních jadr, sabilní jádra zaujímají jn sřd éo oblasi. Průběh éo závislosi lz popsa na základě kapkového modlu jádra výpočm z Wizsäckrovy rovnic viz dál /Z = +,6 /

21 Sabilia jadr závisí na om, zda jjich Z a jsou sudé nbo liché souvisí s synosí jadrných sil a s hodnoou spinového kvanového čísla J : jádra sudo-sudá s-s mají Z i sudé a J= jádra sudo-lichá s-l mají Z sudé, liché a J=n/ jádra licho-sudá l-s mají Z liché, sudé a J=n/ jádra licho-lichá l-l mají Z liché, liché a J= -7 Poč sabilních jadr n závisí na ypu jádra : Typ n s-s s 75 s-l l 55 l-s l 5 l-l s 4

22 Pravidla výskyu sabilních jadr. Jádra s sudým Z přvládají. Pro každé sudé Z přvládají izoopy s sudým.. Jádra s sudým jsou s-s kromě 4 l-l : 6 4 Li 5 B 7. Jádra s lichým Z jsou přvážně monoizoopní nbo mají njvýš sabilní izoopy, jjichž j vždy liché kromě 4 jadr a liší s o. 4. Každé liché j zasoupno jn jdním sabilním jádrm. yp jádra poč sab.nuklidů poč případů liché s-l, l-s 5 sudé l-l 4 sudé s-s 8 sudé s-s 5. Izobarické pravidlo aauch: z dvou sousdních izobarů j vždy jdn nsabilní, j. njsou sabilní izobary s Z lišícím s o. H

23 onoizoopní prvky Z Symbol Z Symbol 4 9 B 4 9 b 9 9 F 45 Rh a 5 7 I 7 l 55 Cs 5 P 59 4 Pr * 45 Sc Tb * 5 55 n Ho * 7 59 Co Tm * 75 s u 9 89 Y 8 9 Bi *

24 Vliv sabiliy jádra s odráží i na zasoupní prvků na Zmi: víc nž 9% hmonosi Změ voří 6 prvků s sudým Z: 6F 9,8% 8O 7,7% 4Si 4,5% g 8,7% 8i,% Ca,5%. Sabilní jádra s někrými hodnoami Z a s vyskyují v vyšším poču víc izoopů pro dané Z a izoonů pro dané nbo s vyznačují vyšší vazbnou nrgií magická čísla:, 8,, 8, 5 navíc 8, 6 pro Vysvělní všch ěcho skučnosí modly jádra, výpoč vazbné nrgi jádra: kapkový modl Bohr 96, výpoč podl Wizsäckrovy rovnic slupkový modl 949, víc auorů a další 4

25 Souvislos sabiliy jádra s jho vazbnou nrgií Vazbná nrgi v B = m j. c. nrgický kvivaln jdné aomové hmonosní jdnoky u j 9.5 V. Pro vyjádřní míry sabiliy jádra s používá vazbná nrgi vzažná na jdn nuklon, v / V v / pro Z 4 H j 7,7 V, Z jn,6 V, Z D jn, V, Z 6 Li jn 5, V 5

26 Wizsäckrova rovnic a význam jjích člnů v a v a p / a c Z Z / a s Z a. Objmová výměnná nrgi; a v =4,. Povrchová nrgi nuklony u povrchu jádra vázány slaběji; a p =,. Korkc na vzájmné coulombovské odpuzování p + v jádru; a c =, nrgi symri nadbyčné n mají nižší průměrnou vazbnou nrgii; a s = 8, 5. Párovací nrgi vysihuj nspojios funkc pro v vzrůs při spárování lichých nuklonů a vyjadřuj vlkou sabiliu s-s jadr a = + a malou sálos l-l jadr a = - ; a = pro s-l a l-s jádra Koficiny a x byly získány fiováním xprimnálně sanovných hodno v. 6

27 7

28 v izobarických nuklidů =kons. j kvadraickou funkcí Z: v = x.z y.z + k ± a δ. - kd x, y a k jsou konsany pro dané 8

29 = 4 = 4 v l-l s-s Z Z 9

30 ČÁSTIC Kromě lkronu, proonu, nuronu a čásic alfa jadrná fyzika prokázala xisnci řady dalších čásic, kré však podobně jako p a n věšinou nlz chápa jako lmnární, nboť jsou složny z zv. kvarků. S ěmio čásicmi s v jadrné chmii skávám jn zřídka, proo j zd podán jn jjich sručný přhld. Podl jjich rosoucí hmonosi vyjadřované v poměru k hmonosi lkronu a dalších vlasnosí jsou dělny na lpony, msony a baryony. Kromě foonu gama kvana a msonu má každá čásic svoji aničásici s opačným nábojm nbo označovanou sjným symbolm s ~ nad ním. Lpony frmiony, J = /, lmagnické a slabé inrakc ázv Symbol m/m [s] Foon urino lkronové < -5 sabilní lkron - + sabilní urino mionové - sabilní ion x -6

31 ázv Symbol m/m [s] sony bosony, J =, silné inrakc Pion x -8 Pion 64 x Kaon K + K - 966,x -8 Kaon K 97 Baryony frmiony, J= ½, silné inrakc uklony Proon p 86 sabilní uron n 88 95,7 min Hyprony Hypron,, -, Hypron 7

32 Příklady přměn nsabilních čásic nihilac posironu při zráě jho kinické nrgi inrakcí s lkronm aomového obalu ~ ~ ~ p n ~

33 Individua, nuklidy a prvky v jadrné chmii Pojm směsi a individua v chmii a jadrné chmii s liší: jdnoduché individuum chmi jadrná chmi prvk čásic C, O n, p,,... složné individuum molkula CO nuklid O směs směs lák prvk 6 O+ 7 O+ 8 O 86 sabilních nuklidů, víc nž 6 radioakivních počy s mění s rozvojm vědy.

34 Prvky s Z8 j. nad olovm nmají vůbc sabilní izoopy, 9 Bi původně pokládaný za sabilní j zářič α s xrémně dlouhým poločasm asi 8 r. Z prvků pod olovm nmají sabilní izoopy Tc, Pm, Pr, Tb, Ho, Tm, posldní čyři z nich al mají jdn izoop s xrémně dlouhým poločasm přměny. uklidy s 8Z9 s vyskyují v přírodě jako člny přirozných rozpadových řad, y s Z9 j. nad uranm, ransurany byly připravny uměl jadrnými rakcmi. Podl chmických vlasnosí dělím prvky nad akinim Z=89 na akinoidy, analogy lananoidů do Z=, nad Z= pak ransakinoidy, homology prvků v příslušných skupinách Hf až c. xisnc vyšších ransakinoidů s prv zkoumá, posldní dosud uznaný a pojmnovaný prvk s Z=6 j livrmorium. 4

35 Priodic abl of h lmns H Li a K Rb Cs Fr 4 B g Ca Sr Ba Sc Y La Ra c Ti Zr Hf Rf V b Ta Db IUPC nams Sinc Cr o W n Tc R F Ru Os B C O F l Si P S Cl Co i Cu Zn Ga G s Rh Pd g Cd In Sn Sb Ir P u Hg Tl Pb Bi S Br Sg 7 Bh 8 Hs 9 Ds T Rg Cn Fl I Po 8 H 8 r 6 Kr 54 X 86 Rn Lv Lanhanids cinids 57 La 89 c 58 C Pr d Pm Sm u Gd Tb Dy Ho r Tm Yb Lu Th Pa U p Pu m Cm Bk Cf s Fm d o Lr 5

36 Radioakivia Podsaou j samovolná přměna jádra radionuklidu, spočívající v změně složní nbo nrgi jádra za současného vyslání hmoné čásic a/nbo lkromagnického zářní. Běžně s označuj aké jako jadrný radioakivní rozpad, což j nvhodné zjména pro případ nrgické dxciac jádra vysláním zářní gama. Tao přměna j jdním z dvou druhů jadrných rakcí, bývá označována jako mononuklární jadrná rakc. V užším slova smyslu jsou za jadrné rakc považovány jn rakc vyvolané sřm dvou jadr, nbo působním hmoných čásic nbo lkromagnické nrgi na jádro. Radionuklidy vznikají buď jadrnou rakcí nbo xisují od vzniku Změ zv. primordiální radionuklidy. 6

37 TŘÍDĚÍ JDRÝCH RKCÍ a podl poču ragujících čásic a jadr n: mononuklární n = X Y + y binuklární n = X + x Y + y kd X j rčové jádro, x j sřla. Binuklární rakc s zkrácně zapisují x,y, x,y b podl poču jadr a čásic vycházjících z rakc m 8 U, n 4 Pu ; m = 8 U,5n 7 Pu ; m = 6 Z X ' Y Z ' c podl rakčních ypů: x,x rozpyl na jádř X + x X + x x,y rakc výměnná x, rakc záchyná x,f rakc šěpná od fission X + x Y + Y + mn x,s rakc říšivá od spliing X + x Y + Y +..Y n + my 7

38 Žádná jadrná rakc noprobíhá izolovaně, každá j spojna s doprovodnými procsy. Kromě vlasní přměny jádra procs prakicky okamžiě násldují rakc nového jádra procs B, vyplývající z jho kinické nrgi odražný aom, vysoc vzbuzného savu a zpravidla i z čásčné nbo úplné zráy lkronového obalu nascnní, horký aom. Těcho rakcí s účasní i bzprosřdní okolí jádra, aomu. Další rakc procs C lz očkáva mzi prosřdím rakc a při rakci vyslaným zářním v formě čásic nbo lkromagnického zářní. V éo přdnášc probrm jn procs, procsy B s zabývá Jadrná chmi, procsy C Radiační chmi. 8

39 Základní ypy radioakivních přměn mononuklárních rakcí Z 4 X Y Z Přměna : -/Z- > /Z 4 H Přměna : - + záchy lkronu Z Z Z X X Z Y Z Y ~ X Z Y p n Z n p p n ~ Přměna : okamžiá dxciac vzbuzného jádra s nbo izomrní přchod IP nboli IT > -9 s Hladinová schémaa 9

40 4 nuronová akivia zpožděné nurony 7 4s 7 O * n 6 O 5 proonová akivia 5 Si,s 5 l * p 4 g 6 sponánní šěpní SF 7 klasrová akivia Skundární jvy při Z a γ: Z rngnovo zářní ugrovy lkrony dxciac jádra γ konvrsní lkrony rngnovo zářní ugrovy lkrony 4

41 Posunová pravidla: Soddy a Fajans, 9 pro a - 4

42 Přirozná radioakivia vývoj poznaků 896 Objv Hnri Bcqurl u uranu Bcqurlovo zářní 898 názv radioakivia, objv Po a Ra.Curi-Sklodowska,P.Curi 899 objv c Dbirn rozlišní a zářní podl ionizac Ruhrford 9 zjišění zářní Villard a radioakivní manac plyn 9 zjišění povahy zářní podobné kaodovým paprskům a jádra H, ori dsingrac Ruhrford, Soddy 9-9 zjišění dalších radionuklidů a jjich chmické povahy, jjich ssavní do řad, posunové zákony skupiny radionuklidů sjných chmických vlasnosí, objv izoopi Soddy 98 objvno Pa 95 objvn 5 U 4

43 PŘIROZÉ RDIOKTIVÍ ŘDY 4

44 Uran-radiová řada 4n + 44

45 Thoriová řada 4n 45

46 Uran-akiniová řada 4n + 46

47 manac a radioakivní dposi krákodobý dlouhodobý U 8 6 Ra Rn Ra, B, C, C, C RaD,, F RaG,8 d RaB 9,7 min RaD 9,4 r sabilní Th.ThX 4 Ra Tn Rn Th, B, C, C, C ThD 55, s ThB,64 h sabilní U 5..cX Ra n 9 Rn c, B, C, C, C cd 4 s cb 6, min sabilní 47

48 DUÁLÍ PŘĚ VĚTVÍ C C : RaC 99,98% Bi 4 ThC 64% Bi D C cc,7% Bi Tl Pb Bi Po B : Ra 99,8% Po 8 Th % Po 6 C c 99,999% Po 5 Pb Bi Po 48

49 99 ck,4 % 7 c, 98,6 % cx Rdc Fr Ra c Th 95 Bi, % 6. - % Fr ck, 97 %, 99,994 % c n cx Bi Po Rn Fr Ra 49

50 96 Hg. -6 % Pb RaD Ra,. -4 % Ra 947 RaG RaF Hg Tl Pb Bi Po 5

51 PŘIROZÉ RDIOUKLIDY TVOŘÍCÍ ŘDY Do r prvků: DRSLÍK 4 96 Poločas přměny Izoopové zasoupní 4 4 IZ =,8% K Ca 89% 9 T=,6x 9 r K Z, 4 r 4 9 %, r,6 9 a 4 9 K β +,% Z ~,% Q β- =,4 Q Z =,55 4 Ca,8 % a K = Bq/g 5

52 RUBIDIU IZ = 7,85% 87 Rb 87 Sr T= 4,8x r 5 a 87 Rb 7 7,85% a Rb = 88 Bq/g Q β- =,74 87 Sr 8 SRIU 9 IZ = 5,7% 47 Sm 4 d T =,5x 5

53 LUTCIU IZ =,6% RHIU IZ = 6% 76 Lu 76 Hf 87 R 87 Os T =,x r T = 4,x r IDIU 5 95 IZ = 95,77% 5 In Sn T = 6x 4 r, a=,8 Bq/g LTH 8 95,89% 8 La C % Po r. 95 : 8 Z La Ba 7% T=,x r Z 8 prvků přd 84 Po nmá pouz 48 přirozně radioakivní izoop, přiom Tc, Pr, Pm, Tb, Ho, Tm, Bi nmají sabilní izoop vůbc 5

54 SPOTÁÍ ŠTĚPÍ KLSTROVÁ KTIVIT Vlmi ěžká jádra jsou nsabilní, což s kromě alfa a ba přměny projvuj i samovolným rozšěpním jádra na dva fragmny SF, jhož pravděpodobnos ros s růsm a Z. SF j hlavním limiujícím procsm xisnc suprěžkých jadr. Flrov a Pržak, 94 SF u 8 U Od roku 984 j známa i sponánní mis jadr ěžších nž 4 H zv. klasrů jádry s Z > 85, krá nmá charakr SF. Jjí možnos byla vypočna i oricky. xprimnálně byla njprv zjišěna mis 4 C jádry,4 a 6 Ra a Rn. Byla změřna nrgická spkra klasrů 4 C blízká spkrům čásic α. Zasoupní klasrů mzi vysílanými čásicmi j obcně nparné, řádu - -. Další ypy zjišěných klasrů jsou 4 z, U, Pa a Th, 8 g a 4-6 z 4 U, 8 g a Si z 8 Pu. Zaím v všch případch jsou miovány klasry s sudým Z mzi 6 a 4 a dcřiné jádro j blízké magickému jádru 8 Pb 8 p a 6 n. 54

55 LHKÉ UĚLÉ RDIOUKLIDY V PŘÍRODĚ Vznikají jadrnými rakcmi s složkami kosmického zářní KZ, sponánním šěpním a rakcmi s nurony z ohoo šěpní: Rakcmi dusíku s nurony skundární složky KZ s voří H a 4 C: 4 n, C 4 n, H 4 n,p 4 C H - -,86 V, T =,6r,,5 kg,6x 8 Bq v amosféř 4 C - -,56 V, T = 57r, 75,x 9 Bq v amosféř Jadrnými rakcmi KZ x,s a jiné s O, a 4 r vznikají malá množsví 7 B Z, 5d, B -, x 5 r, a +,,,6r, P -,4, d, 6 Cl -, x 5 r, 9 r -, 65 r aj. Šěpním a jadrnými rakcmi s nurony a složkami KZ s voří i malá množsví izoopů ěžších prvků, jako Tc, Pm,, Fr, p, Pu 55

56 VĚJŠÍ VLIVY JDROU PŘĚU Typ ani poločas radioakivní přměny věšinou nzávisí na vnějších podmínkách v nichž s jádro nachází lak, ploa, chmická vazba. xrémně vysoká ploa 7 K můž vés k jadrné fúzi. Běžně dosažilné hodnoy laku a ploy však vlasnosi jádra novlivňují. Výjimky byly zjišěny pouz u dvou ypů přměny: Z a IP, kdy byl zjišěn malý vliv chmické vazby radionuklidu nbo laku na poločas jho přměny: T 7 B kov T 7 BO Z T= 5,5 d T = m,5%, Podobně pro pár 7 BO - 7 BF T =,69% T K 99m TcO 4 T 99m Tc S 7 IP T = 6 h T = min,% T 5m UO T 5m U kov IP T = 4,7 min T = min 9,8% 99m Tc kov lakm 4 Pa dosažno zmnšní T o,5% 56

57 OBJV UĚLÉ RDIOKTIVITY 9 sudium nově objvného posironického zářní při ozařování prvků alfa zářním Po. Jolioovi ozařovali l a současně měřili posirony. Zjisili, ž vysílání posironů nusává po oddální Po. Podobný jv i při ozařování B a g. Inrprovali vznikm umělých radionuklidů 94: l, n P 7 5,5m 4 Si jimi změřný poločas min 5 s l má jn jdn sabilní isoop. Chmický důkaz fosforu: rozpušění l foli v HCl a odpařní, odpark nakivní, P uniká jako PH s vodíkm; rozpušění l v lučavc oxidac, P zůsává v odparku jako PO 4 - nbo s sráží přidáním Zr 4+. B, n 5 7 9,96m 6 C jimi změřný poločas 4min 57

58 Bor má dva sabilní izoopy, al rakc α,n na B vd k 4. Chmický důkaz rozpušěním rčového B v aoh za varu, unikající H byl zachycován v HCl B aoh H O abo H obsažný v rči nmohl bý zdrojm akiviy, nboť rakc 4 7, n F 66s vd k krákodobému 7 F. Rakc na g byla auory inrprována chybně: 7 g, n Si 4 4 4,4s íso ní probíhala rakc jimi změřný poločas,5 min 8 g, p l 5,m Přirozné alfa zářič nměly dosačnou nrgii zářní na vyvolání mnoha dalších jadrných rakcí. Proo další rozvoj přípravy umělých radionuklidů byl založn na využií urychlovačů čásic a zjména zdrojů nuronového zářní. 8 4 Si 58

59 ZVLÁŠTÍ ZPŮSOBY PŘĚ UĚLÝCH RDIOUKLIDŮ Příprava radionuklidů binuklární rakcí časo vd k produku, krý j víc vzdáln od oblasi sabiliy jadr nž jsou přirozné radionuklidy. S ím jsou spojny někré zvlášnosi jjich samovolných přměn. Rozvěvná přměna U člnů přirozných přměnových řad j, -. Ojdiněl u osaních přirozných radionuklidů j -: 4 K, 8 La U umělých: -, Z : vzácně, dodačně věšinou zjišěna i + 48 Bk - 7%, Z % ; 4 m - 8%, Z 7% aj. +, Z : časá, věšina + zářičů jsou i Z 58 Co + 5%, Z 85% ; -, +, Z : vlmi časá kombinac 64 Cu - 9%, + 9%, Z 4% 4 -, + : nzjišěna 59

60 Rozvěvěná přměna 94 Corson,cKnzi a Sgr zjisili poprvé u umělých radionuklidů: 9 Bi, n T=7, h, 4%, Z 59% Typ,Z j běžný u ransuranových prvků : 45 s 7%, Z 8%, T=, min 4 Pu 6%, Z 94%, T= 9 h Přměna, - : 55 s 9%, - 9%, T=4 d 4 Pu,%, - >99%, T=, r Přměna,SF : 5 Cf 96,9%, SF,% 5 o 7%, SF % 6

61 Zvlášní způsoby mis ěžkých čásic Přměna a současná mis 7 6 Li n, Li 8 Li H, n ,84s B 8 4,77s B B p, n a *,9s okamž. 6 8 O -4-6 s lvarz 95 Proonová radioakivia Džlpov 95, Goldanskij 96 přdpověď Flrov 96, Bll 96 xprimnální povrzní 7 l p,n 5 Si,s 5 5 l * p 4 okamž. l * 5 g s l 7,4s 5 g ST B p,n 9 C 9,s B p 6

62 Zpožděné nurony O O O O O p O O O d n O O O p n O O O p O O p C okamž n s okamž n s okamž n s okamž n s okamž n s okamž n s , , , , , ,4 7 4 *, *, *, *, *, *, *. 9 4,76 9 okamž n s B Li X X I f n U n s , 6

63 Typy jadrné izomri ypická pro umělé radionuklidy Obcné možnosi p - p pravděpodobnos přchodu p p, p > 6

64 yp - : p << p izomrický přchod zakázán yp : p = p =, T 64

65 4 yp - : p T T T T 65

66 66

67 IZOBRICKÉ UĚLÉ RDIOKTIVÍ ŘDY Délka závisí na vzdálnosi mařského nuklidu od oblasi sabiliy nadbyku proonů nbo nuronů Ba, n 56 u p,9n Ba 89 8 Z 55,5 d Hg Cs Z ,8m Z 54 9,6d u X Z m sab P Z h Ir Z 89 76,d Os sab Ca n, Ca S TiSTB. 8,8m 57m Produky šěpní mají vlký nadbyk nuronů Kr,4s 94 7 X 6s 4 55 Rb KR Cs 66s 4 56 Sr m 94 9 Ba,8d Y ,5m 94 4 La 4,d 4 58 Zr C sab ST 67

68 Umělá npuniová a prnpuniová řada nní izobarická h d Cf Z 6r d Fm 8x r Cm 5 98 Cf 4 94 r Pu 5 99 s r m 4d Bk 7 9,x r p 6 68

69 69

70 Vzah mzi umělými a přiroznými radionuklidy Přirozné radionuklidy lz připravi uměl přímo nbo npřímo : 9 Bi n, Bi Ra Po RaF 5 U,7n 6 9 Rn Bi,n Pu 8 Po ThC Z 7,h U 4 8 Po cc Th Pb ThD Ra Uměl lz ralizova přchod z řady do řady : 9Th n,n 9Th UY Umělé radionuklidy jsou nacházny v přírodě. Přměny obou ypů radionuklidů s liší jn v důsldku věšího rozsahu nsabiliy ěch umělých, jinak jsou zákoniosi jjich přměny sjné. Proo jsou oba ypy rozlišovány jn z hisorických důvodů a při posuzování vlivu lidské činnosi na živoní prosřdí člověka. 7

71 Kinika jadrných rakcí Časové změny souboru radioakivních aomů nuklidů lz njsnáz sudova pomocí sldování změn innsiy zářní, kré no soubor vysílá. První akové sldování bylo provdno v roc 9, kdy bylo měřno zářní ba prparáu uranu, z něhož byl odděln UX 4 Th spolusrážním s FOH. Innsia zářní I UX xponnciálně klsala s časm, I zbylého uranu od oddělní UX rosla od nuly: I = I. -λ I + I = I I = I I = I. - -λ 7

72 Základní kinický zákon přměny Závislos poču aomů radionuklidu na čas lz odvodi řmi způsoby: z xprimnálně zjišěné závislosi innsiy zářní na čas: Dfinujm absoluní akiviu jako okamžiou změnu poču aomů s časm = d/d. Ta j úměrná rlaivní akiviě I. Proož I = k., plaí aké, ž I = k. a =. -λ Poč aomů zbylých v čas lz vypočía ingrací: pro d d =. -λ 7

73 z principů rakční kiniky: d, d d d ln ln ln d d 7

74 na základě poču pravděpodobnosi Schwidlr, 95 p p n p n ; n lim n n n n pravděpodobnos přměny v aom npodlhn přměně v Δ = /n npodlhn přměně běhm n lim n lim n n x n n n x pro = = =. -λ aomů npodlhn rozpadu běhm doby Saisický charakr rozpadu! 74

75 Přměnová rozpadová konsana j základním kinickým paramrm charakrizujícím radioakivní přměnu daného radionuklidu, pro nějž j spcifická. J nzávislá na laku, ploě a chmické vazbě radionuklidu vzácné výjimky. J rovna pravděpodobnosi přměny aomu v časové jdnoc p =, = rozměr [s - ] min -, d -, r - Dfinic ČS 8 : Podíl pravděpodobnosi samovolné přměny dp za časový inrval d a ohoo časového inrvalu Další význam lz odvodi z základního kinického zákona: d d akivia vzažná na úhrnný poč radioakivních aomů 75

76 Poločas přměny T T / a sřdní doba živoa aomu T j čas, za krý s rozpadn polovina původně příomných aomů. T V inrvalu, +d xisuj aomů, jjichž clková doba živoa j d. Úhrnná doba živoa všch aomů od = do = j d. Pak T ln,695 d,695 ln T d,448t,68 7% 76

77 Jdnoky akiviy Současná oficilní jdnoka j bcqurl: Bq = s - Hisorické jdnoky: Původně byla akivia vyjadřována v váhových jdnokách, odpovídajících váhovému množsví RaCl mg ff pro Ra a mg kvivaln Ra pro,5mm Pb. Později byla používána jdnoka curi c, Ci, odpovídající akiviě Rn v rovnováz s g Ra 6,5x -6 g -,65mm Rn nbo později označující množsví radionuklidu, v němž dochází k,7x ds/s. S ouo jdnokou s dosud skávám. Ci =,7x Bq = 7 GBq Bq =,7 pci Sarší, už npoužívané jdnoky jsou rd ruhrford 6 ds/s a achova jdnoka, krá j ovšm jdnokou koncnrac akiviy:.j. =,6x - Ci.l - = 6 pci.l - =,4 Bq.l - 77

78 kivia a množsví radionuklidu Srovnání dvou radionuklidů X, X = = = : sjnému poču aomů odpovídá poměr akivi T T = : sjné akiviě odpovídá poměr poču aomů T T nožsví radionuklidu m v gramch vogadrova konsana,,69 m. T T m,4x,69x6,x 4 molární hmonos nuklidu T a T v sjných jdnokách! kbq PT=4 d - 9,5x -4 g kbq 8 U - 8mg 78

79 a * * ěrná akivia a spcific aciviy; spzifisch akiviä ěrná hmonosní akivia a m m různý výklad! olární akivia Koncnrac akiviy a n n a v objmová a V m m hmonosní! Plošná a délková akivia a s S a l l Radionuklid bz nosič bznosičový, carrir-fr, c.f. s vysokou měrnou akiviou, bz přidaného nosič. yní s označuj C no carrir addd. 79

80 Způsoby výpoču přměny radionuklidu ln nt ln T nt n nt n T ln n T x x! x! x!... 8

81 Příklad výpoču minimálního T primordiálních radionuklidů Sáří Změ 4,5x 9 r = n = /T n n = T=,5x 8 r / = -6 j naděj dkc zbyku n = 4 T=,x 8 r / = 9x - nparná naděj n = 45 T=x 8 r / = x -4 mz zjisilnosi 5 U T=7x 8 r, zůsalo,6% z množsví při vzniku Změ, původní izoopické zasoupní bylo,7%, nyní j jn,7% T zůsalo 44 Pu 7,6x 7 r,5x -6 % 6 U x 7 r,9x -66 % 9 I,7x 7 r,x -78 % 47 Cm,6x 7 r x -8 % 8

82 Urční poločasů ěřním poklsu akiviy radionuklidu s časm. Výhodné j vynáš výsldky v smilogarimickém měříku jako přímku. Tno průběh j aké důkazm příomnosi jn jdnoho radionuklidu. log log log g log ln log log T T, log log T, T ěřní lz ralizova j-li poločas dlší nž asi s opakovaným měřním v dosačně dlouhých inrvalch. 8

83 J-li poločas kraší - s lz měři koninuálně narůsající poč přměněných radionuklidů počíáním pulsů na měřícím zařízní n a vynés v logarimickém měříku rozdíl mzi končným naměřným počm pulsů n a n proi času. n = = - -λ = n n = n - -λ log n n = log n λ log Jšě kraší poločasy,- s lz měři na pohybujícím s pásu srií dkorů, kdy s vynáší logarimus naměřného poču impulsů jako funkc poměru vzdálnosi dkorů a rychlosi pásu. Vlmi dlouhé poločasy lz vypočía z zjišěné absoluní akiviy a poču aomů radionuklidu T =,69 / nbo z poměru poču aomů dvou radionuklidů v rvalé radioakivní rovnováz, znám-li T jdnoho z nich T = T /. 8

84 Průběh vzniku radioakivního prvku při konsanní rychlosi jho vorby Q Q Q d d ] ln [ C a x a x dx Q Q ln ln Q Q,,, Q Q ln Q d Q d Q Q Q 84

85 << T pak - - = T pak T ln T ln vznik radioakivní přměnou Q = mařského nuklidu. vznik jadrnou rakcí Q = rčového jádra = rč - - m - s - ok sřl, m účinný průřz jn pro malé změny rč! jádra 85

86 Sousava nzávislých radionuklidů Dva radionuklidy Víc i radionuklidů ožnos rozložní průběhu clkové akiviy a sanovní dosačně rozdílných poločasů T a T n i i 86

87 o o. / g Průběh složné přměnové křivky lz rkifikova a ak zjdnoduši jjí analýzu, znám-li poločasy nní nuné měři clý průběh křivky 87

88 d d ST X X X Sousava dvou gnicky vázaných radionuklidů mařský a dcřiný radionuklid,69,69,69,69,69 T T T TT T T T T T T pro = = čisý mařský radionuklid zjdnodušní d d d 88

89 T T T b a c T T T d b a c T > T c T < T c 89

90 Poloha maxima m m m m d d m m ln log, log, T T T T TT m d d 9

91 Radioakivní rovnováhy Trvalá rovnováha - podmínky T T ; T ; > T a a b b b b a c 9

92 posuvná rovnováha - podmínky T > T < ; T ; > T T T T a b b a c T T T a b b 9

93 J-li T T rovnováha nmůž nasa. Průběh clkové akiviy j jn podobný směsi dvou nzávislých radionuklidů. Proož j zlomk / - záporný a var rovnic s mění: Pro T j a dy a b a b b b a c 9

94 n i i i n n i C... n j j i j C i... 4 X X X X i i i i i d d Přměnové řady i j..., n 94

95 ,... n d d i i i i i i,... n

96 Radioakivní rovnováhy Posuvná T T, T T n T, T T n Trvalá T >> T, T T n T, T T n n n C n n n n n n n n n... n n n T n T T T T T... n n T T T T n n n 96

97 X X X X Rozvěvná radioakivní přměna d d T,69 5 Cf : T =,646 r, T SF = 85 r, T α =?,6,68 SF T TSF,646 85, T,969, 969 T,% SF,646 T, 7r,969 97

98 Rozvěvná přměna v řadě d /d = - '+ '' d '/d = ' - ' d ''/d = '' - '' pro X X ' X ' pro X X '' X '' X n X X X... X n X X X... n i i n n i C * * *... * * * * 98

99 Transformac v oku akivujících čásic Baman Rubinson d d d d n n n xx n n n n n * *... * * i n Ci C i i j j n j i 99

100 X n, X X n * *... * n * n i C i i * C C * C C φ O/: 56 n : T =,6 h ; = 7,47x -5 s - =,6x -8 m ; = 7 m - s - =,6x - s - O 6 Co : T = 5 r ; = 4,4x -9 s - = 6x -8 m, = 7 m - s - =,6x - s -

101 kivia radionuklidu vznikajícího duální přměnou produku jadrné rakc * X * * C C C n, F X X F X C C C * F 4

102 F ]} [ ] [ { F ]} [ ] [ { F Úprava násobním a vykrácním člnů v závorc pro

103 Rozvěvná akivac X X X * F X X X * F X ST 4 a X b X X X X a b * F X * * C C C a * * F F b

104 nrgika jadrných rakcí Silové inrakc jadr a čásic při jadrných rakcích a nrgi s nimi spojná rozhodují o výskyu, průběhu a kinic jadrných rakcí. Druhy fyzikálních inrakcí Silné v poli jadrných sil - s, r~ -5 m umožňují xisnci jadr a průběh jadrných rakcí lkromagnické v coulombovském poli s, r~ - m umožňují xisnci aomů a molkul, rozpyl nabiých čásic na jádrch, ionizaci a xciaci v lkronovém obalu aj. Slabé mzi frmiony r~ -6 m frmiony =, p, n,,, jádra s lichým přměna j inrakc nuklonů s lkrono-nurinovým polm. 4 Graviační r 4

105 Inrakc Rlaivní síla Působí mzi Zprosřdkují čásic Silné hadrony gluony lmagnické - nabiými čásicmi foony Slabé - hadrony, lpony inrmdiární bosony Graviační -8 všmi čásicmi graviony Přpočíávací fakory jdnok nrgi V u J kwh V =,7x -9,6x -9 4,45x -6 u = 9,x 8,49x -9 4,4x -7 J = 6,4x 8 6,7x 9,78x -7 kwh =,5x 5,4x 6,6x 6 5

106 Druhy nrgi při jadrných rakcích xrní kinická nrgi jadr a čásic podíljících s na rakci k = m v / lkromagnické zářní Inrní xciační nrgi jádra * m nbo lép m j klidová hmonos h klidová nrgi případně vazbná nrgi nrgický kvivaln hmonosi nbo hmonosního úbyku m = m c nbo v = Δm c nrgi jadrné rakc X x Y y I Clková nrgi každé z čásic podíljících s na rakci x nbo y můž bý i foon j II o m k * 6

107 Pro každou jadrnou rakci plaí zákon zachování clkové nrgi a zákon zachování hybnosi Věšinou j kinická nrgi rčového jádra k X zandbalná. ůžm-li zandba i xciační nrgii a lkromagnické zářní, plaí kd m i jsou klidové hmonosi a i kinické nrgi. Rakční nrgii jadrné rakc jjí nrgické zabarvní pak lz vypočía jako a rozdíl od chmických rakcí vzahujm rakční nrgii na jdn rakční ak, nikoliv na lákové množsví. Vyjadřuj s zpravidla v V. y y Y Y x x X c m c m m c c m x y Y y Y x X c m m c m m Q c m m Q II I I II II o I o II I p p 7

108 Q lz vypočía i pomocí rlaivních aomových hmonosí : m Z m m S výjimkou procsu β + s hmonosi lkronů ruší, proo Q I II c Z c j-li hmonosní úbyk vyjádřn v aomových hmonosních jdnokách u. íso hmonosí jadr nbo aomů můžm aké k výpoču Q použí známých hodno vazbných nrgií ragujících a výsldných jadr v : Podl hodnoy Q rozlišujm xorgické rakc Q > a ndorgické rakc Q <. a rozdíl od xo- a ndormických rakcí v chmii, zpravidla vyjadřovaných jako molární rakční nhalpi H J.mol - mají v jadrné chmii rakční nrgi opačné znaménko. Všchny mononuklární rakc mají Q>. m. I Z Z Q 9, 48 II V Q v II v I v. 8

109 nrgické poměry při přměně alfa PODÍKY LBILITY α Zpravidla splněny jn pro > 4, např. pro vychází Q = 4,86 V. DISTRIBUC KITICKÉ RGI PŘI PŘĚĚ α dominuj kinická nrgi α Y j odrazová nrgi 4 4 H Y X Z Z 4 4 X H Y Z Z H Rn Ra Q Y m v v Y Y m v v Y Y m Y Y / Y Y Y Y Y v Y Y Y Y m m Q Q Y Y Q Q Q Q Y Y Y Y Y Y 9

110 nrgické poměry při přměně ba DISTRIBUC RGI - éměř clá nrgi přměny j přdána vysílaným čásicím: Y Y m m max β - Q n p ~ β + p n Z p n β - β + spojié spkrum Z čárové spkrum

111 PODÍKY LBILITY β : β - snadné splnění pravděpodobné β + méně pravděpodobné Z pravděpodobnější nž β + m m m Z Y Zm X m m Y m X m Z Z Z Z m Y X Z Z m m m Z Y Zm X m m Y m X m Z Z Z Z Z Z m m Y X m c m Z Y m Zm X vaz Z Z c m Y m m X m vaz Z Z m c Y X vaz Z Z m 5 V, V c vaz,

112 Vzah mzi kinikou a nrgií samovolné přměny byl zjišěn xprimnm a orickým výpočm. Již v roc 9 pro alfa zářní Gigr a uall xprimnálně nalzli závislos mzi dosahm α čásic R a přměnovou konsanou: log alog R b log log Q B

113 Gamov 98, Gurny a Condon 98 na základě vlnově mchanických přdsav: log / B Plaí dobř pro s-s zářič α, nvyhovuj nuklidům s lichým Z nbo vliv lichých nuklonů, vliv srukury jádra a jho momnů. Vzah mzi poločasm T a nrgií zářní α někrých s-s zářičů α α v mzích 4-9 V ožné využií pro sanovní poločasů radionuklidů

114 Přměna - souvislos mzi Q a T Sargn 9, později Frmi na základě vlnově mchanických výpočů, pro přirozné zářič v dvou skupinách log alog max b, a 5, k 5 max Souvislos mzi vlasnosmi vzbuzného savu jádra a poločasm dxciac gama Z zákona zachování impulsmomnu a zachování pariy, a podl slupkového modlu jádra: log alog blog hmonosní číslo, nrgi foonu, a,b,c. fakory složné z funkcí vdljšího kvanového čísla l c 4

115 nrgické poměry při misi zářní gama Dxciac jádra jako mononuklární rakc Dxciac misí a jdnoho foonu b několika foonů v kaskádě h h Q Q Y Y Y Y n * * 5

116 Zářní gama při přměně alfa: Základní vzah X Y n Vzácný případ n 6

117 Složié hladinové schéma přměny α s uvdním nrgi [V] čásic a hladiny jádra, rlaivní čnosi [%] čásic dané nrgi, spinu [J] a pariy + sudá, - lichá jádra v dané hladině 7

118 Zářní gama při přměně ba xisuj jn málo ba radionuklidů vysílajících jn lkrony nbo posirony, např. H, 4 C, 8 F, P, 6 Cl. ěkré z nich mají vlmi nízké nrgi zářní, což komplikuj jjich dkci. Věšina přměn ba j provázna zářním gama, kré usnadňuj jjich dkci. 8

119 9

120 Zářní gama při izomrním přchodu: izomry s vyskyují am, kd Z>, hladina jádra j blízko jho základního savu, přchodm nasává vlká změna spinu J, Z nbo j liché a j v blízkosi magických čísl 5,8,6

121 nrgické poměry při zvlášních procsch spojných s vysláním lkromagnického zářní Inrní vniřní konvrz gama zářní nrgické spkrum lkronového zářní 7 Cs v rovnováz s 7m Ba Q = 66,6 kv, max = 54 kv, nrgi píků K 64 kv, L 656 kv

122 Výpoč nrgi konvrzních lkronů K Q VZ K L Q VZ L L K VZ K VZ L nrgi zářní X vniřní fluorscnc X h VZ K VZ L nrgi ugrových lkronů vniřní foofk UG X VZ i

123 Kvaniaivní charakrisika výskyu konvrz gama zářní v lkronovém obalu na základě poču vyslaných konvrzních lkronů a kvan gama foonů γ d d d / d Koficin inrní konvrz clková pravděpodobnos přchodu Clkový koficin α o j součm parciálních koficinů o Obcně α ros s Z, s J a s Q K L...

124 Innsia rngnova zářní X a výsky ugrových lkronů jsou při skundárních jvch v lkronovém obalu charakrizovány fluorscnčním a ugrovým γ výěžkm K X K X j poč miovaných foonů X, K j poč vakancí v slupc K vyvořných lkronovým záchym nbo inrní konvrzí. Plaí, ž K + K =, K nabývá maximálně hodnoy,95 L max.,45. K UG K K Z 4 4 Z 4, 4 4

125 mis hmoných čásic provázjící dxciaci gama alrnaivní dxciac jádra vyvořním lkronového páru + a - marializac xciační nrgi jádra, obdoba absorpc gama zářní v hmoě vorbou párů + a -, opak známé anihilac Podmínka: * Q m c > x,5 V lrnaivní dxciac jádra misí nuklonu zpožděné nurony, proonová radioakivia Podmínka: dosačná xciační nrgi, přvyšující vazbnou nrgii miované čásic pro nuklony 8V - věšinou * < V nsačí ani k uvolnění čásic 5

126 nrgika binuklárních rakcí chanismus binuklárních rakcí věšinu binuklárních rakcí o nižších nbo sřdních nrgiích lz rozděli na dvě až ři sadia, lišící s v čas a/nbo povahou probíhajících procsů: kolizi přiblížní sřly a jjí inrakci s rčovým jádrm v poli coulombických nbo jadrných sil, průnik sřly nbo jjí čási do rčového jádra vyvořní složného jádra nbo vyržní čási rčového jádra a věšinou rozpad nbo dxciaci složného jádra. Časově njdlším sadim j xisnc složného jádra 6

127 Koliz m m x X x X ' kinické nrgi v V v V Pružná srážka : * =, sřdová srážka koulí význam: zpomalování čásic, sínění čásicového zářní x / x n -- H n -- O,78 n -- Ca,9 n -- F,9 X x X x * X X x x 4 m m m m x X x x x X x 7

128 Zjdnodušný výpoč kinické nrgi rozpýlných jadr při pružné sřdové srážc liminac V / / / / V V mv mv V V mv mv / / / / / / m m m m mv mv m m v v m v m v mv mv v v v v v m v v v v v v v m v m v V x x x v v m V / 8

129 pružná srážka: * > ; při dokonal npružné srážc X a x splynou a dál s pohybují spolčně rychlosí V T v = V = V T. Poom lz vypočía kinickou ranslační nrgii T Dál Pro m = * = / x, pro m * = x. m m m v m m m mv V V m mv mv x T T T x T x * ; ; m m m m m x x x T x * * 9

130 Průnik kladně nabié sřly do jádra vyžaduj přkonání dvou bariér jádra - coulombické a odsřdivé při nsřdové srážc sřly s jádrm Inrakc sřly s coulombickou bariérou B C a pružný rozpyl x B C u nnabiých čásic jiný mchanismus, rozpyl v poli jadrných sil b přkonání bariéry x > B C c průnik unlovým fkm x B C

131 Výpoč coulombické bariéry Dosazním B c 4 Z r x x Z r X X r,4. 5 / [ m],6. 9 C ; 8,85. F. m J vychází 6,4. 4 V B B c c,65., Z x / x Z X Z x / x / X Z X / X V J nrgi sřly pořbná na přkonání bariéry s započním zráy na ranslační nrgii složného jádra x B c x X X

132 B Odsřdivá ponciálová bariéra x X s / / x X x X V Clková bariéra B B c B s Podíl odsřdivé bariéry s růsm X / x klsá, j al výrazný u nízkých X x X B c V B s V p H,5 p Li 7,,7 p 4,,8 p Sn 8,5,6 p U 8,4

133 x X B c V B s V 4,5,4 Sn 5, U 8 4,8 4 4, 4 Sn 48, 4 U 8 75, 8 U U 8 68, X musí bý věší nž B, proož čás kinické nrgi sřly přvzm rčové jádro ranslační pohyb. inimální x : x B m

134 přímé rakc za vzniku složného jádra xciační nrgi složného jádra j dána součm čási kinické nrgi sřly a vazbné nrgi uvolněné při pohlcní sřly * S x m X x VZ Složné jádro můž vzniknou různými rakcmi a můž s dxciova rozpadnou různými způsoby v závislosi na jho složní a xciační nrgii. Časo dochází k parallním rozpadům. S x x X X VZ vsupní kanály výsupní rakční kanály 4

135 Časový průběh vzniku a dxciac složného jádra. Bohr 96 doba rvání složného jádra asi -6 s doba průlu čásic rčm asi - s Záchyná rakc Šěpná rakc 56 n n, n F ST 5

136 Vlasnosi složného jádra x 5 V Tploa pro S* = V =,6x - J k,8. J. K Hladinové schéma rakc T,6.,8. S kt 7,7. K 9 B * C n C C n * 6,7V C 6

137 Přímé jadrné rakc bz vzniku složného jádra Přnosové srhávacísripping d,p - Phillips a Oppnhimr,d,,p, p n 95 a vyrhávací pick up p, d, H d, Rakc čásic vysokých nrgií, - GV Srbr 947 přímá inrakc čásic s nuklony 7

138 Vzah mzi Q a kinickou nrgií účasníků rakc j sjný pro xo- i ndorgické rakc, můž bý využi pro sanovní Q z kinických nrgií Q y Y x X x y Y Q m p p p p p p y x y x Y cos Y y y x x Y y y Y x x Y Y y y x x y y x x Y Y cos 4. : // cos 8

139 Y y y x x Y y y Y x x x y Y Y y y x x Y y y Y x x Y Q Q.cos cos. Znám x, změřím y a úhl φ Hladinové schéma rakc x,y při rosoucí nrgii sřly 9

140 Přibližný výpoč Q s chybou ± V pro rčové -sabilní nuklidy s 4 : a absorpc mis nuklonu uvolnění spořba v 8 V, j. Q = ± 8 b nuno odčís vazbnou nrgii sřly, j-li složným jádrm např. D V, T a H 8 V, α 8 V c nlz použí pro lhké rčové nuklidy n,α, p, α = - Q = = + 4 V α, n = + Q = 4 8 = - 4 V 4

141 xorgické binuklární rakc Příklad 7 Li p p p xprimnálně naměřno: rakc probíhá od nrgi proonu p =, V, pořbné pro přkonání bariéry jádra. Při éo nrgii sřly byla naměřna nrgi čásic alfa α = 8,64 V. Q p 7,68, 7, 55V Výpočm z hmonosí nuklidů lz získa Q aké: Q Q 7 Li H H 7,8,84 8,776,86u,869,5 7,6 V 4 c Uvolněná nrgi značně přvyšuj nrgické zabarvní chmických rakcí 4

142 Srovnání Q jadrných a chmických rakcí C + O = CO +,948x 5 J. mol -, = 4,4x -9 g.mol - 7 Li + p 4 H + 7, V, j. na mol Li s uvolní 7,. 6 x,6. -9 x6,. =,667. J.mol - =,86 g.mol - Rakc ndorgické O 4 = 4,74+4,6-6,999-,785 = -,8u p Q = -,8x9,48 = -,8 V 4

143 Prahová nrgi p ndorgické rakc Odvozní přibližné hodnoy p nrgi dodaná jadrnou sřlou x s spořbuj na xciaci přchodně xisujícího složného jádra S a jho kinickou nrgii. Kinické nrgi produků rakc y a Y klsají k nul při poklsu x na hodnou p. a z zákona o zachování nrgi a impulsu x X S S S p x * p p p Q S x S S S p x X x X X x X p x X p x p x X x p S Q Q Q 4

144 b z obcného vzahu pro Q, j-li y = c přsnější vzah s uvážním rlaivisických vzahů : x Y Y p Q X y Y x X p Q Y x p Q Y y y x x Y y y Y x x Q.cos 44

145 Přhld a charakrisiky ypů jadrných rakcí Jadrné rakc lz řídi a popisova podl různých aspků. Základní aspky jsou druh a nrgi sřly, krá jadrnou rakci vyvolává. Tyo aspky spolu s vlasnosmi rčového jádra rozhodují o povaz a fyzikálních paramrch jadrné rakc. Z hldiska prakického využií jadrných rakcí např. pro přípravu radionuklidů jsou důlžié: dosupnos a forma rčového nuklidu charakrisika výsldného radionuklidu poločas, yp a nrgi výěžk rakc, zářní, podobnos rčovému nuklidu, možnosi osřlování rč a sparac produků rakc. Tao přdnáška s zabývá jn někrými aspky jadrných rakcí, další aspky budou probrány v navazujících přdnáškách. 45

146 Jdnoduché binuklární rakc Z X x, y probíhají s jdnoduchými sřlami ypu α, d, p, n, γ aj. s rlaivně nízkou nrgií V za současného vyslání - čásic y i různých. Typ přměny výsldného jádra lz přibližně odhadnou z změny izoopového čísla při rakci: Z Y I Z Z Z Z I Výsldné jádro ,sabilní, vyjímčně +, Z Sabilní, -, +, Z - +, Z sabilní, u ěžkých i - - +, Z sabilní, u ěžkých i - 46

147 - + Z+ α,n I = - α,n I = - α,n I = - Z+ p,n I = - p,γ d,n I = - α,np I = Z γ,n n,n I = - X n,γ d,p I = + Z- d,α γ,pn I = γ,p n,pn I = + n,p I = + Z- n,α I = + 47

148 Rakc čásic,p ndorgická, n,n Z Z Z X X X Z Z Z Y Y Y I I I x x x 7 9 7, p 8O ; 4 B, n 4 6 C 5 B, n 7 m objv umělé radioakiviy Pu, n Pu,5n Cf, Cm s Cm 6d Z,,5h Z 8h 48

149 d,p njčasější, xo d,n xorgická, rychlé n d, xorgická, Z 4 Rakc duronů d, γ vzácná vrdé gama d, ndorgická, vzácná Oppnhimmr-Phillips95 D d, U d, p Bi d, T p p Bi d, n 9 9 U Bi Po :, d =5 V X Z Z I X Z Z Y I X Z Z Y I g d, g d, Li d, n Cm d, n a, Z a B 45 Bk Z 5h 49

150 p,n ndorgická, časá p, xorgická p, Rakc proonů p,y d,y p,d ndorgická, vzácná 9 B p,d 8 B p, Z Z Z X X X Z Y I Z Z Y I Y I Cockrof-Walon 9 p, jn u lhkých prvků Li p, H B p, B Z p,γ hlavně u lhkých prvků, zdroj vrdého gama H p, 4 H =,6 V 5 p,n 7 Li p, n 7 B 98 P p, n 98 u 5

151 urony s vlmi vysokými nrgimi s vysokými nrgimi rychlé sřdních nrgií pomalé rsonanční Rakc nuronů Vyznačují s snadným průnikm nuronu do rčového jádra a rlaivně vysokými účinnými průřzy, kré závisjí na nrgii n > 5 V V 5 V,5 V V kv,5 V,5 V kv pirmální, V V plné,5 V, V,5 V 4 chladné, V 5

152 n, njčasější, s všmi jádry kromě 4 H, xorgická, njvyšší účinné průřzy pro plné nurony, vd k izoopu nízká měrná akivia n,p méně časá, věšinou ndorgická, proo nsačí plné nurony pořba vyšší nrgi na vyslání proonu, zjména při vyšším Z n, Z Z Y I Y I Z Y I méně časá, xorgická, al na vyslání čásic α j zapořbí vyšší nrgi, zjména při vyšším Z S plnými nurony probíhají pouz násldující rakc n,p a n,α: H n,p H - B n, 7 Li STB. 4 n,p 4 C - 6 Li n, H - 5 Cl n,p 5 S - 5 Cl n, P - 5

153 n,n poměrně časá, al ndorgická, j. s nurony vyšších nrgií n,n rozpyl nuronů na jádrch, npružný rozpyl můž vés k izomru 9 Z Y ZY g n, n g I I 9m 4s 9 g n,d a n, rakc jsou málo běžné vzhldm k malé vazbné nrgii vysílaných čásic a probíhají jn při vysokých nrgiích n Rakc nuronů s časo kombinují, zjména při vyšších nrgiích a při psrém spkru nrgií n P n p n 8 l P Si P 5

154 Rakc foonů foojadrné Zvlášní yp rakcí, rčové jádro xciováno absorpcí vysoké nrgi, přvyšující vazbnou nrgii vysílaných čásic. Výěžky rakcí nižší o - řády nž u běžných jadrných rakcí.,n Z X Y Z I njčasější yp, nuron nmusí přkonáva výsupní bariéru, vd k izoopu D + p + n Chadwick Goldhabr 94 4 Z 8 Pb, n 8Pb 5h 8 7 U, n U 6,7d,p Z X Z Y I méně časý, obížnější vyslání proonu, zjména u ěžších prvků 6 Li, p H 7,8s 8 Hg, p 79 u 54

155 , Z X 4 Z Y I málo časá kvůli obížnému přkonání ponciálové bariéry Cl, P d 6C 4 H = V,n Z X Y Z silně ndorgická rakc, al xisuj: 64 B,n Zn,n B 6,77s, H a, H s vyskyují jn ojdiněl I 8 B Zn Z 9,h 55

156 Rakc rionů První rakc 948 s V získanými rakcí 9 Bd, 8 B 45 Rh, p 5 Prakicky významný j rakční pár Rakc H Tako vzniká izoop Opnhimr-Philips. Dál zjišěny rakc,d,,n,,n,, aj. Urychlním vzácného izoopu H,x -4 % oddělného lmgn. Vsměs xorgické: H,p ΔI = Rh 6 O H, p Li n, T O, n F 8 F m H,n ΔI = - 6 O 8 8 H, n F,6s H, ΔI = - H,d H, méně významné C H, C,4m 56

157 Rakc ionů ěžších prvků Cílm j získání nuklidů výrazně ěžších nž rčové jádro. Problém přdsavuj získání sřl dosačného náboj urychlní a nrgi průnik do jádra. Podl nrgi s liší yp rakc: a jdnoduché jdnonuklonové přnosové rakc pořbná nrgi dsíky V x y, x, y Z Z Z Z O, Si X, Y 7 l

158 b složié vícnuklonové přnosové rakc 4 8 7, 9F 4 6 7, 8O přnos přnos d ad. 58

159 c npřímé jadrné rakc s vznikm složného jádra > V synický charakr hlavně ransurany, mis věšího poču čásic U U 6 Pb Cm C,4n,6n Cr,n Cf O, n o Sg 59 5,7h o 55s SF 7m, Z h Pu Sm,4n,6n Ku Hf SF s 59

160 Jadrné rakc s lkrony lkrodsingrac V podsaě přnos nrgi na jádro, vyržní nuronu > V, 99 > V, B, n Li Cu, n Cu Jadrné rakc s nuriny jd vlasně o záchy nuklony ~ p n n p Prakický význam měřní oků nurin z slunc - km pod zmí 7 7Cl 48 m 7 Ga 7 8 r Z 5,d prchlorhyln 7 G ~ n p Z,5 d GaCl v rozoku nbo 57 Ga 6

161 Složié binuklární rakc. Vliv nrgi x -5 V, 5- V, > V. x,s X+x Y + Y +Y + + p + n n přvažují, proo jsou rosky nuronodficiní a dy zářič Z a β +. x,f X+x Y + Y + n produky zářič β - 4. fúzní rakc 4 6 H O C T O H D H S O H n D D T p 4 6 6

162 Vliv nrgi naléající čásic na yp a výěžk rakc Trč. jádro = čásic d p n d p n nrgi - kv n, n, 5 kv,n d,p p,n n, n,, d,n p,,p p,d 5 V,n d,p p,n n,n,n d,n p,n n,p,p d,np p,np n,np,np d,n p,p n,p,p d, p, n,d,n d,p p,n n,n,n d,n p,n n,p,p d,np p,np n,np,np d,n p,p n,p 6