☢️ Jaderná fyzika

Datování uhlíkem

O čem to je

Archeologové najdou kus dřeva z pravěkého ohniště. Jak poznají, že je 10 000 let staré? Pomůže jim radioaktivní uhlík, který se v něm pomalu rozpadá – jako přesné přírodní hodiny.

Jaderná fyzika vysvětluje, proč svítí Slunce, jak funguje jaderná elektrárna v Temelíně, jak lékaři léčí nádory zářením i proč je radioaktivita nebezpečná.

Nové pojmy

Jádro atomuMalinký střed atomu, ve kterém je skoro celá jeho hmotnost. Skládá se z protonů (kladné) a neutronů (bez náboje). Obojím se říká nukleony.
Protonové číslo ZPočet protonů. Určuje, o jaký prvek jde.Z = 6 je vždy uhlík, Z = 92 uran.
Nukleonové číslo APočet všech nukleonů (protony + neutrony). Neutronů je N = A − Z.¹⁴C: A = 14, Z = 6, neutronů 8.
IzotopyAtomy stejného prvku (stejné Z) s různým počtem neutronů (různé A).¹²C a ¹⁴C jsou izotopy uhlíku.
RadioaktivitaNěkterá jádra jsou nestabilní a sama se rozpadají na jiná, přitom vyzáří záření.

Poločas rozpadu

Nikdo neví, kdy se rozpadne jedno konkrétní jádro. Ale u obrovského množství jader platí přesné pravidlo: za určitou dobu se rozpadne vždy polovina.

Poločas rozpadu TDoba, za kterou se rozpadne polovina jader. Pro ¹⁴C je to 5 730 let.

Sleduj graf: po každém poločase zbude polovina toho, co bylo. Kolik procent zbude po 3 poločasech?

Živý strom stále přijímá uhlík ze vzduchu, takže má stálý podíl ¹⁴C. Po smrti příjem skončí a ¹⁴C ubývá. Ze zbylého množství se spočítá stáří.

Ve vzorku dřeva zbyla čtvrtina původního ¹⁴C. Jak je staré?
Čtvrtina = ½ · ½ = 2 poločasy. 2 · 5 730 = 11 460 let.

Druhy záření

α (alfa) – jádra helia (2 protony + 2 neutrony); zastaví je list papíru. β (beta) – elektrony nebo pozitrony; zastaví je hliníkový plech. γ (gama) – fotony s velkou energií; zeslabí je až olovo nebo beton. Chrání nás vzdálenost, krátký čas a stínění.

Odkud se bere jaderná energie

Nukleony v jádře drží pohromadě obrovská jaderná síla. Nejpevněji jsou svázané jádra kolem železa. Proto se energie uvolní, když se těžké jádro (uran) rozštěpí, i když se lehká jádra (vodík) sloučí – v obou případech vzniknou jádra pevněji vázaná. Elektrárny štěpí uran, Slunce slučuje vodík na helium.

Kolik neutronů má jádro ²³⁵₉₂U?
N = A − Z = 235 − 92 = 143.
✗Po dvou poločasech se rozpadne všechno.
✓Po dvou poločasech zbude čtvrtina (25 %).

Každý poločas se půlí to, co zbylo, ne původní množství. 100 % → 50 % → 25 % → 12,5 %… Nikdy to neklesne přesně na nulu.

Jádro = Z protonů + (A − Z) neutronů. Za každý poločas zbude polovina jader. Energii uvolní štěpení těžkých i slučování lehkých jader.

Jádro a rozpady

O čem to je

Když se jádro rozpadne, změní se v jiný prvek – to, o co se marně snažili alchymisté. Abys věděl, co z rozpadu vznikne, stačí umět „účetnictví“ protonů a neutronů. Tady se ho naučíš.

Nové pojmy

NukleonČástice jádra: proton nebo neutron.
Nuklid a jeho zápisDruh jádra s daným počtem protonů a neutronů. Zápis ²³⁵₉₂U: nahoře nukleonové číslo A (všechny nukleony), dole protonové číslo Z (protony). Neutrony N = A − Z.
IzotopyNuklidy se stejným Z a různým A (stejný prvek, různý počet neutronů).
AktivitaPočet rozpadů za sekundu. Jednotka becquerel (Bq) = 1 rozpad za sekundu.
Vazebná energie a hmotnostní schodekEnergie potřebná k rozebrání jádra na jednotlivé nukleony. Jádro váží o něco méně než volné nukleony – tento hmotnostní schodek odpovídá vazebné energii podle E = m · c².

Rozpady

RozpadCo vyletíZměna AZměna Z
αjádro helia ⁴₂He−4−2
β⁻elektron (neutron se změní na proton)0+1
β⁺pozitron (proton se změní na neutron)0−1
γfoton00
Zapiš A a Z původního jádra.
Podle tabulky odečti nebo přičti.
Podle nového Z najdi prvek v periodické tabulce.
Kontrola: součet A i součet Z na obou stranách reakce musí sedět.
²³⁸₉₂U se rozpadne rozpadem α. Co vznikne?
A = 238 − 4 = 234, Z = 92 − 2 = 90. Z = 90 je thorium: ²³⁴₉₀Th.
¹⁴₆C se rozpadne β⁻. Co vznikne?
A zůstane 14, Z = 6 + 1 = 7 → dusík ¹⁴₇N.

Rozpad α je jako rovnice se dvěma neznámými. Vyzkoušej si Z: na vahách x − 2 = 90 (x je původní protonové číslo). Zjisti x.

Zákon rozpadu

N = N₀ · 2^(−t/T). N₀ = počáteční počet jader, T = poločas. Po t = T zbude ½, po 2T ¼, po 3T ⅛ (12,5 %).

Štěpení a syntéza

Vazebná energie na jeden nukleon je největší u jader kolem železa a niklu. Štěpením těžkých jader (uran v elektrárně) i slučováním lehkých (termojaderná syntéza vodíku na helium ve Slunci) vznikají pevněji vázaná jádra a rozdíl energie se uvolní.

Záření: α zastaví papír, β hliníkový plech, γ zeslabí olovo či beton. Ochrana: vzdálenost, čas, stínění.

✗Při rozpadu β⁻ se A zmenší o 1, protože vyletí elektron.
✓Při β⁻ se A nemění a Z vzroste o 1.

Elektron není nukleon. V jádře se jeden neutron změní na proton – počet nukleonů zůstane, protonů přibude.

N = A − Z. α: A − 4, Z − 2. β⁻: Z + 1. γ: beze změny. N = N₀ · 2^(−t/T). Nejpevněji vázaná jsou jádra kolem železa.