-
Znáte tu věc, co vás může proměnit
v superhrdinu nebo v mutanta?
-
Alespoň ve většině sci-fi filmů natočených
v posledních 60 letech to tak bývá.
-
Ta věc je dokonce v názvu písně, která nás
vítá v nové éře (od Imagine Dragons)
-
V nové éře pravděpodobně
po nějaké apokalypse.
-
Jen málo věcí z oblasti chemie bývá tolik
skloňováno, jako je právě radioaktivita.
-
Avšak některé její vlastnosti bývají
chápány naprosto mylně.
-
Většina si ji představuje jako nástroj
pro mutaci genů a roztékání obličejů.
-
A musím uznat, že některé formy
radioaktivity toto dokáží udělat.
-
Ale o to spíš je dobré ji
rozumět, nebo ne?
-
Zároveň ale umí vyrábět elektřinu pro náš
pohodlný život bez globálního oteplování.
-
Přestože Fukušima nám ukázala,
že to není úplně bez rizika.
-
Ale o tom si
povíme v příštím díle.
-
Než se ale pustíme do tajů jaderné
chemie jako je jaderné štěpení,
-
jaderné fúze a jejich úskalí, nejprve
si přesně vysvětlíme radioaktivitu.
-
Co to vlastně je, jaké existují druhy
a proč se jí vlastně nemusíme bát.
-
Tedy alespoň ne
ve všech případech.
-
Jaderná chemie - radioaktivita
-
Radioaktivita je takovým
speciálním tématem v chemii,
-
když ji porovnáme s tím,
co jsme probírali doposud.
-
Chemické reakce jsou založeny na
různých kejklích vnějších elektronů.
-
Protony, neutrony, a dokonce i vnitřní
elektrony se jimi prakticky nemění.
-
Protony a neutrony jsou ale stále
součástí atomu a také sloučenin
-
a jejich interakce
jsou také důležité.
-
Pokud se účastní reakce i protony a
neutrony a mění se u toho jejich počet,
-
často se tím uvolní
obrovské množství energie.
-
Mnohem více, než jen z pouhého přesunu
elektronů, o kterém jsme se bavili dříve.
-
Jelikož se tyto změny dějí přímo v jádře,
pojmenovala se daná oblast Jaderná chemie.
-
Teď si říkáte, že změníme-li jádro atomu,
úplně se tím změní celá jeho podstata.
-
Počtem protonů je
přeci dán prvek.
-
Změnou počtu protonu se proto
změní prvek na úplně jiný.
-
O tom snili alchymisté,
přeměnit olovo ve zlato.
-
Jak si asi dokážete představit, toto se
v běžné chemické reakci ale neděje.
-
To samé platí i pro druhou
jadernou částici, neutrony.
-
Atomům se stejným protonovým, ale různým
neutronovým číslem říkáme izotopy.
-
Při změně počtu protonů získáme
jiný izotop stejného prvku.
-
Oběma těmto dějům, kdy se mění počet
částic v jádru, říkáme transmutace.
-
Vyplývá z toho také, že je možné
přetvořit olovo na zlato.
-
Celý ten proces je ale natolik drahý,
že by se to vůbec nevyplatilo.
-
Ale dává nám to jasně najevo, že jaderná
chemie je úplně jiné chemické kafe.
-
I když něco má jaderná chemie
s tou obyčejnou společného,
-
stejně jako my, i všechny
atomy touží po stabilitě.
-
Stejně jako atomy jsou nejstabilnější,
pokud mají plně zaplněnou valenční slupku,
-
jádra také upřednostňují určité
kombinace protonů a neutronů.
-
A stejně jako když atomy přijímají nebo
odevzdávají elektrony kvůli stabilizaci,
-
při nestabilním počtu protonů a neutronů
se jádro stabilizuje jejich odevzdáním.
-
Procesu, při kterém se jádro takto
rozpadne, říkáme radioaktivní rozpad.
-
A stejně jako u jakékoli
jiné chemické reakce,
-
i u této je třeba znát více informací
než jen reaktanty a produkty.
-
V tomto případě je nejdůležitější vědět,
kolik produktu vznikne a jak rychle.
-
Nejdůležitější s tímto spojenou
veličinou je poločas rozpadu.
-
Je to čas, za který zbude polovina
počáteční koncentrace reaktantu.
-
Tento poločas rozpadu
je daný pro každé jádro.
-
Pokud jej známe, dokážeme vypočítat,
kolik vzorku budeme mít po určitém čase.
-
Fosfor-32 má například
poločas rozpadu 14,3 dne.
-
Pokud jej tedy budeme mít 100 gramů,
po 2 týdnech nám bude zbývat 50 gramů.
-
Po dalších 2 týdnech se množství zase
sníží na polovinu, 25 gramů, a tak dále.
-
Radioaktivní prvky se rozpadají
na stále stabilnější izotopy.
-
Tím pádem přestávají být radioaktivní,
proč jsou tedy stále kolem nás?
-
To je báječná otázka,
je dobře, že zazněla.
-
Je to vlastně jednoduché, když vzorku
dáme dost času, přestane být radioaktivní.
-
To platí i pro bismut, jehož poločas
rozpadu je delší než stáří vesmíru.
-
Prvky s krátkými poločasy rozpadu
můžou být ale produkty jiného rozpadu.
-
Takové řetězové rozpady mají
prvopočátek v nějaké supernově
-
a teď se dále rozpadají na
Zemi po dobu miliard let.
-
Některé radioaktivní izotopy, jako
například uhlík-14 v atmosféře,
-
se neustále obnovují
působením kosmického záření.
-
Radioaktivní rozpad
se spustí tehdy,
-
pokud je jaderná energii vyšší
než u jiné jeho stabilní verze.
-
Tento energetický rozdíl je běžně
vyrovnáván pomocí ionizujícího záření.
-
To už známe pod
pojmem radioaktivita.
-
Ionizující tomu
říkáme proto,
-
že má dostatek energie pro
vyražení elektronu z jiného atomu
-
A tím
vytváří ionty.
-
Existují tři typy
radioaktivního rozpadu.
-
Jejich pojmenování vyplývá z toho,
co se při rozpadu uvolňuje z jádra.
-
Pojďme se podívat na nejznámější
radioaktivní prvek, tedy uran.
-
Nejběžnějším v přírodě se
vyskytujícím izotopem je uran-238.
-
Tento izotop tvoří více
než 99 % uranu na světě.
-
Uran-238 se samovolně rozpadá na
thorium-234 a uvolní se tím alfa částice.
-
Z tohoto důvodu tento proces
nazýváme rozpad alfa.
-
Je u něj vyzářena částice,
která odpovídá heliu,
-
2 protony se
2 neutrony.
-
Takto se
i zapisuje.
-
Rovnou si to pojďme i přepočítat, jestli
nám vychází počet protonů a neutronů.
-
92 minus 2 je 90 a 238
minus 4 je opravdu 234.
-
Povšimněte si, že
nezaznamenáváme náboje.
-
Heliová částice bude mít náboj 2
plus a thorium bude mít 2 minus.
-
Není to sice
špatně si je zapsat,
-
ale většinou se nepíšou, abychom
zdůraznili, že se proces děje v jádru.
-
Alfa částice teď nemají moc energie
a na částici jsou celkem těžké.
-
I když se snažím nechodit
s uranem po kapsách,
-
vím, že alfa částice neprojdou
ani listem papíru ani látkou.
-
Druhým typem rozpadu je rozpad
beta, při kterém se uvolňují elektrony.
-
Ty mají o něco větší
energii než alfa částice,
-
ale stejně je dokážeme odstínit
tenkou hliníkovou fólií nebo naší kůží.
-
Co se děje dál s thoriem-234 po
tom, co vznikl z rozpadu uranu?
-
Může se dále rozpadat
beta rozpadem.
-
Uvolní se elektron
a vznikne xenon.
-
Jen upozorňuji, že způsob zápisu
je zase o něco rozdílný.
-
Thorium uvolní elektron, ale tento
elektron zapisujeme trochu zvláštně.
-
Místo toho jej zapíšeme jakoby to bylo
jádro s protonovým a nukleonovým číslem.
-
Jelikož je to ale elektron, píšeme
minus 1 do protonového čísla.
-
To se může zdát
trochu divné.
-
Nebojte, v příštím díle si to na
jaderných reakcích vše dovysvětlíme.
-
Třetí typ rozkladu je trochu odlišný,
jelikož uvolňuje záření a ne částici.
-
Říkáme mu záření gama a jedná
se o elektromagnetické záření,
-
jako je třeba i viditelné nebo
UV záření, jen s vyšší energií.
-
Jelikož se jedná jen o záření, nepočítáme
změnu protonů, neutronů ani elektronů.
-
Zapisuje se se
dvěma nulami.
-
Tato forma
záření je uvolněna,
-
pokud dochází k elektronovému přechodu
z excitovaného stavu do stabilnějšího.
-
Tím stabilnějším s nižší
energií bývá stav základní.
-
Podle toho, kolik energie elektron
ztratí, přebytečná energie je uvolněna,
-
a to buď ve formě viditelného světla,
rentgenových paprsků, nebo gama záření.
-
Ukážeme si to na
příkladu niklu-60.
-
Představte si atom niklu-60 s jedním
nebo více elektrony v excitovaném stavu.
-
To značí ta hvězdička
vpravo nahoře.
-
Atomy se často do takového stavu dostanou,
pokud jsou produkty jiného rozpadu.
-
Také mohli reagovat se zářením uvolněným
z jiné reakce, čímž se elektrony excitují.
-
Teď ale všechny elektrony
spadly do základního stavu
-
a atom na základě toho
uvolní gama záření.
-
Tento děj může ale také provázet
i jakoukoli jadernou reakci.
-
Proto se s rozpadem gama
setkáváme i u jiných typů rozpadů.
-
Například když se uran v excitovaném
stavu rozpadá na thorium,
-
může zároveň uvolnit spolu
s alfa částicí i gama záření.
-
Možná jste si všimli, že věnuji
gama záření největší pozornost.
-
Je to proto, že může
být velmi nebezpečné.
-
Například vás může přeměnit
na obří zelenou příšeru,
-
které není žádný
fyzikální zákon svatý.
-
Na rozdíl od ostatních zmíněných částic,
gama záření dokáže projít kůží,
-
buněčnými membránami a
nakonec i buněčnými organelami.
-
Dokáže tedy nejen popálit
kůži a udělat vám nevolno,
-
nebo jakékoli další okamžité
příznaky nemoci z ozáření,
-
může také způsobit mutace DNA
nebo spustit rakovinotvorný proces.
-
Ale pojďme na
něco veselejšího.
-
Existuje ještě jeden typ radioaktivity,
který je velmi jednoduchý.
-
Je jím spontánní rozpad a způsobuje
rozpad atomu na 2 menší atomy.
-
A nepotřebuje k tomu
žádný vnější zásah.
-
S tímto procesem se
ale prakticky nesetkáme.
-
Jediná látka, která toto dělá v poměru,
o kterém se dá mluvit, je kalifornium-254.
-
Tímto procesem se tvoří neutrony
pro jiné jaderné reakce.
-
O tom si ale
více povíme příště.
-
Budeme se bavit o štěpení a fúzi a
o tom, jak vědci jaderné reakce regulují.