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.