Chem138

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.