Úvod do rádioaktivity

Keď sa opýtajú fyzika, že prečo treba investovať peniaze do základného výskumu, bežne odpovie: “Lebo atómová bomba.‘‘ Máloktoré zabŕdanie do fundamentálnych zákonov prinieslo také technológie, ako Einsteinove dumanie o časopriestore a slávna rovnica E = mc^2. 

Bežne, keď chceme povedať, že niečo nie je až tak ťažké, povieme: ‚‚Však to nie je jadrová fyzika.‘‘ V človeku to vzbudí dojem, že jadrová fyzika je pre laika nepreniknuteľne zložitá. Áno, rozumieť všetkým detailov je naozaj náročné, no to, čo o nej potrebuje vedieť bežný človek, je až prekvapivo jednoduché. Poďme sa na to pozrieť. 

Atómy sa skladajú z elektrónov, ktoré nás teraz nemusia zaujímať a z jadra. Jadro je tvorené z dvoch druhov častíc: neutrónov a protónov (dokopy sa volajú nukleóny, teda častica jadra). Pokojne si ich predstavte ako gulôčky dvoch rôznych farieb, majú veľmi podobnú hmotnosť, hlavný rozdiel je, že protón má kladný elektrický náboj a neutrón je, ako názov napovedá, neutrálny.

Prvky charakterizujeme podľa počtu protónov. Vodík má v jadre jeden, hélium dva, lítium tri. Neutrónov majú bežne zhruba rovnako veľa, typicky trochu viac. Protóny sa síce kvôli rovnakému náboju elektricky odpudzujú, no na krátke vzdialenosti prevažuje príťažlivá jadrová sila (pôsobí medzi všetkými nukleónmi).

Kľúčová vec je, že hmotnosť jadra nie je súčtom hmotností jednotlivých častíc, 1 a 1 nie je spolu 2. Dôvodom je Einsteinov vzťah prepájajúci energiu s hmotnosťou, E = mc^2. Rozdiel je spôsobený väzbovou energiou nukleónov. Spočítať väzbovú energiu je zložité, ale zvládnuteľné; pre bežné (fyzikálne) potreby stačí tabuľka stability prvkov.

Platí, že pre atómy ľahšie ako železo je energeticky výhodné sa spájať, pre ťažšie sa zas rozpadať. Napríklad Slnku dodáva energiu to, že spája ľahké prvky na ťažšie. Zemské jadro zas zahrieva rozpad veľmi ťažkých prvkov na ľahšie.

Prvky s rovnakým počtom protónov, ale rôznym počtom neutrónov, voláme izotopy. Napríklad uhlík má vždy 6 protónov, no neutrónov má od 2 po 16, takže niekedy hovoríme o uhlíku-11 (dokopy 11 nukleónov), niekedy o uhlíku-16 a podobne.

Každý izotop má svoj polčas rozpadu (správnejšie zmeny). To je čas, za ktorý sa zmení s pravdepodobnosťou 50%. Ak dáte večer do chladničky 10 prvkov s polčasom rozpadu 8 hodín, ráno ich tam nájdete 5, plus to na čo sa časť z nich zmenila. (Teda, zhruba 5, kedže rozpad je náhodný jav). 

Napríklad uhlík-14 má polčas rozpadu cez 5000 rokov, uhlík-11 dva týždne, väčšina ostatných izotopov len zlomok sekundy. Niektoré prvky majú veľmi dlhý polčas rozpadu, pokojne dlhší než vek vesmíru, niektoré sa zas rozpadnú za miliardtinu miliardtiny sekundy. 

Ako bolo povedané, hmotnosť jadier je iná, než súčet jeho častí. Keď dôjde k rozpadu, rozdiel energie jadier pred a po sa zmení na kinetickú energiu – práve toto je zdroj využitelnej energie.

Rádioaktivita je jav, kedy nestabilný prvok stratí energiu vyžiarením častice. Napríklad: polónium-214 sa počas 160 mikrosekúnd s 50% pravdepodobnosťou premení na olovo-210, pričom sa vyžiari časť energie.

Z rádioaktívnych rozpadov však nelietajú len neutróny, ale aj neutrína či žiarenia alpha, beta a gamma. Neutrína sú tak nereaktívne, že sa o nich dlho ani nevedelo – pokojne preletia aj durchom cez planétu – prvé podozrenie o ich existencie vzniklo až vďaka tomu, že pri skúmaní zrážok chýbala časť energie, ktorú odnášajú. 

Alpha žiarenie sú jadrá atómov hélia, bežne vyletujú asi s 5% rýchlosti svetla. To vyzerá nebezpečne (a v prípade zásahu by aj mohlo byť), no sú pomerne “ťarbavé”, silno interagujú s okolím a tak ich zastaví aj tenká vrstva papiera alebo pár decimetrov vzduchu. Beta žiarenie tvoria elektróny alebo pozitróny, ktoré sú citeľne prenikavejšie, no stále ich zastaví aj tenká hliníková vrstva. Majú elektrický náboj a tak reagujú s atómami, môžu ich ionizovať a napríklad poškodiť DNA (na čo je telo pripravené, kým to neprekročí istú medzu). Beta žiarenie sa používa pri rádioterapii na hubenie rakovinových buniek.

Názvy žiarenia sú zoradené podľa ich sily, na vrchole rebríčka je gamma žiarenie. Gamma žiarenie je vlastne iba “obyčajné” svetlo, niečo ako röntgen na steroidoch, ide o vysokoenergetické fotóny. Prvý problém je, že sú vysokoenergetické, druhý je, že sú vysokopenetrujúce; gamma žiarenie úplne nezastaví ani hrubá vrstva olova. Keď narazia do molekuly v tele, rozbijú ju. V danom mieste ostane zachytená značná časť energie (stúpne teplota). 

Kým je to v malých dávkach, nedeje sa nič zlé – telo je pripravené na drobné rekonštrukcie. Pri väčšom ožiarení stúpa riziko, že žiarenie poškodí DNA čo povedie k vzniku rakoviny (pracovníci jadrovej elektrárne majú riziko zvýšené o 2%, preživší výbuchu v Nagasaki a Hirošime až o 30%). Pri ešte vyššej intenzite začne začnú byť problémy okamžité, dochádza k ničeniu buniek po celom tele, poškodzovaniu kostnej drene, vnútorných orgánov a imunitného systému. Hromadiace sa teplo sa nestíha z tela odstraňovať. V seriáli Černobyl povedali, že toto žiarenie je ako také malé vystrelené náboje – myslím, že celkom výstižný opis. 

Treba však pripomenúť, že radiácia je prirodzený jav a žiarenie je okolo nás prítomné non-stop. Keď v jednej dávke dostanete žiarenie, čo bežne za celý rok (zhruba 0.0036 sV), nestane sa (asi) nič. Až tristonásobné množstvo vyvolá mierne zmeny v krvi a až tisícnásobné množstvo (ročnej dávky) vyvolá spomínané problémy. 

Aby som to celé zhrnul, existuje 118 chemických prvkov (atómov s rôznym počtov protónov) a každý z nich má niekoľko izotopov (rovnaký počet protónov, iný počet neutrónov). Takmer každý z nich po istom (náhodnom, ale v priemere predvídateľnom) čase podľahne rádioaktívnej premene. Pri tejto zmene dochádza k uvoľneniu bežne zanedbateľného množstva energie. Citeľné a nebezpečné to začne byť až vtedy, keď dôjde k premene obrovského množstva jadier naraz, napríklad kvôli reťazovej reakcii …

[Samuel]