2. Základné pojmy z jadrovej fyziky

2.1. Látka a žiarenie

2.1.1. Aktivita a rádioaktivita

Aktivita je prejav dostatku energie.

Rádioaktivitou nazývame spontánnu vlastnosť jadra atómu podliehať peocesom, ktoré vedú k energetickej zmene, k zmene počtu alebo k zmene usporiadania jeho stavebných častíc - nukleónov. Tieto zmeny sú sprevádzané vysielaním elektromagnetického alebo korpuskulárneho žiarenia, pričom pôvodný nuklid sa mení na nuklid iného druhu alebo na nuklid s iným obsahom energie. Jadrá, ktoré sa vyznačujú touto vlastnosťou sa nazývajú rádionuklidmi.

Nuklid sa definuje ako atóm s presne definovaným protónovým a nukleónovým číslom. Nukleónové číslo A udáva celkový počet nukleónov v jadre, neutrónové číslo N označuje počet neutrónov a protónové číslo Z počet protónov v jadre, pričom platí : A = Z + N.

Prvok zahàňa všetky druhy atómov, ktoré majú rovnaký náboj (rovnaký počet protónov a elektrónov), ale rozdielne počty neutrónov. Atómy, ktoré majú rozdielne nukleónové číslo, ale rovnaké protónové číslo, sa nazývajú izotopmi. Izobary sú nuklidy s rovnakým počtom nukleónov, ale s rozdielnym počtom protónov. Izotóny sú nuklidmi s rovnakým neutrónovýn číslom a izodiaféry sú nuklidmi rádioaktívnych premenových radov, ktoré majú rovnaký absolútny prebytok neutrónov v jadre (N-Z). Izoméry majú obe tieto čísla rovnaké a líšia sa svojim energetickým stavom. Izomér s vyšším energetickým stavom ako je jeho základný stav sa označuje ako metastabilný (malým m za nukleónovým číslom).

Pri jadrových premenách dochádza k zmene energetického obsahu jadra alebo k zmenám počtu nukleónov.

Rádionuklidy podliehajú nasledujúcim rádioaktívnym premenám :

· -premena s emisiou -žiarenia, ktoré sa skladá z -častíc , pričom dochádza k premene materského nuklidu M na dcérsky nuklid D,

· kladná -premena (⁺ , pozitrónová) s emisiou pozitrónu pri premene protónu na neutrón , sprevádzaná emisiou neutrína ,

++,

kde dolné indexy označujú elektrické náboj v elementárnych jednotkách a horné hmotnosť v atómových hmotnostných jednotkách.

· záporná -premena (^- , negatrónová) s emisiou elektrónu pri premene neutrónu na protón, sprevádzaná eemisiou antineutrína ,

++ ,

· elektrónové zachytenie, pri ktorom jadro atómu zachytáva elektrón zo spodných hladín (najčastejšie z hladiny K alebo L) vlastného elektrónového obalu, pričom dochádza k premene neutrónu na protón

++,

· -žiarenie, -prechod (energetický), jadrom emitované elektromagnetické žiarenie, ktoré zvyčajne sprevádza žiarenie korpuskulárne, prižom sa nemení počet a forma nukleónov, ale iba energetický stav jadra podobne ako pri izomerickom prechode.

Niektoré nuklidy vzdialené od krivky jadrovej stability, emitujú oneskorené častice, ktorými môžu byť neutróny, protóny alebo -častice. V oblasti ťažkých jadier môže dochádzať ku spontánnemu štiepeniu jadier nuklidov. Pri -premenách a elektrónovom zachytení sa nukleónové čísla nemenia a rádionuklidy tvoria izobarické rady-premenové reťazce. Takto sa správa väčšina produktov štiepenia.

Vzbudené jadro sa zbavuje prebytočnej energie niekedy formou vnútornej konverzie žiarenia tak, že energiu pri -prechode odovzdá niektorému elektrónu v obale jadra a výsledkom je emisia elektrónu. Na uvoľnené miesto v elektrónovom obale sa premiestňujú elektróny z vyšších energetických hladín, čím dochádza k emisii kaskády charakteristického žiarenia, ktoré závisí od druhu atómov terčovej látky a zodpovedá rozdielu energií elektrónu na energetickej hladine pred a po prechode. Energia niektorých zložiek charakteristického žiarenia môže byť pritom dostatočne veľká na to, aby uvoľnila z obalovej časti ïalší elektrón, ktorý sa nazýva Augerovým elektrónom.

2.2. Jadrové premeny

Jadrovou reakciou sa nazýva proces pri interakcii terčového jadra X s ostreľujúcou časticou a za vzniku výsledného rádioaktívneho alebo stabilného atómového jadra Y a ľubovoľnej emitovanej častice alebo fotónu b podľa schematického zápisu :

X(a,b)Y.

Ak vzniká jadrovou reakciou rádioaktívne jadro, hovoríme o aktivácii. Najvýhodnejšie vlastnosti ako častica iniciujúca reakciu má neutrón. Nemá náboj a ľahko preniká do atómového jadra pri nízke energii. Vyvoláva neutrónové aktivačné reakcie alebo reakcie jadrového štiepenia, ktoré sú z jadrových reakcií najdôležitejšie. Najvýznamnejšie jadrové reakcie sú uvedené v tabuľke 2.1.

Tab.2.1. Zmeny protónových čísel produktov oproti protónovému číslu terčového nuklidu Z

Typ jadrovej reakcie	Protónové číslo produktu reakcie
(,n)	Z+2
(,p) (d,n) (p,n)	Z+1
(,d) (d,p) (n,)	Z
(d,) (p,) (n,p) (,p)	Z-1
(n,) (,)	Z-2

Počet jadrových reakcií za časovú jednotku závisí od súčinu hustoty toku aktivujúcich častíc alebo fotónov (m^-2.s^-1), počtu terčových jadier N a účinného prierezu aktivačnej reakcie _akt. Hustota toku je súčinom hustoty neutrónov (m^-3) a ich rýchlosti (m.s^-1). Účinný aktivačný prierez charakterizuje pravdepodobnosť priebehu určitej aktivačnej reakcie a má rozmer m² (starou jednotkou bol 1 barn = 10^-28 m²).

Zmenu počtu aktívnych jadier určitého nuklidu N_a od času možno vyjadriť rozdielom medzi prírastkom počtu rádionuklidov z aktivačného procesu a úbytkom rádioaktívnou premenou

,

kde je rozpadová konštanta vznikajúceho rádionuklidu.

Integráciou tejto lineárnej diferenciálnej rovnice v čase od 0 do t získame pri počiatočných podmienkach t=0 a N_a=0 vťah popisujúci aktiváciu

,

kde A_t=N_a. označuje aktivitu v Bq a súčin ._akt. označuje nasýtenú (saturačnú) aktivitu A_sat, ktorú je možné dosiahnuť aktiváciou v nekonečne dlhom čase. Nárast a pokles aktivity vznikajúceho rádionuklidu od času, vyjadreného v násobkoch polčasu premeny vznikajúceho rádionuklidu T, je uvedený na obr. 2.1.

Obr.2.1. Nárast a rozpad aktivity rádionuklidu v násobkoch polčasu rozpadu T

Ak vyjadríme N=N_A..m/m_a, kde m je hmotnosť terčového prvku v g, je relatívne izotopové zastúpenie terčového nuklidu, m_a je jeho atómová hmotnosť a N_A (Avogadrovo číslo) je 6,023.10²³ mol^-1, dostaneme pre aktivitu vzniknutého rádionuklidu v čase t' po ukončení aktivácie, trvajúcej čas t

Záchytnou jadrovou reakciou tepelného neutrónu v jadrách jadrového paliva vznikajú napr. transurány a z jadier prvkov konštrukčných reaktorových materiálov vznikajú rádionuklidy koróznych produktov.

2.3. Interakcia žiarenia s látkou

Rádioaktívne žiarenie sa zoslabuje vplyvom látky, ktorou prechádza. Dochádza ku dvom principiálne odlišným procesom, k absorpcii a rozptylu žiarenia.

Absorpciou sa označuje proces, pri ktorom dochádza ku zmenám energie žiarenia, spôsobeným interakciou medzi atómami absorbátora a žiarením.

Rozptylom sa označuje proces, pri ktorom dochádza nielen ku zmene energie žiarenia, ale najmä ku zmene jeho pôvodného smeru. Procesy, pri ktorých sa mení energia, prípadne smer dopadajúcich žastíc alebo fotónov, sa súhrnne oznažujú názvom interakcia.

Účinný prierez je pravdepodobnosť interakcie kolmo dopadajúcej častice na danú terčovú plochu. Pri jednorazovej interakcii medzi žiarením a atómom možno pre zoslabenie toku žiarenia z pôvodnej hodnoty _o na hodnotu prechodom cez hrúbku materiálu x(m) s hustotou jadier N (m^-3) a účinným absorpčným prierezom (m²) odvodiť vzťah

Exponent je možné vyjadriť aj pomocou celkového lineárneho súčiniteľa zoslabenia

,

kde N_A je Avogadrovo číslo, je hustota a m_a je molárna hmotnosť terčového prvku. Veličina / (m².kg^-1) sa nazýva hmotnostným súčiniteľom zoslabenia. Exponent možno vyjadriť pomocou makroskopického účinného prierezu , ktorý je súčtom mikroskopických úžinných absorpčných a rozptylových prierezov.

Na mechanizme absorpcie enrgie nabitých častíc sa podieľajú predovšetkým ionizácia a exitácia elektrónov a interakcia s jadrami absorpčného prostredia.

Ionizácia je najčastejším spôsobom interakcie žiarenia s látkou. Žiarenie pri nej spôsobuje uvoľnenie elektrónov z obalov atómov a vytváranie iónov. Uvoľnené elektróny majú často tak veľkú energiu, že sú schopné vyvolávať sekundárnu ionizáciu.

Exitáciou sa označuje interakcia s prenosom energie žiarenia, pričom sa zväčší vnútorná energia atómu a elektróny sa z nižších energetických hladín premiestnia do vyšších. Pri prechode zo vzbudeného stavu do pôvodného sa rozdiel v energii hladín vyžiari vo forme fotónu. Na mechanizme absorpcie energie nenabitých častíc sa podieľa predovšetkým prenos energie cestou pružných zrážok s atómami absorpčného prostredia.

2.3.1. Elektrónové žiarenie

Elektróny pri prechode látkou strácajú energiu množstvom rozličných procesov, predovšetkým zrážkami s elektrónmi obal atómu, exitáciou atómov a molekúl, brzdným žiarením, zrážkami s jadrami, rezonančnou absorpciou a pod. Elektrón znižuje svoj energetický stav mnohonásobnými nepružnými zrážkami dovtedy, kým nedosiahne energiu tepelného pohybu. Počet iónových párov vytváraných na jednotku dráhy elektrónu sa nazýva lineárnou ionizáciou. Celková lineárna ionizácia je súčto iónových párov vytvorených primárnymi a sekundárnymi neutrónmi

Straty energie brzdným žiarením, pri zabrzdení elektrónu v poli jadra, sú významné najmä pri energiách elektrónu vyšších ako 1,6.10^-13J (1MeV)