Záření a rozpady alfa, beta, gama

By: ~jk~
On: 14. 5. 2025

Na první pohled se může zdát, že vše kolem nás je klidné a pevné – stoly, kameny, lidské tělo. Ale pod povrchem, hluboko uvnitř atomů, se odehrává neustálý pohyb, napětí a někdy i výbuchy neuvěřitelné energie.

Atomy nejsou nedotknutelné koule. Jsou složené z malých částic, které drží pohromadě silami silnějšími než cokoliv, co zažíváme v běžném životě. A někdy – když je rovnováha porušena – začnou tyto částice tančit nečekaný tanec zániku a zrození. Tento tanec známe jako radioaktivitu.

Radioaktivní prvky jsou atomy, které nejsou spokojeny se svým vnitřním uspořádáním. Mají příliš mnoho protonů, neutronů, nebo energie. Aby se zklidnily, vysílají ze svého nitra částice – malé výbuchy informace o jejich změně. Tyto částice a záření nejsou jen příznakem nestability. Jsou klíčem k pochopení fungování vesmíru.

A právě zde vstupují na scénu tři slavní „poslové“ radioaktivity:

Alfa záření – těžké, pomalé, ale silné.
Beta záření – lehké, hbité a záludně pronikavé.
Gama záření – čistá energie, bez hmoty, ale s ničivou silou.

Každý typ záření vypráví jiný příběh o tom, co se v jádře atomu stalo. Není to jen věda – je to dramatický příběh přírodních zákonů.

Alfa rozpad a záření (α)

Alfa rozpad

Při alfa rozpadu nestabilní jádro vypustí částici alfa, která se skládá ze dvou protonů a dvou neutronů (tedy jádro Hélia). Tento proces sníží hmotnostní číslo jádra o 4 a protonové číslo o 2.

$^{238}_{92}\mathrm{U} \rightarrow ^{234}_{90}\mathrm{Th} + ^{4}_{2}\mathrm{He}$

Alfa záření

– Alfa záření je tvořeno těžkými, kladně nabitými částicemi.
– Má malý dosah (zastaví ho papír nebo lidská kůže), ale vysokou ionizační schopnost.
– Nebezpečné hlavně při vdechnutí nebo požití.

Beta rozpad a záření (β)

K beta rozpadu dochází, když je v atomovém jádře nerovnováha mezi počtem protonů a neutronů, a jádro se snaží dosáhnout stabilnějšího stavu. Atomová jádra mají optimální poměr mezi protony a neutrony. Pokud tento poměr není „správný“, jádro je nestabilní a snaží se upravit svůj vnitřní stav. Jedním způsobem je právě beta rozpad.

Nerovnováha mezi počtem neutronů (N) a protonů (P) v jádře může nastat z přirozených důvodů souvisejících s jadernou fyzikou – hlavně při tvorbě atomových jader a jejich energetických stavech.

Existují 2 druhy beta rozpadu.

Beta^– rozpad

Neutron se změní na proton, vzniká elektron a antineutrino.

$n \rightarrow p^{+} + e^{-} + \bar{\nu}_{e}$

(neutron → proton + elektron + antineutrino)

$^{14}_{6}\mathrm{C} \rightarrow ^{14}_{7}\mathrm{N} + e^{-} + \bar{\nu}_{e}$

Beta⁺ rozpad

Proton se změní na neutron, vzniká pozitron a neutrino.

$p^{+} \rightarrow n + e^{+} + \nu_{e}$

(proton → neutron + pozitron + neutrino)

$^{11}_{6}\mathrm{C} \rightarrow ^{11}_{5}\mathrm{B} + e^{+} + \nu_{e}$

Beta záření

– Beta záření tvoří elektrony nebo pozitrony.
– Má větší dosah než alfa, ale menší ionizační schopnost.
– Zastaví ho např. hliníková fólie nebo pár mm plastu.

Gama záření (γ)

Gama není samostatný rozpad, ale často doprovází alfa nebo beta rozpad. Jádro po rozpadu zůstává ve vzbuzeném stavu a uvolní přebytečnou energii ve formě gama fotonu.

– Gama záření je elektromagnetické vlnění (podobné rentgenovému).
– Nemá žádnou hmotnost ani náboj.
– Má velký dosah a malou ionizační schopnost, ale proniká hluboko do materiálů – zastaví ho olovo nebo silný beton.

Gama záření – příklady:

$^{60}_{27}\mathrm{Co}^{*} \rightarrow ^{60}_{27}\mathrm{Co} + \gamma$

Štěpení jádra Uranu:

$^{235}_{92}\mathrm{U} + n \rightarrow ^{141}_{56}\mathrm{Ba} + ^{92}_{36}\mathrm{Kr} + 3n + \text{energie}$

Shrnutí

Typ záření	Symbol částice	Složení	Náboj	Stínící materiál
Alfa (α)	⁴₂He	2 protony + 2 neutrony	+2	Papír, pokožka
Beta (β⁻)	e^–	Elektron	-1	Hliník, tenký plech
Beta (β⁺)	e⁺	Pozitron	+1	Hliník, tenký plech
Gama (γ)	γ	Foton (elektromagnetické záření)	0	Olovo, silný beton

O nestabilitě atomových jader

Proč není poměr neutronů a protonů vždy 1:1?

U lehkých prvků, jako je uhlík nebo kyslík, bývá stabilní poměr mezi počtem neutronů (N) a protonů (P) přibližně 1:1. Například uhlík-12 obsahuje 6 protonů a 6 neutronů, což zajišťuje jeho stabilitu.

U těžších jader je však potřeba větší počet neutronů. Ty totiž pomáhají neutralizovat elektrostatické odpuzování mezi kladně nabitými protony, které by jinak jádro roztrhlo. Neutrony tedy působí jako „pojivo“, které drží jádro pohromadě.

Při vzniku jaderných izotopů ve hvězdách nebo při výbuších supernovy může docházet k nerovnováze mezi počtem neutronů a protonů. Tato nevyváženost často vede k nestabilitě jádra.

Radioaktivní přeměny, jako je například alfa rozpad, mohou také zanechat jádro ve stavu s příliš velkým množstvím neutronů nebo protonů. Taková jádra pak obvykle podléhají dalším přeměnám, dokud nedosáhnou stabilního stavu.

Pokud je v jádře neutronů příliš mnoho, jádro se zbaví neutronu pomocí β⁻ rozpadu (neutron → proton).
Pokud je příliš mnoho protonů, nastává β⁺ rozpad (proton → neutron) nebo záchyt elektronu.

Zajímavá role neutronů

Ačkoliv neutron nemá elektrický náboj, hraje klíčovou roli ve stabilitě jádra. Pomáhá udržet protony pohromadě, i když se ty navzájem elektrostaticky odpuzují (protože mají kladný náboj).

Čím víc protonů v jádře je, tím víc neutronů je potřeba, aby převažující jaderná síla přetlačila odpuzování mezi protony.

Neutron neodpuzuje další protony, ale pomáhá je držet u sebe pomocí silné jaderné síly. Kdyby bylo v jádře příliš mnoho protonů bez dostatečného počtu neutronů, jádro by se rozpadalo kvůli elektrostatickému odpuzování.

Původ přitažlivých jaderných sil

Původ jaderné (silné) síly dnes dobře chápeme díky kvantové chromodynamice (QCD) – což je teorie, která popisuje interakce mezi kvarky a gluony, tedy základními stavebními kameny protonů a neutronů. Historicky (před QCD) ji vysvětlil Hideki Yukawa jako výměnu částic zvaných mezony (např. piony, π-mesony). Dnes víme, že mezony vznikají jako projev silné interakce mezi kvarky/gluony – ale Yukawova představa dobře odpovídá efektu jaderné síly mezi nukleony.

Jaderná síla je zbytková silná interakce.
Vzniká jako „vedlejší efekt“ silné interakce mezi kvarky uvnitř nukleonů (protonů a neutronů).
Je přitažlivá na krátké vzdálenosti, protože gluony (nosiče silné síly) vážou kvarky tak pevně, že jejich vliv prosakuje i mimo jeden nukleon – na ostatní nukleony.
Na delší vzdálenosti tato síla rychle slábne → proto se projevuje jen uvnitř jádra.

Co jsou kvarky a gluony?

Proton a neutron nejsou základní částice – jsou složené ze tří kvarků (např. proton = uud, neutron = udd).
Kvarky jsou drženy pohromadě silnou interakcí, kterou zprostředkovávají gluony.
Gluony nesou tzv. barevný náboj (analogický elektrickému, ale složitější).

Napsat komentář Zrušit odpověď na komentář

Pro přidávání komentářů se musíte nejdříve přihlásit.

Záření a rozpady alfa, beta, gama