Jak se chránit před radioaktivitou? Záření beta

Co je to beta záření a proč je jeho odstínění komplikovanější než u gama nebo rentgenového záření? Zajímavosti ze života beta částic. (délka blogu 15 minut)

Co je to vlastně beta záření?

Označení různých druhů “radioaktivního” záření pochází z doby, kdy lidé ještě přesně neznali fyzikální podstatu radioaktivity. Teprve později bylo prokázáno, že to, co první objevitelé označili jako záření beta, jsou jen běžné volně letící elektrony (případně méně běžné pozitrony).

Elektrony jsou pro naši civilizaci velice potřebné a užitečné částice - vždyť je na nich založen celý náš elektrifikovaný život. Ovšem v momentě, kdy nezůstávají spořádaně v zásuvce, kde kde si hrají na elektrický proud, začínají nám být nebezpečné.

Volně letící elektrony, které mají určitou rychlost a energii - totiž mají schopnost měnit stav hmoty - ionizovat ji nebo ničit strukturu organických molekul. Zatímco při střetu s živou hmotou způsobují škody, které si nepřejeme - dá se jejich interakce s neživou hmotou (podobně jako u gama záření, zmiňovaném v minulém blogu) využít k odstínění a tedy také ochraně.

V minulém blogu jsem se věnovala jevům, které vyvolává v materiálu fotonové záření (gama a rentgenové). Fotony jsou nehmotné částice, definované energií, kterou v sobě nesou - a tak je logicky jejich vliv na hmotu jiný, než vliv záření beta. Zatímco fotony mají tendenci hmotou proletět a reagují s ní jen zřídka (mezi jejich interakce patří fotoefekt, comptonův rozptyl a tvorba páru částic, případně fotodezintegrace) - reagují elektrony s okolní hmotou daleko ochotněji. Jsou to totiž elektricky nabité částice - a musí se podřizovat příslušným fyzikálním zákonům. Jejich pohyb je ovlivňován elektrickým a magnetickým polem. Při kontaktu s okolní hmotou pak dochází k ionizaci, nabuzení nebo rozptylu - a také tvorbě brzdného záření.

Odkud se bere beta záření?

Beta záření vzniká při tzv. beta rozpadu radioaktivních jader.

Při těchto přeměnách

se díky tzv. slabé jaderné interakci (jedné ze čtyřech vesmírných fundamentálních sil) jeden z neutronů v jádře změní na proton (beta mínus rozpad) nebo proton na neutron (přeměny beta plus a elektronový záchyt). Tyto přeměny jsou doprovázeny emisí elektronu a antineutrina nebo pozitronu a neutrina. O tom, která z obou přeměn se bude konat, rozhodují energetické hladiny aktuálně nejenergetičtějších částic - protonu nebo neutronu v jádře atomu.  

Při přeměně beta plus

 (vznik pozitronu) ještě navíc vzniká foton. Během přeměny se totiž jádrem pohltí elektron z elektronového obalu atomu. Bývá to samozřejmě jeden z těch, které se nachází v jádru nejbližší elektronové slupce. Takové elektrony atomu citelně chybí - a tak se na jejich místo vydá některý z elektronu z vnější části elektronového obalu. Rozdíl energií (mezi energií ve vzdálenější a v jádru blízké slupce) se pak vyzáří ve formě právě zmiňovaného fotonu. 

Při zvýšení počtu protonů v jádře se zároveň prvek mění na jiný prvek. Je to totiž množství protonů, které určuje chemické vlastnosti určité látky. Počtu protonů se přizpůsobuje počet elektronů v elektronové obalu. Jsou to právě elektrony z poslední a jádru nejvzdálenější elektronové slupky, kdo rozhoduje, jaké chemické vlastnosti budeme u prvku pozorovat.

Při přeměně tedy nikdy nevzniká jen jedna jediná částice. To se odráží na energii vzniklého beta záření. Energie se totiž niky nepřenáší jen na jednu z částic - dělí se mezi všechny aktéry podle určitých zákonů. Výsledkem je spojité energetické spektrum s určitou maximální energií, kterou by dostal volný elektron, kdyby mu připadla veškerá dostupná energie.

Případ první - ionizace

K tomu, aby mohl rychle letící volný elektron ionizovat cizí atom (hmotu), musí nejprve “trefit” některý z elektronů v jeho elektronovém obalu.

To není samo o sobě moc lehké nebo pravděpodobné. Odpovídá to situaci, kdy vystřelíte ze dvou pistolí proti sobě dvě jehly a doufáte, že se vzájemně trefí.

Následně to znamená, že v materiálu, ve kterém se nachází jen relativně malé množství atomů, nedochází k interakci s elektrony moc často. To se dá pozorovat například u plynů, kde je vzdálenost mezi jednotlivými atomy daleko vyšší než v pevné hmotě. Beta záření se tedy stíní plynem jen nedokonale.

V pevných materiálech se mu do cesty samozřejmě staví daleko více atomů - takže je daleko vyšší pravděpodobnost, že se “jehla” trefí do některé cizí “jehly”. Těžké prvky, které mají dostatečně vysoké množství elektronů ve svých elektronových obalech, nabízejí letícím elektronům ještě větší množství cílů - větší množství “jehel”.

Nejvíce interakcí mezi letícím elektronem (beta záření) tedy bude probíhat v pevných látkách, které se skládají z pokud možno co nejtěžších prvků. Více interakcí znamená logicky větší odstínění záření - za dobrou ochranu před beta paprsky tedy můžeme považovat například vrstvu olova.

Má to ale jeden háček….

Případ druhý - brzdné záření

Jelikož nesou elektrony záporný náboj, nemohou si “nevšimnout” nábojů jiných částic ve hmotě, do které pronikají.

Pokud si představíte hmotu jako místnost plnou lidí, dá se to přirovnat k následující situaci. Gama nebo rentgenové vlny se chovají jako úplně cizí osoby,  kteří se snaží takovou místností projít z jednoho konce na druhý. Nikdo se o ně nezajímá - a ani ony se nezajímají o okolo stojící lidi - leda by se jim někdo postavil do cesty a tím jejich postup znemožnil.

Beta záření má oproti tomu v místnosti spoustu známých - a ti na něj mávají, zdraví se s ním a snaží se s ním zapříst rozhovor.

A tak se beta záření (rychle letící elektrony) díky jiným nabitým částicím rozptylují, mění svou dráhu. To má jeden zásadní následek. Elektricky nabité částice, které se pohybují po zakřivené dráze, totiž samy vysílají určitý druh fotonového záření - kterému se v tomto případě říká “brzdné”.

align="justify"Obrázek: Schéma vzniku brzdného záření. Zdroj:Jkrieger, Wikipedia, licence CC0,https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Brems_feyn.png

Jeho intenzita a frekvence závisí na velikosti kladného náboje jádra atomu, na který beta záření reagovalo. Pokud tedy chceme minimalizovat brzdné záření, nepoužijeme jako stínicí hmotu olovo, ale materiál, který obsahuje pokud možno co nejlehčí chemické prvky - a lehká jádra atomů. Na odstínění nutně vznikajícího brzdného záření pak použijeme další vrstvu, tentokrát z pokud možno co nejtěžších prvků - například výše zmíněné olovo.

Dráha záření

Rychle letící volné beta částice se tedy principiálně ve hmotě pohybují od atomu k atomu nebo jsou jejich dráhy zakřivené díky vlivu kladných nábojů atomových jader hmoty. Přitom ztrácejí část své energie, která se mění na sekundární brzdné záření.

Může se dokonce stát, že výsledná dráha elektronu je po interakci s atomy hmoty opačná, tedy že se záření vrací zpět ke svému zdroji. Směrovaný zdroj beta záření (například zářič, který je umístěn ve schránce s jedním okénkem, kterým se dostává záření jen jednoho směru) je tedy nebezpečný jak “zepředu” tak i “zezadu” - jednoduše proto, že se nemalá část elektronů “vrací” od ozářené hmoty zpět směrem ke svému zdroji. Proto se musí při odstínění takových zdrojů beta záření dávat pozor nejen na prostor, kam se záření ubírá - ale také na opačný směr.

Nejvyšší pravděpodobnost toho, že se část záření vrátí zpět ke zdroji nastává při ozáření hmoty s těžkými jádry. U platiny, zlata nebo olova je podíl těchto “nazpět” putujících elektronů až 50 %!

Shrnutí

Záření beta - to jsou elektrony (ß-) nebo pozitrony (ß+), které vznikají při radioaktivním rozpadu jader. Obvykle se pohybují velmi rychle. Nesou elektrický náboj a proto je jejich pohyb ovlivňován elektrickým a magnetickým polem. Když se na své cestě setkají s hmotou, různými způsoby s ní reagují. Přitom se intenzita záření (tj. množství letících volných elektronů, případně pozitronů) zmenšuje.

Na rozdíl od gama záření se intenzita beta-záření nezmenšuje v materiálu exponenciálně s rostoucí tloušťkou stínícího materiálu. Způsobuje spíše během svých skoků od atomu k atomu určité škody a neustále ztrácí energii - až se pohltí úplně. Zanechává přitom po sobě stopy v podobě ionizovaných atomů a brzdného záření v rentgenové části elektromagnetického spektra.

Při ochraně před beta zářením je tedy nutné myslet i na neodvratně vznikající sekundární elektromagnetické záření. Stínit se dá beta záření například dvěma vrstvami ze dvou různých materiálů s odpovídajícími vlastnostmi - jedna z nich je tvořena některým z lehkých prvků a oslabuje přímo beta záření - a druhá (z materiálu co nejtěžšími jádry) se stará o oslabení vznikajícího brzdného záření.

Ze stejného důvodu navíc také záleží na pořadí obou vrstev. Když by se totiž pořadí otočilo, blíže ke zdroji by se nacházela vrstva olova. Ta by vyprodukovala velké množství brzdného (s největší pravděpodobností rentgenového) záření - a navíc by ještě pomohla k drastické změně směru letu částic a rozptýlila je po celém okolí. Nemalá část by pak dokonce putovala zpátky směrem ke zdroji záření.

Odstínit beta záření - je tedy větší umění než u prostého gama nebo rentgenového typu záření. Pokud se vám to zdá komplikované - situace bude ještě zajímavější při stínění volně letících neutronů. O tom ale zase někdy příště…