Je radioaktivita škodlivá? (2) Seberme radioaktivitě anonymitu

Lidově se jim říká “radioaktivita”. Jedná se vlastně o různé druhy záření. Mají tak vysokou energii, že jsou schopné ionizovat své okolí. Dnes se chci zabývat tím, kde se vlastně berou. (délka blogu 20 min.)

Seberme “radioaktivitě” anonymitu

Zatímco nás naše tělo varuje před tepelným poškozením zřetelnou bolestí (kdo nevěří, může udělat experiment s horkou plotnou) - před radioaktivitou nás nevarují žádné z našich smyslů. Není vidět ani cítit. To je velice demoralizující a frustrující. Není divu, že se lidé bojí neviditelného a navíc škodlivého ionizujícího záření až iracionálně a panicky.

Jak nejlépe odbourat frustraci a panický strach? Jde to jistě jen těžko. Náš neviditelný strašák ale nemusí být navíc ještě anonymní. Proto se chci v tomto a následujících blozích věnovat vyjasnění některých souvislostí. Co se vlastně při radioaktivní expozici děje v našem těle nebo jiných látkách? Odkud se bere tohle záření a jak se před ním dá chránit?

Ionizující záření

V minulém blogu jsem naznačila, že se záření stává ionizujícím až tehdy, když disponuje určitou energií. Může se přitom jednat o elektromagnetické vlny - nebo o rychle letící částice. Obávaná ionizace nastává u volných atomů (například atomů plynu) při přenosu energie vyšší než 30 eV.

Elektronvolt (značka eV)

je jednotka práce a energie mimo soustavu SI. Odpovídá kinetické energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu. Používá se běžně k měření malých množství energie zejména v částicové fyzice nebo  fyzikální chemii. Obvyklá energie jedné částice je totiž vyjádřená v joulech - velmi malé číslo. Navíc je nepříjemné k zapamatování - posuďte sami: 1 eV=1,6021766208x10^(-19) J.

Energie samotné ionizující částice musí být tedy ještě o hodně vyšší, když je schopná předat ionizované látce minimálně 30 eV ze svých “zásob”.

Pokud energie částice klesne pod určitou hodnotu, k další ionizaci látky už nedojde. To je velice zajímavý detail. Znamená to, že ne každá pohybující se částice vás může ionizovat, stejně jako ne každé fotonové záření je nebezpečné. Ne každý proud rychle letících částic je opravdu schopný vám uškodit.

Odkud se bere ionizující záření (radioaktivita)?

Základní chybou v uvažování těch, kdo se panicky bojí radioaktivity, je pocit, že je to vražedný zabiják, který uměle vytvořili lidé k zabíjení jiných lidí. Může tomu tak skutečně být - a nemusí. Strach, pocházející z nevědomosti, se často transformuje do nenávisti například proti atomovým elektrárnám, jako by člověka ohrožovaly pouze ony. Přitom je radioaktivita přírodní jev - a často je tato přirozená aktivita přírodního pozadí (jak se jí říká) dokonce daleko vyšší než to, co nám hrozí od obyčejné jaderné elektrárny.

Paradoxně dokonce zamořují radioaktivitou (tedy ionizujícím zářením) své okolí daleko více elektrárny uhelné - než jaderné. Když se nad věcí zamyslíte - je to vlastně úplně logické. I v uhlí (stejně jako ve většině nerostů) se skrývá určité množství nestabilních látek, které jsou schopné vysílat ionizující záření. Ty se po spálení uhlí koncentrují v popílku - který pro změnu padá na okolí elektrárny. Radioaktivita jaderné elektrárny se oproti tomu nachází v přísně oddělené a velice přísně hlídané zóně, odkud se běžně nemá šanci dostat.

Ionizující záření je přirozené a všudypřítomné. Je způsobeno fyzikálními zákony, kterými se řídí náš vesmír.

1. Ionizující záření vzniká díky interakci mezi elementárními částicemi.
2. Interakce se nedají elementárním částicím zakázat. Ani příkazem - ani zákonem.
3. Se samotnou existencí různých druhů ionizujícího záření se musíme smířit - a přesně to udělala také příroda. Vyvinula způsob, díky kterému se naše těla ionizujícímu záření brání.

Akční a “líná” hmota

Radioaktivita je vlastně běžná vlastnost “akční” hmoty. Jen pokud hmota obrazně “leží líně na gauči”, nevyzařuje žádné ionizující částice. Takový stav ale rozhodně není samozřejmý.

Je to jako s lidmi - některé prvky jsou od přírody velice líné. Jiné se “narodily” jako velice akční individua. Všechny prvky, ze kterých se skládá náš svět, se narodily v extrémních podmínkách. Ty nejhojnější vznikaly během aktivního života hvězd v jejich nitrech. Ty, které jsou méně hojné, pak přišly na svět v drastických explozích už vyhořelých hvězd. Není tedy divu, že jsou takové prvky principiálně velice “akční”.

Sedět na gauči? Na to zapomeňte!

Při výbuchu supernovy vznikají z původní hmoty hvězdy nejen nové těžké prvky - ale také velké množství izotopů těchto prvků (izotopy mají sice stejný počet protonů, liší se ale počtem neutronů v jádře). Ty, které jsou nestabilní, se po nějaké době mohou “zcivilizovat” vyzářením přebytečných neutronů nebo jiných částic. A i když se  z nich mohou po delší době stát líné, na gauči se povalující, sympaticky stabilní (a ionizující záření nevysílající) jádra, která vytváří planety v blízkosti nové generace hvězd, jsou vždy doprovázeny i určitým množstvím ještě aktivních a akčních jader, kterým trvá rozpad například tak dlouho, že se udržely ve svém originálním stavu až do dneška.

Život na naší planetě se na takový stav adaptoval. Příroda nás vybavila systémem, který se brání dokonce i proti radioaktivitě, která je ještě vyšší než ta, která nám může běžně hrozit. A znovu - při bližším ohledání je to jen logické.

Pokud je dnes hladina přirozeně existujícího ionizujícího záření na určité úrovni, musela být dříve, když ještě nebylo tolik líných prvků a prvky byly relativně akčnější - daleko vyšší. Bylo to v době, kdy se vyvíjeli naši předkové a předkové našich předků. Ti, po kterých jsme zdědili svou schopnost bránit se ionizujícímu záření.

A teď trocha výše zmiňované fyziky. Odkud přesně se bere ionizující záření kolem nás?

Fotonové (elektromagnetické) záření…

je následkem rodinných vztahů mezi elektricky nabitými částicemi. Může vznikat při přechodu energeticky hyperaktivního (excitovaného) jádra atomu do základního (klidného) stavu nebo například při energetických přechodech různých elektronů v atomovém obalu.

Když vznikají fotony při reakcích v samotném jádře, mluví se o záření “gama”. Tímto způsobem totiž získává enormní energii (viz obrázek v minulém blogu).

Záření vzniklému díky aktivitám elektronů v obalech jádra, se říká rentgenové.

Při interakcích rychle letících nabitých částic s hmotou vzniká druh záření, který dostal název brzdné. Vznikající fotony totiž získávají svou energii na úkor snížení původní rychlosti letící částice.

Jaderné přeměny

Velká část ionizujícího záření kolem nás jde na konto přeměn v (typicky lehčích) jádrech atomů, obsahujících méně než 92 protonů. Mění se při nich konfigurace jádra a tedy i jeho vybavení různými nukleony.

Změna může probíhat úplně spontánně (u prvků, které se ještě nacházejí v originálním stavu, v jakém je kdysi vyplivla příslušná supernova, případně v jiném nestabilním stavu).

Přeměna může být také vynucena vnějšími vlivy (například ozářením vysoce energetickými částicemi).

Jaké přesně ionizující záření během těchto přeměn vzniká? Je to závislé na původním prvku případně (u vynucené přeměny) na typu částic, které s ním reagují.

Aby to nebylo tak jednoduché, tak se některé nestabilní izotopy rozpadají na stabilní varianty a některé se mění na jiné nestabilní izotopy. Vyzáření určité (ionizující) částice může dokonce provázet i přeměna na jiný prvek. To se děje například tehdy, když se v jádře rozpadne neutron na elektron a proton. Výsledné atomové jádro má o proton více než původní látka - a stává se tedy jiným chemickým prvkem (každý chemický prvek má určité přesně dané množství protonů v jádře). Může se ale stát, že se jádro jednoho protonu naopak zbaví - a to příslušným rozpadem na jiné částice.

Přeměny izotopů probíhají zpravidla jen jedním daným způsobem. Existuje ale také malá skupina izotopů, které si prostě neumí vybrat. Neumí se rozhodnout pro jeden typ proměny.

Typickým představitelem je například izotop draslíku K-40. Ve svém jádře má dohromady 40 protonů a neutronů. Tento izotop je nestabilní a svého frustrujícího stavu se zbavuje vytvořením protonu z jednoho ze svých neutronů (za vzniku vápníku Ca-40) nebo vznikem dalšího neutronu z jednoho z protonů (mění se přitom na argon Ar-40). Pravděpodobnost obou jevů je 89% : 11%.

V praxi to znamená, že se každý prvek a každý izotop chová jinak. Vyzařují přitom různé druhy záření - s různými energiemi.

Chování různých izotopů je dnes už samozřejmě dobře známo a zdokumentováno. Ke znázornění jejich chování se používá tzv. schéma rozpadu. Dá se z něj dobře vyčíst, co se dá přesně od daného izotopu očekávat. Na dolním obrázku vidíte schéma rozpadu kobaltu-60.

V našem případě se jedná o aktivní jádro kobaltu se šedesáti nukleony (protony plus neutrony v jeho jádře) a 27 protony (číslo, které se nachází na levé straně hned pod číslicí 60 udává počet protonů v tomto jádře). Jeho poločas rozpadu činí 5,272 roku. To znamená, že se během této doby rozpadne polovina jeho aktivních jader na nikl.

Přitom se samovolně rozpadá neutron - za vzniku elektronu (zde označený jako beta-mínus) a protonu, který svou pouhou existencí a přítomností automaticky mění kobalt na nikl.

Elektrony, které se při přeměnách uvolňují mohou mít dvě různé rychlosti a tím i dvě různé energie. V naprosté většině případů bude mít vyzářený elektron energii jen 0,31 MeV (ale i to je mnohem, mnohem víc, než požadovaných 30 eV, které - jak si jistě pamatujete - postačují k ionizaci okolní látky). Malé množství elektronů pak bude mít dokonce energii 1,48 MeV.

Nově vzniklé jádro niklu má přesto příliš mnoho energie - pouhým vysláním elektronu se jí nezbavilo. Přebytečnou energii uvolní v podobě gama záření - fotonů s vysokou energií (zde 1,1732 MeV a 1,3325 MeV).

V praxi to znamená, že z radioaktivního vzorku, obsahujícího Co-60 vychází dva druhy různě energetického beta záření a dva druhy gama záření s rozdílnou energií.

Z tohoto příkladu je jasně vidět, že pokud se chceme radioaktivity bát a chránit se před jejími účinky, musíme přesně vědět, před čím se vlastně chráníme. O jaký izotop se jedná? Co se od něj dá očekávat? Důvod je jednoduchý…

Ne každé záření reaguje s okolní hmotou stejným způsobem. Dokonce i záření stejného druhu může reagovat rozdílně - podle toho, jakou  má konkrétně energii. To je důležité pro výběr materiálu k ochraně před tímto zářením a také k pochopení nejrůznějších souvislostí a jevů, které budeme probírat v dalších blozích.

Speciální případ - spontánní rozpad těžkých prvků

V této souvislosti se musím zmínit ještě o jednom druhu rozpadu atomového jádra. Jedná se o spontánní rozpad jader velice těžkých prvků.

Zatímco jsou lehčí prvky buď aktivní nebo ne - podle toho, čím jsou aktuálně vybavena jejich jádra - je situace u těžkých prvků úplně jiná.

Prvky, které mají v jádře více než 92 protonů jsou nestabilní jaksi z principu. Dá se to vysvětlit pomocí elektromagnetické interakce. V takových jádrech je pohromadě příliš mnoho kladně nabitých částic. Ty se - tak jako každé slušné stejně nabité částice - zákonitě odpuzují. Protony se mezi sebou zkrátka nemají rády. Ve své blízkosti strpí jiné protony jen tehdy, když se mohou zároveň obklopit dostatečným množstvím neutronů (které hrají roli “ctitelů” nebo “lepidla”). Od určitého množství ale nepomohou ani lepivé a sporům mezi protonovými divami zamezující neutrony.

Taková jádra mají tendenci se rozpadat na menší skupinky, které opravdu - ale opravdu! - nechtějí držet pohromadě. Jejich rozchod je jen otázkou času. A někdy je to opravdu krátký čas - například u fermia-258 činí tato doba jen 0,38 milisekundy.

Existují také prvky, jejichž jádra se sice rozpadnou na menší útvary (například tím, že “vyhostí” čtyři nejneoblíbenější členy kolektivu v podobě částice alfa záření) - přesto se ale ani poté necítí vyloženě šťastně. Probíhají pak další a další rozpady, jádro se zbavuje dalších a dalších částic nebo jejich skupin. Takový jev nazýváme rozpadovou řadou. Ta končívá typicky u prvku, který se jmenuje olovo.

Je nejspíš ironií osudu, že alchymisté v minulosti chtěli měnit pomocí kamene mudrců olovo na zlato. V přírodě naopak probíhá samovolný proces, který mění různé těžké prvky pomalu … právě na olovo.

Příště: Ionizace živé hmoty