Prírodná rádioaktivita

Samovoľné premeny, ktorým podliehajú atómy nestálych nuklidov, nazývame rádioaktívne premeny a tieto nuklidy, rádioaktívne nuklidy. Rádioaktívne prvky sú také prvky, ktoré májú všetky nuklidy rádioaktívne. Ich protónové číslo je väčšie ako 83. Dej pri ktorom nastáva samovoľná premena atómov za súčastnej emisie žiarenia, sa volá prírodná rádioaktivita a sprievodné žiarenie je rádioaktívne žiarenie.
Výskum rádioaktivity sa začal koncom19.storočia, keď H. Becquerel (1896) objavil, že zlúčeniny uránu sú zdrojom neviditeľného žiarenia, ktoré ionizuje vzduch a spôsobuje, sčernanie fotografickej dosky. Neskôr sa rádioaktivitou zaoberali Mária Sklodowska Curie a Pier Curie, ktorí zistili (1898), že uránová ruda smolinec je zdrojom intenzívneho žiarenia ako uránové zlúčeniny, to ich priviedlo k objavu nových prvkov. Nazvali ich rádium a polónium. Podstatu rádioaktivity vysvetlil E. Rutherford (1909). Dokázal, že prírodná rádioaktivita je dej zapríčinený samovoľnou premenou atómových jadier rádioaktívnych prvkov. Teda rádioaktivita nezávisí od chemickej formy zlúčeniny, v ktorej sa atóm rádionuklidu nachádza, ani od vonkajších podmienok.
Rádioaktivitu charakterizuje druh rádioaktívneho žiarenia (rádioaktívnej premeny), energia rádioaktívneho žiarenia a rýchlosť rádioaktívnej premeny.
Rádioaktívne žiarenie obsahuje tri druhy lúčov , a . Lúče  sa v elektrickom poli vychyľujú k zápornej elektróde, majú teda kladný náboj. Lúče  ku kladnej elektróde, majú záporný náboj. Na lúče  nevplýva elektrické ani magnetické pole.
Lúče  sú ionizované atómy He (He jadrá). Označujú sa 42 alebo 42He. Sú nositeľmi dvoch kladných elementárnych elektrických nábojov. Z rádioaktívneho jadra sú vyžarované rýchlosťou, ktorá sa približne rovná 10 rýchlosti svetla. Vzhľadom na pomerne veľkú hmotnosť majú silné ionizačné účinky.
Lúče  sú rýchle elektróny. Vyžarujú z jadra, kde vznikajú premenou neutrónov. Z jadra sú emitované rýchlosťou, ktorá sa rovná 40 až 99  rýchlosti svetla. Majú menšie ionizačné účinky ako lúče alfa.
Žiarenie  je elektromagnetické vlnenie, ktorého vlnová dĺžka je asi 1 000 – krát menšia, ako je vlnová dĺžka rontgenového žiarenia. Žiarenie  vždy sprevádza lúče  alebo . Objavuje sa teda aj pri premene  a .

Z uvedených druhov žiarení je najprenikavejšie, ale má najmenšie ionizačné účinky.
Energia rádioaktívneho premeny udáva aktivita a. Udáva počet premenených atómov (premien) za sekundu.

a = dN / dt

dN- počet premien, dt – časový interval
Hlavnou jednotkou aktivity je recipročná sekunda s-1. Veľmi často sa používa vedľajšia jednotka – curie Ci (1 Ci = 3,7.1010 s-1). Rýchlosť rádioaktívnej premeny závisí len od vlastností daného rádionuklidu. Pre ľubovoľný rádionuklid platí, že za istý časový interval (napr.: za 1 sekundu) sa premení vždy konštantný podiel z prítomného počtu atómov istého rádionuklidu. Tento podiel sa nazýva premenová konštanta 

 = dN / N / dt

N – prítomný počet atómov istého rádionuklidu
 sa udáva v recipročných sekundách s-1. Napríklad pre rádium je  = 1,36.10-11 s-1 , to znamená, že za jednu sekundu sa z 1 g Ra rozpadne 1,36.10-11g. Premenová konštanta je najdôležitejšou charakteristikou každého rádionuklidu.
Na vyjadrenie rýchlosti rádioaktívnej premeny istého rádionuklidu sa používa i polčas premeny t½. Je to stredný čas, za ktorý sa zo začiatočného množstva rádionuklidu samovoľne premenení (rozpadne) presná polovica. Vzťah medzi uvedenými veličinami vyjadruje výraz:

t ½ = 0,693 / 

Dosadením do uvedeného vzťahu možno vyrátať polčas premeny, napr.: Ra je 1620 rokov.
Pri samovoľnej premene rádionuklidy zo svojich jadier vyžarujú častice  alebo , pričom vznikajú nové nuklidy. Nuklid, ktorý takto vznikol, môže byť sám rádioaktívny, nasledujúci nuklid znova, čím vzniká celý rad rádioaktívnych nuklidov. V prírode poznáme tri rádioaktívne premenové rady, ktoré sú pomenované podľa prvého člena:
- uránový premenový rad
- tóriový premenový rad
- aktíniový premenový rad
Rádium je člen uránového premenového radu.
Konečným produktom všetkých troch premenových radov sú stabilné nuklidy olova. Poznáme ešte štvrtý premenový rad, ktorého prvý člen je umelo pripravený nuklid 23793Np. Posledným členom neptúniového premenového radu je nuklid 20983Bi.

Uránový premenový rad

Uránový premenový rad začína rádionuklidom 23892U, ktorý podlieha premene . Vzhľadom na nukleónové a protónové číslo častice  vzniknutý rádionuklid musí mať Z = 90 a A = 234. Thórium 23490 Th vyhovuje týmto podmienkam. Rádionuklid 23490Th ďaľej podlieha samovoľnej premene .

Keďže častica  je vlastne jeden elektrón, ktorý vznikol vjadre premenou n  p + e + v, vznikajúci nuklid bude mať nezmenené nukleónové číslo A = 234, ale protónové číslo bude mať o jednotku vyššie Z = 91. Paládium 23491Pa vyhovuje týmto podmienkam. Keďže prvky sú usporiadané v periodickej sústave prvkov podľa rastúcich protónových čísel ich atómov, protónové číslo vzniknutého rádionuklidu určuje aj jeho postavenie v periodickej sústave prvkov.