1. Jaderná a radiační fyzika
1.0. Fyzika - fundamentální přírodní věda
1.1. Atomy a atomová jádra
1.2. Radioaktivita
1.3. Jaderné reakce
1.4. Radionuklidy
1.5. Elementární částice
1.6. Ionizující záření

1.4. Radionuklidy
V této kapitole si přiblížíme vznik a vlastnosti nejdůležitějších radionuklidů - radionuklidů důležitých buď z hlediska fyzikálního či obecně přírodovědeckého, nebo radionuklidů používaných v různých oblastech vědy a techniky včetně medicíny, v průmyslových aplikacích, radionuklidů vyskytujících se v životním prostředí a pod.

Přírodní radionuklidy
Kromě stabilních chemických prvků se v přírodním prostředí vyskytují ve velmi nízkých koncentracích i prvky radioaktivní přírodního původu. Tyto přírodní radionuklidy můžeme rozdělit do tří kategorií podle svého původu a vzniku:

• Primární radionuklidy (původní, fosilní)
  Jsou to radionuklidy, které vznikaly spolu s ostatními (stabilními) jádry při kosmické nukleogenezi termonukleárními reakcemi v nitrech hvězd ( jak bylo zmíněno v odstavci "Kosmická alchymie"), které pak vybuchly jako supernovy a obohatily o tyto prvky zárodečný oblak, z něhož vzniklo naše Slunce a sluneční soustava. Součástí Země se tak staly již při formování Sluneční soustavy před cca 4-5 miliardami let. Do dnešní doby se ovšem zachovaly pouze ty radionuklidy, které mají velmi dlouhý poločas rozpadu - větší než cca 10⁸roků.
  Pozn.:   Tyto primární radionuklidy mají m.j. geologický význam. Teplo uvolňované radioaktivním rozpadem přírodních radionuklidů, uranu ^235,238U, thoria ²³²Th a draslíku ⁴⁰K, je patrně důležitým zdrojem geotermální energie, zahřívající nitro Země.
    Nejrozšířenějším primárním radionuklidem je draslík ⁴⁰K, jehož průměrný obsah v zemské kůře je asi 3.10^-3 %. Draslík 40 se s poločasem T1/2 = 1,26.10⁹roků rozpadá beta-rozpadem na argon ⁴⁰Ar (89%) a K-záchytem na vápník ⁴⁰Ca (11%); oba tyto isotopy jsou stabilní, další rozpad již nepokračuje.
    Dalším přírodním primárním radionuklidem je thorium ²³²Th (koncentrace v zemské kůře cca 8-12.10^-6), které se s poločasem T1/2 = 1,39.10¹⁰roků rozpadá alfa-rozpadem postupně na řadu radionuklidů tzv. thoriové řady (obr.1.4.1 vlevo).
    Nejvýznamnějšími přírodními radionuklidy tohoto primárního původu v zemské kůře jsou však uran ²³⁸U (průměrná koncentrace v zemské kůře cca 2-4.10^-6, T1/2 = 4,51.10⁹roků), a uran ²³⁵U (koncentrace cca 2-3.10^-8, T1/2 = 7,1.10⁸roků). Oba tyto izotopy uranu se alfa-rozpadem přeměňují postupně na řadu radionuklidů obou uranových rozpadových řad (obr.1.4.1).
    Prvek uran, poprve v čisté formě izolovaný v r.1841, dostal svůj název podle tehdy nově objevené planety Uran (ta zase byla pojmenována podle boha Urana v antické řecké mytologii). Je to těžký (hustota 19g/cm³) stříbřitý kov, na vzduchu oxidující tmavě šedým povlakem. Používal se k barvení skla. Na přírodní uranové rudě byla H.Becquerelem v r.1896 poprve objevena radioaktivita. Pro svou vysokou hustotu se ²³⁸U ("ochuzený uran") používá i pro některé "nejaderné" aplikace (např. projektily s vysokou průbojností, stínění a pod.). Hlavní využití má však uran v jaderné technice jako štěpný materiál - viz §1.3 "Jaderné reakce", především část "Štěpení atomových jader".
  Pozn.:
    Bezvýznamné z radiačního hlediska jsou některé isotopy s extrémně dlouhým poločasem rozpadu (pohybujícím se většinou mezi 10¹⁴ až 10¹⁸ let), jejichž radioaktivita není často ani bezpečně prokázána - např. ⁴⁸Ca, ^64,70Zn, ⁷⁶Ge, ⁸²Se, ^92,100Mo, ¹¹⁶Cd, ¹²⁴Sn, ¹²³Sb, ^136,142Ce, ^144,145,150Nd, ^147-149Sm, ¹⁵²Gd, ¹⁵⁶Dy, ¹⁶⁵Ho, ^{180,182,183,186}W, ¹⁹²Os, ^190,192,198Pt, ¹⁹⁶Hg, ²⁰⁹Bi.

  Obr.1.4.1. Přírodní rozpadové řady thoria 232Th a uranu 235U a 238U. Omluva:...obrázek je nedokončen! -přijdou doplnit poločasy, energie + grafická úprava......

• Druhotné radionuklidy - rozpadové produkty primárních radionuklidů
  Rozpadem těžkých primárních radionuklidů průběžně vzniká celá řada druhotných radionuklidů. Přírodní radionuklidy ²³²Th, ²³⁸U a ²³⁵U se rozpadají (alfa a později i beta rozpadem) na jádra, která jsou také radioaktivní, stejně jako jejich další a další rozpadové produkty. Říkáme, že tyto radionuklidy vytvářejí radioaktivní rozpadové řady, kde jednotlivé dceřinné produkty vykazují alfa i beta radioaktivitu a excitovaná jádra emitují záření gama. V těchto rozpadových řadách je ustavena tzv. sekulární radioaktivní rovnováha (viz §1.2 "Radioaktivita").
    V terminologii pasáže "Stabilita a nestabilita jader" §1.2 "Radioaktivita" lze říci, že těžké nuklidy thoria a uranu "skákají" dolů po energetických stupních a "valí" se do údolí stability, až dosáhnou rovnovážné konfigurace olova či vizmutu.
  Radioaktivní rozpadové řady
  V přírodě existují tři radioaktivní rozpadové řady (obr.1.4.1): rozpadová řada thoria ²³²Th, rozpadová řada uranu ²³⁸U a rozpadová řada uranu ²³⁵U (tento druh uranu se ve starší literatuře někdy nazýval aktinouran a rozpadová řada aktiniová). Uměle lze získat rozpadovou řadu neptuniovou ²³⁷Np.Tyto rozpadové řady těžkých jader jsou si do určité míry podobné:
  ¨ Primární mateřské nuklidy mají velmi dlouhé poločasy rozpadu - miliony až miliardy let. V důsledku toho se v rozpadových řadách ustavuje trvalá (dlouhodobá) tzv. sekulární radioaktivní rovnováha *) (viz §1.2, část "Obecné zákonitosti přeměny atomových jader").
  *) Přesněji řečeno, tak by tomu bylo u hermeticky uzavřených preparátů. V přírodě bývá tato rovnováha narušena únikem některých isotopů rozpadové řady (především plynného radonu) z ložiska.
  ¨ Rozpadové řady tvoří isotopy těžkých prvků vykazující většinou radioaktivitu a (menší část i b).
  ¨ Nukleonová (hmotnostní) čísla členů řady odpovídají vzorcům (n je celé číslo): 4.n pro thoriovou řadu, 4.n+1 pro neptuniovou řadu, 4.n+2 pro uranovou řadu ²³⁸U a 4.n+3 pro řadu ²³⁵U (aktiniovou). Je to způsobeno tím, že a-rozpad snižuje nukleonové číslo o 4 (b-rozpad je nemění). Z této zákonitosti plyne, že existují právě 4 základní nezávislé rozpadové řady.
  ¨ Zhruba v polovině řady se vyskytují isotopy plynného radonu (dříve zvaného emanace).
  ¨ Některé dceřinné nuklidy (jako je ^211,212,213Bi a ²²⁷Ac) se rozpadají buď a nebo b rozpadem, což vede k větvení rozpadového řetězce. Za rozpadem b zde pak následuje rozpad a a za rozpadem a naopak rozpad b, takže obě větve se zase spojují.
  ¨ Přírodní rozpadové řady končí stabilními isotopy olova, neptuniová řada vizmutem.
    Přírodní rozpadové řady jsou podrobně rozvedeny na obr.1.4.1, sumárně se dají zapsat takto:
  ²³²Th ® 6 a + 4 b + ²⁰⁸Pb ; ²³⁸U ® 8 a + 6 b + ²⁰⁶Pb ; ²³⁵U ® 7 a + 4 b + ²⁰⁷Pb ; ²³⁷Np ® 7 a + 4 b + ²⁰⁹Bi.
  Podrobnosti rozpadů jednotlivých radionuklidů v rozpadových řadách jsou značně složité a do obr.1.4.1 se vůbec nevejdou. Některé nuklidy rozpadových řad jsou čistými zářiči a (např. ²³²Th, ²³⁸U, ²¹⁶Po, ......) nebo b (např. ²²⁸Ra, ²⁰⁶Tl, ........), většina jader se však rozpadá na excitované hladiny dceřinných jader a vyzařují i záření g (jsou to např. ²²⁸Ac, ²¹⁴Pb, ^214,212Bi, ²¹⁰Tl, ......a další, u některých je však g zastoupeno slabě, např. u ²²²Rn, ²³⁹Pu, ...).
  Rozpadové řady transuranů
  Analogické navazující rozpadové řady jsou i u uměle vyrobených transuranů, které nakonec navazují na zmíněné základní řady. Např. ²⁴¹Am ® a + ²³⁷Np ® 7 a + 4 b + ²⁰⁹Bi - neptuniová rozpadová řada; ²³⁹Pu ® a + ²³⁵U ® 7 a + 4 b + ²⁰⁷Pb - ²³⁵U-aktiniová rozpadová řada; ²⁵²Cf ® a + ²⁴⁸Cm ® a + ²⁴⁴Pu ® a + ²⁴⁰U ® b + ²⁴⁰Np ® b + ²⁴⁰Pu ® a + ²³⁶U ® a + ²³²Th ® 6 a + 4 b + ²⁰⁸Pb - thoriová rozpadová řada. U těžkých transuranů k tomu ještě přistupuje spontánní štěpení jader.

• Kosmogenní radionuklidy
  Jsou to přírodní radionuklidy, které průběžně vznikají jadernými reakcemi při průchodu vysokoenergetického kosmického záření (jeho sekundární složky) zemskou atmosférou. Patří sem především radiouhlík ¹⁴C a tritium ³H, ve velmi malých množstvích vznikají i některé další kosmogenní radionuklidy - např. ^7,10Be, ³²P, ³⁵S, ³⁶Cl. Mechanismus vzniku kosmogenních radionuklidů je nastíněn v §1.6, část "Kosmické záření", obr.1.6.7.

Výroba umělých radionuklidů
Pro potřeby současné vědy a techniky, průmyslu a zdravotnictví, zdaleka nevystačíme s těmi několika radionuklidy přírodního původu (přírodní radionuklidy uran 235 a 238 jsou však základem štěpných atomových reaktorů a na nich založené jaderné energetiky). Musíme tedy radionuklidy vyrábět uměle.

Obr.1.4.2. Ostřelováním terčíkového jádra A urychlenou elementární částicí vzniká jadernou reakcí výsledné jádro B.

Abychom ze stabilního jádra vyrobili jádro radioaktivní, je nutno změnit počet protonů či neutronů tak, aby byla porušena rovnovážná konfigurace. Jak bylo rozebíráno v předchozím §1.3 "Jaderné reakce", dosáhneme toho podle obr.1.4.2 ostřelováním výchozího terčíkového jádra A vhodnými částicemi - protony či neutrony (popř. i alfa-částicemi, deuterony, ojediněle těžšími ionty), které vstupují do jádra a vyvolávají tam příslušné změny - jaderné reakce; vzniká výsledné jádro B (většinou v excitovaném stavu B´, po vyzáření záření gama pak v základním stavu), které je často radioaktivní.
  Ozařujeme-li tedy terčík obsahující N atomů výchozího ozařovaného prvku (jader A) svazkem částic (protonů či jiných nabitých částic z cyklotronu, nebo neutronů z jaderného reaktoru) o intenzitě I [počet částic/cm²/sec.], budou se v terčíku postupně hromadit atomy výsledného radionuklidu (B). Za dobu ozařování t bude aktivita A(t) požadovaného radionuklidu v terčíku přibližně dána produkční rovnicí
                         A(t)   =   I . N . s . (1 - e^-l.t)   ,
kde s [cm²] je účinný průřez dané jaderné reakce a l [s^-1] je rozpadová konstanta vznikajícího radionuklidu (s poločasem rozpadu souvisí vztahem l = 0,693/T_1/2). Množství vyrobené aktivity je tedy přímo úměrné intenzitě ozařujícího svazku, množství terčíkové látky a účinnému průřezu reakce *). Zpočátku je toto množství přibližně úměrné i ozařovací době t, avšak vlivem radioaktivního rozpadu vznikajícího radionuklidu, vyjádřeného saturačním faktorem (1 - e^-lt), se přírustek počtu vznikajících jader postupně zpomaluje a po cca 5-6 poločasech výsledného radionuklidu B je již dosaženo stavu nasycení (cca 98%), rychlost produkce a rozpadu se vyrovnává, aktivita dále neroste. Výsledná aktivita vyrobeného radionuklidu B je pak A = I.N.s.
*) Tyto zákonitosti platí za zjednodušených předpokladů homogenního a časově konstantního svazku záření a tenkého terčíku obsahujícího mnohonásobně větší počet výchozích atomů (A) než je počet vznikajících jader (B).
Úprava ozařovaného materiálu v terčíku
Základem pro výrobu pořadovaného radionuklidu je:
¨  Volba vhodné jaderné reakce
- druhu ostřelujících částic a jejich energie, což implikuje i požadované ozařovací zařízení (reaktor, cyklotron) a jeho vlastnosti.
¨  Výběr vhodného terčíku
- ozařovaného nuklidu, jeho chemické formy a provedení. Ozařovaný materiál v terčíku může být v pevném skupenství (vč. práškových amorfních materiálů), kapalném i plynném skupenství. Často je vhodné izotopové obohacení ozařovaných materiálů v terčíku - zvyšuje to výtěžnost reakce a usnadňuje následnou radiochemickou separaci.
  Po ozáření je v terčíkovém materiálu obsažen nejen požadovaný radionuklid (aspoň nikdy ne ve 100% koncentraci), ale řada dalších atomů a příp. dalších radionuklidů vzniklých jinými ("parazitními") reakcemi. Zpravidla je proto ozářený materiál nutné podrobit náročné proceduře radiochemické separace.

Obr.1.4.3. Výroba radioisotopů ozařováním terčíkových jader v reaktoru a cyklotronu.

Výroba radionuklidů v reaktoru
Nejsnadnější je ozařování jader neutrony - jelikož neutron nemá elektrický náboj, nepůsobí elektrické odpudivé síly a i pomalý neutron ochotně vstupuje do jádra. Nejobvyklejší reakcí je zde prostý neutronový záchyt (n, g): ^NA_Z + n^o ® ^N+1B_Z + g *), mohou však nastávat i reakce typu (n,p), (n, a). Ozařováním neutrony obecně vznikají jádra s přebytkem neutronů, které vykazují radioaktivitu b^-. Intenzívním zdrojem neutronů je jaderný reaktor, takže tyto b^--radionuklidy se vyrábějí ozařováním vhodného terčíkového materiálu v ozařovací komůrce reaktoru - obr.1.4.3 vlevo. Některé reakce výroby radionuklidů ozařováním neutrony jsou např.: ⁶Li(n,a)³H, ¹⁴N(n,p)¹⁴C, ³²S(n,p)³²P, ⁹⁸Mo(n,g)⁹⁹Mo, ....
*) Pozn.: Záchytu neutronů za vzniku radioaktivních jader se vyžívá i ve velmi citlivé metodě analýzy chemického složení látek - neutronové aktivační analýze. Ozářením zkoumaného vzorku neutrony dochází ke vzniku radionuklidů (k "aktivaci"), načež spektrometrickou analýzou energií emitovaného záření (především g) aktivovaného vzorku lze stanovit příslušný radionuklid a zpětně i jemu odpovídající (neaktivní) výchozí nuklid, s použitím kalibrace též jeho obsah ve zkoumaném materiálu. Metoda je podrobněji popsána v kap.3 "Aplikace ionizujícího záření", §3.4, pasáž "Neutronová aktivační analýza".
  Další často používanou metodou výroby radionuklidů v jaderném reaktoru je ozařování uranu ²³⁵U neutrony, což vyvolá štěpení jader uranu na menší jádra, která jsou radioaktivní, např.:
²³⁵U + n ® ²³⁶U ®  ¹³¹J + ¹⁰²Y + 3n
                         ® ¹³⁷Cs + ⁹⁷Y + 2n
                         ® ¹³³Xe + ¹⁰¹Sr + 2n
                         ® ⁹⁹Mo + ¹³⁵Sn + 2n
                         ® ¹⁵⁵Sm + ⁷⁸Zn + 3n
                    ......... a další radionuklidy.
Z těchto štěpných produktů se pak izolují potřebné radionuklidy (např. ¹³¹J, ⁹⁹Mo, ¹³³Xe a další) pomocí radiochemických metod. Jelikož těžká jádra uranu mají podstatně větší procentuální zastoupení neutronů než středně težká jádra vzniklá jejich rozštěpením, mají tyto radionuklidy přebytek neutronů a vykazují radioaktivitu b^-.
  Nyní již méně časo používaným způsobem výroby radionuklidů je jejich chemická separace ze štěpných produktů uranu jako paliva v reaktoru. V atomovém reaktoru se jádra uranu ²³⁵U (popř. ²³⁸U) po vstupu neutronů rozštěpí na dvě jádra, chemicky spadající do prostřední části Mendělejevovy periodické tabulky, která jsou většinou radioaktivní. Nejčastějšími takto vzniklými jádry jsou např. ¹³¹J, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, .... Vyhořelé palivové články z reaktoru obsahují velké množství těchto radionuklidů (řádově TBq). Je však značně obtížné radiochemicky izolovat jednotlivé radionuklidy z této různorodé směsi tak, aby získaný radionuklid neobsahoval stopy ostatních radionuklidů - aby měl vyhovující radionuklidovou čistotu, nebyl kontaminován.

Výroba radionuklidů v urychlovači
Pro výrobu pozitronových b⁺-radionuklidů je naopak potřeba do jádra dodat protony. K tomu, aby proton p⁺ vstoupil do jádra, musí být urychlen na vysokou energii řádově stovky keV až několika MeV, aby svou kinetickou energií překonal odpudivou elektrickou Coulombovskou sílu kladně nabitého jádra. Nejčastějšími urychlovači protomů jsou cyklotrony, které elektromagnetickými silami urychlují protony během mnoha oběhů po kruhové dráze (udržované magnetickým polem) na vysoké energie. Protonový svazek je pak magnetickým polem vyveden z kruhové dráhy a dopadá na vhodný terčíkový materiál - obr.1.4.3 vpravo. Podle energie protonů může probíhat řada reakcí. Nejjednodušší z nich je radiační záchyt protonu (p, g): ^NA_Z + p⁺ ® ^N+1B_Z+1 + g, nastávají však i reakce typu (p, p), (p, n), (p, d), (p, a).
  Za účelem jaderné reakce a transmutace lze jádra ozařovat kromě protonů i jinými rychlými nabitými částicemi: deuterony d - dochází především k reakcím (d, n), (d, p), a-částicemi - nastávají reakce (a, p), (a, n)*), popř. i těžšími jádry či ionty.
  Jádra s přebytkem protonů jsou většinou b⁺-radioaktivní nebo se rozpadají elektronovým záchytem; podle způsobu své výroby se někdy označují jako cyklotronové radionuklidy. Některé reakce výroby radionuklidů ozařováním protony jsou např.: ¹⁸O(p,n)¹⁸F, ¹³C(p,n)¹³N, ¹¹B(p,n)¹¹C, .....; deuterony např. ¹⁰B(d,n)¹¹C, ⁵⁶Fe(d,n)⁵⁷Co,......., .
*) Pozn: Jaderných reakcí (a, n) se využívá též jako zdroje neutronů. Pro tento účel nepotřebujeme mít jádra hélia urychlené uměle, ale vystačíme s vhodnými a-radionuklidy, které homogenně smísíme s vhodným terčíkovým materiálem - některými lehkými prvky, které dávají velký výtěžek neutronů v reakci (a, n). Nejvhodnější je berylium v reakci ⁹Be(a, n)¹²C, které smícháme s vhodným a-zářičem - používá se např. ²¹⁰Po, ²²⁶Ra, ²³⁹Pu, ²⁴¹Am. Tyto směsi se hermeticky uzavírají či zatavují do kovových nebo skleněných nádobek a slouží jako přenosné laboratorní zdroje neutronů, tzv. neutronové generátory, používané např. při neutronové aktivační analýze.

Sekundární radionuklidy z rozpadových produktů. Radionuklidové generátory.
Některé radionuklidy se přeměňují na dceřinná jádra, která nejsou stabilní, ale jsou opět radioaktivní - jedná se o sekundární radioisotopy. Získávání těchto sekundárních radionuklidů z rozpadových produktů jiných radionuklidů může být efektivním způsobem jejich "výroby".
  Obzvláštní důležitost má tato metoda u krátkodobých radionuklidů, které vznikají jako dceřinná jádra radionuklidů s podstatně delším poločasem rozpadu. Příslušný mateřský radioisotop, připravený ozářením na urychlovači nebo reaktoru, lze bez obtíží dopravit do vzdálené laboratoře, kde z něj lze průběžně separovat dceřinný krátkodobý radionuklid, který je tak k dispozici po značně delší dobu (danou poločasem rozpadu mateřského radionuklidu). Zařízení, které umožňuje opakovaně separovat krátkodobý radionuklid vznikající rozpadem jiného dlouhodobějšího radionuklidu, se nazývá radionuklidový generátor. Je to systém obsahující vázaný mateřský radionuklid, z něhož vznikající dceřinný radionuklid lze oddělit (odseparovat) buď chemicky (v kapalné fázi), příp. hydrodynamicky (eluce), či profukováním vzduchem. Výhodou radionuklidových generátorů je možnost používat příslušné krátkodobé radionuklidy i na pracovištích vzdálených od jaderného reaktoru nebo cyklotronu.
  Typickým příkladem radionuklidového generátoru je molybden-techneciový generátor (podrobněji popsaný v §1.2, část "Záření gama", pasáž "Čisté gama-radionuklidy, ^99mTc"), kde beta-rozpadem molybdenu ⁹⁹Mo (T1/2=66hod.) vzniká metastabilní technecium ^99mTc (T1/2=6hodin), které je čistým zářičem gama (Eg=140keV) a má široké uplatnění ve scintigrafii v nukleární medicíně - viz kapitola 4 "Radionuklidová scintigrafie".
Uvedeme v tabulce několik nejčastěji používaných radionuklidových generátorů:

Rozpadová schémata radionuklidů
Pro přehledné a komplexní znázornění různých druhů radioaktivních přeměn u konkrétních atomových jader se používají tzv. rozpadová schémata (obr.1.4.4). Mateřská a dceřinná jádra se na těchto schématech znázorňují pomocí vodorovných čárek (představujících energetické hladiny jader), jejichž pozice ve schématu je určena takto: na vodorovné ose je protonové číslo Z, poloha ve vertikálním směru je dána energií jádra E *). Základní energetický stav každého jádra je vyznačen tlustou čárou, excitované stavy jádra tenkými čárkami (s údaji o energii a příp. dalších charakteristikách) v patřičné vertikální výšce nad základním stavem. Metastabilní energetické hladiny se vyznačují o něco tučnějšími čárkami s údajem o době života (poločasu) tohoto metastabilního excitovaného stavu. Radioaktivní přeměna jader je znázorněna šikmou šipkou spojující mateřské a dceřinné jádro v jeho příslušné energetické hladině, která se u daného procesu realizuje; u této šipky je uveden typ přeměny (a, b, EC) a příslušná energie kvanta záření. Deexcitace vzbuzených hladin, tj. přechody g, jsou vyznačeny kolmými šipkami spojujícími vyšší hladiny s příslušnými výslednými nižšími hladinami (příp. se základním stavem). U základních stavů jader je uveden poločas rozpadu, pro speciální účely popř. i další charakteristity (např. spin).
*) Při praktickém kreslení rozpadových schémat se přesné proporce hodnot energií a protonových čísel většinou striktně nedodržují, dodržují se jen příslušné relace - stavy s vyšší energií jsou zakresleny více nahoře, jádra s větším protonovým číslem Z jsou více vpravo od jader s menším Z.
Na obr.1.4.4 jsou znázorněna některá nejjednodušší typická rozpadová schémata :

Obr.1.4.4. Nejjednodušší typická rozpadová schémata radionuklidů a, b⁺, b^- a b^-+ g.

Úplně vlevo je to čistý rozpad a (podle obr.1.2.2 v §1.2), kde se mateřské jádro ^NA_Z rozpadá na základní stav dceřinného jádra ^N-4B_Z-2 o nižší energii; jádro B je posunuto doleva o dvě místa, jak to odpovídá protonovému číslu Z-2 a dolů podle energetického rozdílu. U šipky znázorňující vlastní přeměnu se uvádí typ přeměny (zde alfa) a příslušná energie kvanta emitovaného záření.
Hned vedle je rozpadové schéma čisté radioaktivty b⁺ (^NA_Z ® ^NB_Z-1 + e⁺ + n), kde dceřinné jádro B je vůči mateřskému jádru A posunuto o jedno místo doleva, což odpovídá snížení protonového čísla o 1.
  Dále je na obr.1.4.4 rozpadové schéma čisté radioaktivity b^- (^NA_Z ® ^NB_Z+1 + e^- + n´, podle obr.1.2.3 v §1.2), kde se mateřské jádro A rozpadá na základní stav dceřinného jádra B, posunutého o jedno místo doprava.
  Pro jednoduchost jsme zde zatím odhlédli od skutečnosti, že čistý rozpad a či b na základní hladinu dceřinného jádra se vyskytuje jen v menším procentu případů; většinou vzniká dceřinné jádro v excitovaném stavu. Poslední rozpadové schéma na obrázku vpravo představuje opět radioaktivitu b, avšak konkrétního jádra ¹³⁷Cs, které se s poločasem T1/2=30 let rozpadá na dceřinné jádro ¹³⁷Ba. Na základní stav baria jde jen asi 6,5% případů, zatímco celých 93,5% případů jde na excitovaný stav jádra ¹³⁷Ba o energii 662keV, znázorněný vodorovnou čárkou. Svislou šipkou směrem dolů je znázorněna deexcitace tohoto vzbuzeného stavu za vyzáření fotonu záření g o této energii 662keV.
  Rozpadová schémata některých radionuklidů jsou značně složitá, s řadou kaskádových rozpadů korpuskulárních a množstvím excitovaných energetických hladin, mezi nimiž nastávají izomerní přechody doprovázené kvanty záření gama. Tomu odpovídají i složitá spektra takových radionuklidů. Spektrometrická analýza tohoto záření je pak jednou z hlavních metod poznávání struktury nuklidů.

Některé nejdůležitější radionuklidy
Z velkého množství radionuklidů (nyní je jich známo více než 1400), z nichž některé se vyskytují v přírodě, většina je však vyráběna uměle, má význam a praktické uplatnění jen necelá desetina. Zde se stručně seznámíme s některými radioisotopy obzvlášť zajímavými či důležitými pro praktické aplikace. Několik nejzákladnějších si vyjmenujeme zvlášť, další častěji používané radionuklidy jsou uvedeny níže v tabulce.
    Pomineme-li volný neutron (který je b-radioaktivní n^o®p⁺+e^-+n´ s poločasem »13min.), je nejlehčím radionuklidem tritium ³H , což je čistý beta-zářič s poločasem rozpadu 12,3roku. V přírodě se vyskytuje jako kosmogenní radionuklid, uměle se vyrábí pro řadu aplikací v biologii a medicíně.
  Z dalších lehkých radionuklidů je velmi důležitý zvláště uhlík ¹⁴C, což je rovněž čistý beta-zářič s poločasem rozpadu 5730let. V přírodě se vyskytuje jako kosmogenní radionuklid (je na něm založena radikarbonová metoda určování stáří archeologických předmětů) a podobně jako tritium se vyrábí uměle pro mnohé aplikace, zvláště biologické (např. stopovací metody).
    Hlavním faktorem, rozhodujícím o významu a použití radionuklidů, je poločas rozpadu. Naprostá většina významných radionuklidů, majících uplatnění ve vědě a technice či průmyslu, mají dostatečně dlouhý poločas rozpadu - měsíce, roky, desítky let i více, což umožňuje jejich dlouhodobé používání především ve formě uzavřených zářičů. Výjimkou jsou některé krátkodobé radionuklidy používané v nukleární medicíně, které díky svým chemickým a farmakokinetickým vlastnostem nacházejí uplatnění v radionuklidové diagnostice či terapii ve formě otevřených zářičů - značených radiofarmak, aplikovaných přímo do organismu (většinou intravenózně či perorálně, viz kap.4 "Scintigrafie"). Zde může být krátký poločas rozpadu naopak výhoda z hlediska radiační zátěže organismu. Několik těchto radioisotopů zde i v tabulce postupně uvedeme.
    Z oblasti lehkých radionuklidů do této skupiny patří krátkodobé pozitronové radionuklidy: uhlík ¹¹C (T1/2=20,4min.), dusík ¹³N (T1/2=10min.), kyslík ¹⁵O (T1/2=122sec.) a především fluor ¹⁸F (T1/2=110min.), který se ve formě ¹⁸F-deoxyglukózy vychytá a hromadí zvláště v nádorových tkáních, které se pak na základě koincidenční detece anihilačního záření gama 511keV zobrazují pomocí pozitronové emisní tomografie (viz §4.3).
  Draslík ⁴⁰K je všeobecně rozšířeným přírodním (primárním) radionuklidem s velice dlouhým poločasem rozpadu 1,26.10⁹roků.
Ze středně těžkých radionuklidů je široce využíván zvláště kobalt ⁶⁰Co (T1/2=5,27let) jako zdroj tvrdého záření gama 1173+1332keV pro radioterapii, defektoskopii a další technické aplikace, někdy se používá i ⁵⁷Co jako zdroj měkkého záření gama 122+136keV; oba tyto radionuklidy se též využívají jako etalonové zářiče.
    Pro nukleární medicínu je vůbec nejdůležitějším radionuklidem metastabilní technecium ^99mTc (T1/2=6hodin), které je čistým zářičem gama (Eg=140keV) a získává se beta-rozpadem molybdenu ⁹⁹Mo (T1/2=66hod.) v tzv. generátoru. Techneciem značená radiofarmaka nacházejí široké uplatnění při statické i dynamické scintigrafii ledvin, jater, plic, srdce, mozku a dalších orgánů, jakož i v nádorové diagnostice.
  Radiojód ¹³¹J (T1/2=8 dnů, b^- s max. energií 606keV, hlavní energie g 364keV) má v nukleární medicíně klíčový význam pro diagnostiku a terapii onemocnění štítné žlázy. Pro in vitro radioimunoanalýzu se pak používá radiojód ¹²⁵J (T1/2=60 dnů, EC, X 27+31keV, g 35keV).
    Jedním z nejznámějších a nejpoužívanějších radionuklidů vůbec je cesium ¹³⁷Cs (T1/2=30,17let). Je to b^-+g zářič s jedinou energií záření gama 662keV. Používá se jako hlavní etalon pro gama-spektroskopii, dále k ozařování v radioterapii, v defektoskopii a v řadě měřících a technických aplikací.
  Dalším těžším radionuklidem často využívaným jako gama-zářič je iridium ¹⁹²Ir (T1/2=74,2dne, rozpadá se z 99,5% b^--rozpadem a z 4,5% elektronovým záchytem), které emituje řadu liní záření gama v rozmezí 296-1380keV s výraznými píky 316keV a 468keV. Používá se jako zdroj záření při g defektoskopii a při brachyradioterapii.
    Z těžkých jader uranové skupiny, které jsou všechny a-radioaktivní, jsou důležité zvláště následující přírodní (primární) radionuklidy :
Thorium ²³²Th (T1/2=1,39.10¹⁰let) patří k nejrozšířenějším přírodním radionuklidům obsaženým v horninách zemské kůry (spolu s ⁴⁰K).
Uran ²³⁵U (T1/2=7,1.10⁸let) je důležitým štěpným materiálem, při jehož štěpení v jaderných reaktorech se získává velké množství energie v jaderných elektrárnách; jaderné reaktory slouží též jako mohutný zdroj neutronů pro řadu aplikací jaderné fyziky a chemie. Podrobnosti viz §1.3 "jaderné reakce", část "Štěpení atomových jader".
Uran ²³⁸U (T1/2=4,51.10⁹let) je díky svému delšímu poločasu nejrozšířenějším druhem uranu v přírodě. Lze jej rovněž využít jako štěpný materiál, avšak ne přímo, ale přes plutonium, které v atomovém reaktoru vzniká z ²³⁸U pohlcením neutronu.
Rozpadovými produkty těchto radionuklidů je řada dalších radioisotopů (tvoří tzv. rozpadové řady popsané výše, obr.1.4.1), z nichž nejdůležitější je radium ²²⁶Ra (T1/2=1602let), používané dříve např. v radioterapii. Rozpadem radia pak vzniká plynný radon ²²²Rn, významný z hlediska radioekologie - viz kap.5, §5.2 "Biologické účinky ionizujícího záření", pasáž "Zdroje ozáření ionizujícím zářením".
    Z nejtěžších jader skupiny transuranů mají praktické uplatnění především tři radionuklidy:
Plutonium ²³⁹Pu (T1/2=2,44.10⁴let) je štěpným materiálem podobně jako uran ²³⁵U.
Americium ²⁴¹Am (T1/2=458let) je a+g zářičem, často používaným jako etalon měkkého záření gama 59,6keV, jako zdroj a-částic např. v ionizačních požárních hlásičích, ve směsi s beryliem za využití reakce (a,n) jako laboratorní zdroj neutronů.
Kalifornium ²⁵²Cf (T1/2=2,65roku) se kromě a (97%) rozpadá i spontánním štěpením (3%), při němž jsou vyzařovány neutrony - využívá se proto jako intenzívní neutronový zdroj, např. pro neutronovou aktivační analýzu a pro neutronovou záchytovou radioterapii. Pozn.: Z hlediska produkce neutronů by byl snad ještě zajímavější isotop ²⁵⁴Cf, který se spontánním štěpením rozpadá dokonce v 99% případů, jeho nevýhodou je však kratší poločas T1/2=60,5dne.
  Transurany se radioaktivně rozpadají celými rozpadovými řadami (podobně jako uran a thorium - viz výše obr.1.4.1), kde jednotlivé dceřinné produkty vykazují alfa i beta radioaktivitu a excitovaná jádra emitují záření gama. Konečným produktem jsou stabilní isotopy olova nebo vizmutu.

Tabulka nejčastěji používaných radionuklidů

Pozn.: Barevně jsou označeny dvojice mateřský®dceřinný radionuklid používané v generátorech.

1.3. Jaderné reakce		1.5. Elementární částice

Vojtěch Ullmann