Radioaktivitet

Download Kernefysik

Radioaktivitet er et fænomen i kernefysik, hvor en ustabil atomkerne henfalder ved at udsende stråling.

Radioaktivitet forekommer når der en ubalance i atomkernen, enten i forholdet mellem protoner og neutroner, eller fordi der er for mange nukleoner (protoner og neutroner) eller fordi der er et energioverskud. Radioaktive kerner vil forsøge at udbedre denne ubalance, ved at udsende partikler eller elektromagnetisk stråling. Vi kalder dette for henfald og vi kalder de partikler, der sendes ud i processen for stråling.

Der er mange forskellige måder en atom kan henfalde. Et hvert henfald vil ændre atomets tilstand. Et radioaktivt atom vil også i mange tilfælde udsende dele af dets kerne, hvilket betyder at det får et andet atomnummer. Vi kalder den radioaktive kerne for moderkernen og kernen efter henfald kalder vi datterkernen. Nogle gange vil datterkernen også være radioaktiv og vi får en såkaldt henfaldskæde, hvor en kerne henfalder over flere stadier indtil den ender med en stabil kerne.

Processen hvor radioaktive atomer henfalder er stokastisk, hvilket vil sige at det er umuligt at forudsige hvornår det vil ske. Det er dog muligt at beregne sandsynligheden for henfald over en bestemt tidsperiode. Dette gør vi ved at bestemme et atoms halveringstid. Halveringstiden er den tid det i gennemsnit tager før halvdelen af en mængde radioaktive atomer er henfaldet.

De forskellige radioaktive stoffer har forskellige måder at henfalde, hvilket giver forskellige former for stråling. Vi kalder den form for stråling som skyldes radioaktivitet ioniserende stråling, fordi denne stråling har energi nok til at ionisere andre stoffer de passerer. I modsætning til dette er elektromagnetisk stråling, som for eksempel sollys og radiobølger, typisk ikke stærk nok til at ionisere.

Der er tre former for radioaktiv stråling som kommer fra de vigtigste og mest almindelige typer henfald: Alfa-, beta- og gammahenfald.

Alfahenfald er den mest almindelige henfaldstype i større kerner. Ved alfahenfald afgiver den radioaktive kerne en helium kerne, som består af to protoner og to neutroner. Se artiklen Alfastråling.

Betahenfald sker når der er et overskud af neutroner. Her bliver en neutron omdannet til en proton, hvilket afgiver en elektron og en antineutrino. Se artiklen betastråling.

Gammahenfald er en form for afledning af energi, som sker ved at kernen udsender en foton med en høj energi. Gammahenfald vil ofte ske i forbindelse med et alfa eller betahenfald, da disse ændrer på kernens nukleoner, hvilket kan få kernen til at overgå til en lavere energitilstand. Denne energi afgives således som elektromagnetiske bølger. Se artiklen Gammastråling.

Ved alfa- og betahenfald bliver det radioaktive materiale omdannet til et andet grundstof. Ved alfahenfald mister kernen to protoner, og vil derfor omdannes til stoffet to atomnumre mindre. Under betahenfald skabes der en proton, og derfor får kernen et atomnummer der er én højere.

De partikler der udsendes ved henfald, er det vi kalder stråling. Alfastråling består altså af heliumkerner, betastråling af elektroner og gammastråling af fotoner. Typisk er alfastråling den stærkeste af de tre med partikelenergier på op til 6 megaelektronvolt. Beta og gamma har typisk energier op til 3 megaelektronvolt, men alle typer stråling varierer i styrke alt efter hvilken process de stammer fra.

Radioaktivitet måles i Becquerel. Fysikeren Henri Becquerel var den første til at beskrive radioaktivitet. Becquerel er et mål for gennemsnitligt antal henfald per sekund. Enheden for Becquerel er derfor s-1.

Radioaktivitet kan måles med en geigertæller. Geigertælleren har sit navn fra fysikeren Hans Geiger, som udviklede geigertælleren i 1908. Geigertælleren består af det såkaldte gm rør (Geiger-Müller-rør), som indeholder en gas der kan lede elektricitet, når den ioniseres af radioaktiv stråling. Denne elektricitet forstærkes og tælles af Geigertælleren.

Atomkraft

Et af de områder hvor vi ofte hører om radioaktivitet, er inde for atomkraft. Da vi anvender fission i vores kernekraftværker, har vi brug for tunge stoffer med høje atomnumre for at det er effektivt. Men tunge stoffer er altid mere ustabile og derfor bliver atomkraftværker nødt til at bruge radioaktive stoffer. Et af de mest brugte grundstoffer i kernekraftværker er uran, som i dens mest forekomne isotop 238U har en radioaktivitet på 179 millioner Becquerel per kilo og en halveringstid på 4,47 milliarder år. Den høje halveringstid gør at uran kun er svagt radioaktiv.

I langt de fleste tilfælde er 238U dog ikke effektiv som fissionsbrændstof, så man bliver nødt til at berige det til en anden uran isotop eller til grundstoffet plutonium. Disse er langt mere radioaktive og det er derfor at atomkraft er forbundet med så stor risiko.

Når biologisk materiale kommer i kontakt med radioaktive stoffer kan de skabe stor skade. Strålingen kan skabe mere eller mindre tilfældige forbindelser til atomer i det biologiske materiale, og den høje energi strålingspartiklerne har, kan slå atomer ud af deres plads. Dette fører til kemiske ændringer i de følsomme og komplekse strukturer biologisk materiale består af. Dette kan vise sig ved mange forskellige symptomer fra kvalme til kræft og død. Radioaktivitet kan også forsage en langt større mængde mutationer, som kan være højst ødelæggende for naturen.

Radioaktivitet kan dog også, når man kontrollerer det, bruges til behandling og diagnose af forskellige sygdomme. Disse medicinske metoder kaldes for nuklearmedicin.

Man kan i nogle tilfælde gøre brug den kendte halveringstid af et radioaktivt stof. Et eksempel er kulstof 14 metoden. Kulstof 14, C14, er en relativt sjælden isotop af kulstof, der bliver skabt i jordens atmosfære på grund af kosmisk stråling. Kulstof 14 er radioaktivt og har en halveringstid på 5730 år. Dyr og planter indtager i deres levetid hele tiden kulstof forbindelser, men når de dør indtager de ikke nyt kulstof og kulstof 14 vil begynde at nedfalde. Man kan altså måle et biologisk materiales mængde af kulstof 14 og derved regne ud, hvor mange år der er gået siden det var i live.