Radioaktivitet

Radioaktivitet blev opdaget ved et tilfælde i 1896 af den franske fysiker Henri Becquerel (1852-1908). I årtierne efter Becquerels opdagelse gav forskningen i radioaktivitet revolutionerende gennembrud i vores forståelse af stoffets natur og førte til en række vigtige praktiske anvendelser. Disse anvendelser omfatter et væld af nye apparater og teknikker, lige fra atomvåben og atomkraftværker til medicinske teknikker, der kan bruges til at diagnosticere og behandle alvorlige sygdomme.

Stabile og ustabile atomkerner

Kernen i alle atomer (med undtagelse af brint) indeholder en eller flere protoner og en eller flere neutroner. Kernen i de fleste kulstofatomer indeholder f.eks. seks protoner og seks neutroner. I de fleste tilfælde er atomernes kerner stabile; det vil sige, at de ikke ændrer sig af sig selv. En kulstofkerne vil se nøjagtig ens ud om hundrede år (eller om en million år), som den gør i dag.

Men nogle atomkerner er ustabile. En ustabil kerne er en kerne, der undergår en eller anden indre ændring spontant. Ved denne ændring afgiver kernen en subatomar partikel eller et energiudbrud eller begge dele. Som et eksempel kan nævnes en isotop af kulstof, kulstof-14, hvis kerne består af seks protoner og otte (i stedet for seks) neutroner. En kerne, der afgiver en partikel eller energi, siges at undergå radioaktivt henfald, eller blot henfald.

Forskerne er ikke helt klar over, hvad der gør en kerne ustabil. Det ser ud til, at nogle kerner indeholder et for stort antal protoner eller neutroner eller en for stor mængde energi. Disse kerner genopretter det, der for dem må være den rette balance mellem protoner, neutroner og energi, ved at afgive en subatomar partikel eller et energiudbrud.

I denne proces ændrer kernen sin sammensætning og kan faktisk blive en helt anden kerne. I sit forsøg på at opnå stabilitet afgiver en kulstof-14-kerne f.eks. en betapartikel. Efter at kulstof-14-kernen har mistet betapartiklen, består den af syv protoner og syv neutroner. Men en kerne, der består af syv protoner og syv neutroner, er ikke længere en kulstofkerne. Det er nu kernen i et nitrogenatom. Ved at afgive en betapartikel har kulstof-14-atomet forandret sig til et nitrogenatom.

Typer af stråling

De former for stråling, der oftest udsendes af en radioaktiv kerne, kaldes alfapartikler, beta-partikler og gammastråler. En alfapartikel er kernen i et heliumatom. Den består af to protoner og to neutroner. Tag et radium-226-atom som eksempel. Kernen i et radium-226-atom består af 88 protoner og 138 neutroner. Hvis denne kerne afgiver en alfapartikel, må den miste de to protoner og to neutroner, som alfapartiklen er sammensat af. Efter afgivelse af alfapartiklen indeholder den tilbageværende kerne kun 86 protoner (88 – 2) og 136 neutroner (138 – 2). Denne kerne er kernen i et radonatom, ikke i et radiumatom. Ved at udsende en alfapartikel har radium-226-atomet ændret sig til et radonatom.

Emissionen af betapartikler fra atomkerner var i mange år en kilde til forvirring for forskerne. En beta-partikel er en elektron. Problemet er, at elektroner ikke findes i atomernes kerner. De kan findes uden for kernen, men ikke i kernen. Hvordan er det så muligt for en ustabil kerne at afgive en beta-partikel (elektron)?

Svaret er, at betapartiklen opstår, når en neutron inde i atomkernen går fra hinanden og danner en proton og en elektron:

neutron → proton + elektron

Husk på, at en proton bærer en enkelt positiv ladning og elektronen en enkelt negativ ladning. Det betyder, at en neutron, som ikke bærer nogen elektrisk ladning overhovedet, kan gå fra hinanden og danne to nye partikler (en proton og en elektron), hvis elektriske ladninger tilsammen udgør nul.

Tænk tilbage på eksemplet med kulstof-14, som blev nævnt tidligere. En kulstof-14-kerne henfalder ved at afgive en beta-partikel. Det betyder, at en neutron i kulstof-14-kernen går fra hinanden og danner en proton og en elektron. Elektronen afgives som en betastråle, og protonerne bliver tilbage i kernen. Den nye kerne indeholder syv protoner (dens oprindelige seks plus en ny proton) og syv neutroner (dens oprindelige otte reduceret med nedbrydningen af en).

Tabet af en alfapartikel eller en betapartikel fra en ustabil kerne er ofte ledsaget af tab af en gammastråle. En gammastråle er en form for højenergistråling. Den ligner en røntgenstråle, men har en noget større energi. Nogle ustabile atomkerner kan henfalde ved udelukkende at udsende gammastråler. Når de har mistet den energi, som gammastrålerne transporterer med sig, bliver de stabile.

Naturlig og syntetisk radioaktivitet

Mange radioaktive grundstoffer forekommer i naturen. Faktisk er alle grundstoffer, der er tungere end bismuth (atomnummer 83), radioaktive. De har ingen stabile isotoper.

De tungeste af de radioaktive grundstoffer indgår i sekvenser, der er kendt som radioaktive familier. En radioaktiv familie er en gruppe af grundstoffer, hvor henfaldet af et radioaktivt grundstof producerer et andet grundstof, der også er radioaktivt. Som et eksempel kan nævnes, at moderisotopen i en radioaktiv familie er uran-238. Når uran-238 henfalder, danner det thorium-234. Men thorium-234 er også radioaktivt. Når den henfalder, danner den protactinium-234. Protactinium-234 er på sin side også radioaktivt og henfalder til uran-234. Processen fortsætter i yderligere elleve trin. Til sidst henfalder isotopen polonium-210 til bly-206, som er stabilt.

Mange lettere grundstoffer har også radioaktive isotoper. Nogle eksempler er hydrogen-3, kulstof-14, kalium-40 og tellur-123.

Radioaktive isotoper kan også fremstilles kunstigt. Den sædvanlige proces er at bombardere en stabil kerne med protoner, neutroner, alfapartikler eller andre subatomare partikler. Bombardementsprocessen kan udføres med partikelacceleratorer (atom-smashers) eller i kernereaktorer. Når en af de bombarderende partikler (kugler) rammer en stabil kerne, kan den få denne kerne til at blive ustabil og derfor blive radioaktiv.