Radioaktivitet

Radioaktivitet är utsläpp av strålning från instabila kärnor. Denna strålning kan finnas i form av subatomära partiklar (främst alfa- och betapartiklar) eller i form av energi (främst gammastrålar).

Radioaktivitet upptäcktes oavsiktligt 1896 av den franske fysikern Henri Becquerel (1852-1908). Under de årtionden som följde efter Becquerels upptäckt gav forskningen om radioaktivitet revolutionerande genombrott i vår förståelse av materiens natur och ledde till ett antal viktiga praktiska tillämpningar. Dessa tillämpningar omfattar en mängd nya anordningar och tekniker som sträcker sig från kärnvapen och kärnkraftverk till medicinsk teknik som kan användas för att diagnostisera och behandla allvarliga sjukdomar.

Stabila och instabila kärnor

Kärnan i alla atomer (med undantag för väte) innehåller en eller flera protoner och en eller flera neutroner. Kärnan i de flesta kolatomer innehåller till exempel sex protoner och sex neutroner. I de flesta fall är atomernas kärnor stabila, det vill säga de genomgår inga förändringar av sig själva. En kolkärna kommer att se exakt likadan ut om hundra år (eller en miljon år) som den gör idag.

Men vissa atomkärnor är instabila. En instabil kärna är en kärna som spontant genomgår någon inre förändring. Vid denna förändring avger kärnan en subatomär partikel, eller en energistöt, eller både och. Som exempel kan nämnas att en isotop av kol, kol-14, har en kärna som består av sex protoner och åtta (i stället för sex) neutroner. En kärna som avger en partikel eller energi sägs genomgå radioaktivt sönderfall, eller bara sönderfall.

Forskarna är inte helt klara över vad som gör en atomkärna instabil. Det verkar som om vissa kärnor innehåller ett överdrivet antal protoner eller neutroner eller en överdriven mängd energi. Dessa kärnor återställer vad som för dem måste vara en korrekt balans av protoner, neutroner och energi genom att avge en subatomär partikel eller en energistöt.

I denna process ändrar kärnan sin sammansättning och kan faktiskt bli en helt annan kärna. I sitt försök att uppnå stabilitet avger till exempel en kol-14-kärna en betapartikel. När kol-14-kärnan har förlorat betapartikeln består den av sju protoner och sju neutroner. Men en kärna som består av sju protoner och sju neutroner är inte längre en kolkärna. Den är nu kärnan i en kväveatom. Genom att avge en betapartikel har kol-14-atomen förändrats till en kväveatom.

Strålningstyper

De former av strålning som oftast avges av en radioaktiv kärna kallas alfapartiklar, betapartiklar och gammastrålar. En alfapartikel är kärnan i en heliumatom. Den består av två protoner och två neutroner. Tänk på fallet med en radium-226-atom. Kärnan i en radium-226-atom består av 88 protoner och 138 neutroner. Om denna kärna avger en alfapartikel måste den förlora de två protoner och två neutroner som alfapartikeln består av. Efter att alfapartikeln har avgivits innehåller den kvarvarande kärnan endast 86 protoner (88 – 2) och 136 neutroner (138 – 2). Denna kärna är kärnan i en radonatom, inte i en radiumatom. Genom att avge en alfapartikel har radium-226-atomen förändrats till en radonatom.

Utsläppet av betapartiklar från atomkärnor var en källa till förvirring för forskarna i många år. En betapartikel är en elektron. Problemet är att elektroner inte existerar i atomernas kärnor. De kan finnas utanför kärnan men inte inom den. Hur är det då möjligt för en instabil atomkärna att avge en betapartikel (elektron)?

Svaret är att betapartikeln produceras när en neutron inuti atomkärnan bryts sönder och bildar en proton och en elektron:

neutron → proton + elektron

Kom ihåg att en proton har en enda positiv laddning och elektronen en enda negativ laddning. Det betyder att en neutron, som inte bär någon elektrisk laddning alls, kan brytas isär och bilda två nya partiklar (en proton och en elektron) vars elektriska laddningar summeras till noll.

Tänk tillbaka på exemplet med kol-14, som nämndes tidigare. En kol-14-kärna sönderfaller genom att avge en betapartikel. Det innebär att en neutron i kol-14-kärnan bryts sönder och bildar en proton och en elektron. Elektronen avges som en betastråle och protonen stannar kvar i kärnan. Den nya kärnan innehåller sju protoner (dess ursprungliga sex plus en ny proton) och sju neutroner (dess ursprungliga åtta reducerade genom att en bryts sönder).

Förlusten av en alfapartikel eller en betapartikel från en instabil kärna åtföljs ofta av förlusten av en gammastråle. En gammastråle är en form av högenergistrålning. Den liknar en röntgenstråle men har en något högre energi. Vissa instabila kärnor kan sönderfalla genom att endast avge gammastrålar. När de har förlorat den energi som gammastrålarna för med sig blir de stabila.

Naturlig och syntetisk radioaktivitet

Många radioaktiva grundämnen förekommer i naturen. Faktum är att alla grundämnen som är tyngre än vismut (atomnummer 83) är radioaktiva. De har inga stabila isotoper.

De tyngsta av de radioaktiva grundämnena ingår i sekvenser som kallas radioaktiva familjer. En radioaktiv familj är en grupp grundämnen där sönderfallet av ett radioaktivt grundämne ger upphov till ett annat grundämne som också är radioaktivt. Som exempel kan nämnas att moderisotopen i en radioaktiv familj är uran-238. När uran-238 sönderfaller bildas torium-234. Men torium-234 är också radioaktivt. När den sönderfaller bildar den protactinium-234. Protactinium-234 är i sin tur också radioaktivt och sönderfaller för att bilda uran-234. Processen fortsätter i ytterligare elva steg. Slutligen sönderfaller isotopen polonium-210 och bildar bly-206, som är stabilt.

Många lättare grundämnen har också radioaktiva isotoper. Några exempel är väte-3, kol-14, kalium-40 och tellur-123.

Radioaktiva isotoper kan också framställas artificiellt. Den vanliga processen är att bomba en stabil kärna med protoner, neutroner, alfapartiklar eller andra subatomära partiklar. Bombningsprocessen kan utföras med partikelacceleratorer (atomkrossare) eller i kärnreaktorer. När en av de bombarderande partiklarna (kulorna) träffar en stabil kärna kan den få kärnan att bli instabil och därför bli radioaktiv.