Radioaktivitet

Radioaktivitet er et fenomen i kjernefysikk hvor en ustabil atomkjerne henfaller ved å sende ut stråling.

Radioaktivitet forekommer når det er en ubalanse i atomkjernen, enten i forholdet mellom protoner og nøytroner, eller fordi det er for mange nukleoner (protoner og nøytroner) eller fordi det er et energioverskudd. Radioaktive kjerner vil prøve å utbedre denne ubalansen ved å sende ut partikler eller elektromagnetisk stråling. Vi kaller denne omdannelsen for henfall, og vi kaller de partiklene som sendes ut i prosessen for stråling.

Et atom kan henfalle på mange forskjellige måter. Ethvert henfall vil endre atomets tilstand. Et radioaktivt atom vil også i mange tilfeller utsende deler av dets egen kjerne, som betyr at det får et annet atomnummer. Vi kaller den radioaktive kjernen for moderkjernen, og kjernen etter henfall kaller vi datterkjernen. Noen ganger vil datterkjernen også være radioaktiv, og vi får en såkalt nedbrytningskjede hvor en kjerne henfaller over flere stadier inntil den ender som en stabil kjerne.

Prosessen hvor radioaktive atomer henfaller er stokastisk, det vil si tilfeldig men statistisk beregnelig. Derfor er det umulig å forutsi når den vil skje. Men det er mulig å beregne sannsynligheten for henfall over en bestemt tidsperiode. Dette gjør vi ved å fastslå et atoms halveringstid. Halveringstiden er den tiden det i gjennomsnitt tar før halvparten av en mengde radioaktive atomer er henfalt.

De forskjellige radioaktive stoffene har forskjellige måter å henfalle, og dette resulterer i forskjellige former for stråling. Vi kaller den formen for stråling som skyldes radioaktivitet for ioniserende stråling, fordi denne strålingen har energi nok til å ionisere andre stoffer den passerer. I motsetning til dette er elektromagnetisk stråling som for eksempel sollys og radiobølger normalt ikke sterk nok til å ionisere.

Det er tre former for radioaktiv stråling som kommer fra de viktigste og mest alminnelige typer henfall: Alfa-, beta- og gammahenfall.

Alfahenfall er den mest alminnelige henfallstypen i større kjerner. Ved alfahenfall avgir den radioaktive kjernen en heliumkjerne som består av to protoner og to nøytroner. Se artikkelen Alfastråling.

Betahenfall oppstår når det er et overskudd av nøytroner. Her blir et nøytron omdannet til et proton, og dette avgir et elektron og et antinøytrino. Se mer i artikkelen om betastråling.

Gammahenfall er en form for avledning av energi som skjer ved at kjernen utsender et foton med stor energi. Gammahenfall vil ofte skje i forbindelse med et alfa- eller betahenfall, fordi disse endrer på kjernens nukleoner. Dette kan få kjernen til å gå over til en lavere energitilstand. Denne energien avgis så som elektromagnetiske bølger. Se artikkelen Gammastråling.

Ved alfa- og betahenfall blir det radioaktive materialet omdannet til et annet grunnstoff. Ved alfahenfall mister kjernen to protoner, og vil derfor omdannes til stoffet minus to atomnumre. Under betahenfall dannes det et proton, og derfor får kjernen et atomnummer som er ett nummer høyere.

Det vi kaller stråling, er de partiklene som sendes ut ved henfall. Alfastråling består altså av heliumkjerner, betastråling av elektroner, og gammastråling består av fotoner. Som regel er alfastråling den sterkeste av de tre, med partikkelenergier på opp til 6 megaelektronvolt. Beta og gamma har oftest energier opp til 3 megaelektronvolt, men alle typer stråling varierer i styrke alt etter hvilken prosess de stammer fra.

Radioaktivitet måles i Becquerel. Fysikeren Henri Becquerel var den første til å beskrive radioaktivitet. Becquerel er et mål for gjennomsnittlig antall henfall per sekund. Enheten for Becquerel er s^-1.

Radioaktivitet kan måles med en geigerteller. Geigertelleren er oppkalt etter fysikeren Hans Geiger, som utviklede geigertelleren i 1908. Geigertelleren består av et såkalte gm-rør (Geiger-Müller-rør) som inneholder en gass som kan lede elektrisitet når den ioniseres av radioaktiv stråling. Denne elektrisiteten forsterkes og telles av geigertelleren.

Kjernekraft

Et av de områder hvor vi ofte hører om radioaktivitet, er i forbindelse med atomkraft. Fordi man bruker fisjon i kjernekraftverk, har man bruk for tunge stoffer med høye atomnumre for at prosessen skal være effektiv. Men tunge stoffer er alltid mere ustabile, og derfor er atomkraftverk nødt til å bruke radioaktive stoffer. Et av de mest brukte grunnstoffene i kjernekraftverk 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 høye halveringstiden gjør at uran kun er svakt radioaktivt.

I langt de fleste tilfeller er ²³⁸U likevel ikke effektivt som fisjonsbrennstoff, så man er nødt til å berike det til en annen uran-isotop eller til grunnstoffet plutonium. Disse er langt mere radioaktive, og det er derfor atomkraft er forbundet med så stor risiko.

Når biologisk materiale kommer i kontakt med radioaktive stoffer, kan det forårsake stor skade. Strålingen kan skape mer eller mindre tilfeldige forbindelser til atomer i det biologiske materialet, og den høye energien til strålingspartiklene kan slå atomer ut av deres plass. Dette fører til kjemiske endringer i de følsomme og komplekse strukturene biologiske materialer består av. Dette kan vise seg i form av mange forskjellige symptomer, fra kvalme til kreft og død. Radioaktivitet kan også føre til en langt større mengde mutasjoner som kan være svært ødeleggende for naturen.

Men radioaktivitet kan også, når man kontrollerer den, brukes til behandling og diagnostisering av forskjellige sykdommer. Disse medisinske metodene kalles for nuklearmedisin.

Man kan i noen forbindelser gjøre bruk av den kjente halveringstiden til et radioaktivt stoff. Et eksempel er karbon 14 metoden. Karbon 14, C14, er en relativt sjelden isotop av karbon som dannes i jordens atmosfære på grunn av kosmisk stråling. Karbon 14 er radioaktivt og har en halveringstid på 5730 år. Dyr og planter inntar hele tiden karbonforbindelser mens de lever, men når de dør, inntar de ikke nytt karbon og karbon 14 vil begynne å avta. Man kan derfor måle et biologisk materiales mengde av karbon 14 og basert på dette regne ut hvor mange år der er gått siden det var i live.