Fagstoff

Ioniserende stråling

Publisert: 11.08.2010, Oppdatert: 08.03.2017
  • Innbygg
  • Enkel visning
  • Lytt til tekst
  • Skriv ut

Ioniserende stråling er energirik stråling som slår løs elektroner i atomer eller molekyler strålingen treffer på. Hvis slik stråling treffer levende celler kan disse skades eller ødelegges. Som en senvirkning, kan kreft utvikles og i neste generasjon kan mutasjoner komme fram. Ioniserende stråling påvirker også atmosfæren. Den blir ionisert og/eller molekylene spaltes til atomer, når de blir truffet av energirike stråling fra sola. Ioniserende stråling kan også forårsake skade på elektronisk utstyr i satellitter. Det finnes også nyttige anvendelser til ioniserende stråling, som f.eks. til kreftbehandling.

Ulike typer ioniserende stråling

Vi skal omtale følgende typer av ioniserende stråling:

  • Radioaktiv stråling
  • Røntgenstråling
  • Energirik UV-stråling

I fysikken er det vanlig å definere elektromagnetisk stråling med energi > 10 eV, dvs bølgelengde < 124 nm, som ioniserende. Det betyr at den mest energirike UV-strålingen regnes som ioniserende. Den ioniserer f.eks atomer og molekyler i atmosfæren. Men fordi denne strålingen i liten grad har ioniserende virkning på celler i kroppen, betegnes ofte UV-stråling som ikke-ioniserende i forbindelse med strålevern (f.eks i arbeidsmiljøet).

Stråling i magnetfeltAlfa-, beta- og gammastråling som skilles fra hverandre i et magnetfelt.
Opphavsmann: Narom
 

Radioaktiv stråling

Den franske fysikeren Henri Becquerel (1852–1908) oppdaget våren 1896 den radioaktive strålingen. Historien er følgende: Becquerel hadde fotografiske plater og uransalter liggende i samme skuff. Han ante ikke at uranet sendte ut stråling. Til sin store forbauselse fant han at de fotografiske platene var blitt eksponert – som om de var utsatt for lys, selv om de lå godt innpakket i svart papir. Becquerel forstod da at uranet hadde sendt ut intens stråling, som gikk gjennom tykt papir. Den naturlige radioaktive strålingen var oppdaget. Marie Curie (1867–1934) og hennes mann Pierre Curie (1859–1906) gjorde pionerarbeid knyttet til radioaktiviteten. Becquerel, Marie og Pierre Curie mottok Nobelprisen i fysikk i 1903 for henholdsvis oppdagelsen av radioaktivitet og forskning på den. Marie Curie mottok også Nobelprisen i kjemi i 1911 for oppdagelsen av grunnstoffene radium og polonium.

Fysikeren Rutherford viste omkring 1900 at det fantes tre hovedtyper av radioaktiv stråling, nemlig alfa-, beta- og gammastråling. Strålingstypene kan skilles i elektriske og magnetiske felt. De elektrisk ladde partiklene – dvs. alfa- og betastråling, bøyes av i hver sin retning, mens gammastråling ikke blir påvirket. Figuren over viser hvordan alfa-, beta- og gammastråling fra et radiumpreparat beveger seg i et magnetfelt som står vinkelrett på bevegelsesretningen. De positivt alfapartiklene avbøyes svakt i den ene retningen, mens de lette negativt ladde betapartiklene avbøyes kraftig i motsatt retning. Størrelsen på avbøyningen er også avhengig av farten. Kreftene på ladde partikler i elektriske og magnetiske felt blir omtalt senere.

Den radioaktive strålingen kommer fra ustabile atomkjerner. Når de sender ut alfa- eller betastråling blir en kjerne av et annet grunnstoff dannet. Denne kjernen kan også være radioaktiv. Slik oppstår såkalte radioaktive serier. De fleste radioaktive nuklider med atomnummer større enn 82 vil i slutten av serien danne stabilt bly, som illustrert i figuren under.

Alfastråling

Alfastråling (α

-stråling) består av heliumkjerner, 



	
		
		2
		4
	
	H
	
		e
		
			2
			+
		
	
	=
	
		
		2
		4
	
	α

. En atomkjerne som sender ut 



	α

-stråling mister 2 protoner og 2 nøytroner. 
Det nye grunnstoffet som dannes har et atomnummer som er 
2 lavere enn "startnummeret". Nukleontallet minker med 4. 
I alle kjernereaksjoner blir nukleontallet og ladningstallet bevart.
ZAX24α+Z-2A-4Y

Eksempel: Alfastråling

Hvilken nuklide dannes når 84218
 Po (polonium) sender ut α-stråling?

 

Svar:

v84218Po24α+82214Pb

Det dannes 82214Pb

Betastråling

Betastråling (β-stråling) består av energirike elektroner (kalles da β^-) eller positroner (β^+) som sendes ut fra ustabile atomkjerner. Et positron har samme egenskaper som et elektron men motsatt ladning.  Elektroner finnes i ulike baner rundt atomkjernen, men ikke i selve kjernen. At noen kjerner sender ut elektroner må bety at disse dannes, når kjernen desintegrerer, dvs. nedbrytes. Man observerer at den nye nukliden har det samme nukleontallet som den ustabile nukliden, men at atomnummeret stiger med 1. Vi forklarer dette ved at et nøytron går over til et proton og et elektron (β-partikkel) sendes ut. Det dannes samtidig et antinøytrino,  ν ̅.





01n-10β-+11p+ν¯




Atomnummeret avtar med 1 når en nuklide sender ut et positron. Dette kan man forklare ved at et proton går over til et nøyton, og et positron frigjøres.






11p-10β-+01n




Vi ser at i begge tilfellene er nukleontallet og ladningstallet er bevart.

Energien i alfapartiklene er karakteristisk for nukliden som sender den ut. Det samme gjelder ikke for betapartikler. Energiene for β-partiklene varierte fra null til en maksimumsverdi. Man hadde regnet med at energien for β-partiklene alltid ville ha den maksimale verdien, og dermed hadde man et forklaringsproblem. Den sveitsiske fysikeren Wolfgang Pauli forklarte i 1930 den manglende energien med at det ble dannet en partikkel til – som han kalte nøytrino (ν), som “stjal” energien fra betapartikkelen. Nøytrinoer blir kun påvirket av gravitasjon og den svake kjernekraften og er dermed meget vanskelig å påvise. Først i 1956 klarte man å påvise at nøytrinoet eksisterte, en oppdagelse som fikk Nobelprisen i fysikk i 1995. Det er fremdeles mye man ikke vet om nøytrinoer, for eksempel var det først i 1998 at man fant ut at nøytrinoer har masse og man vet fortsatt ikke nøyaktig hvor stor masse de har.

 

Fordypning: Solnøytrinoproblemet

 

Solnøytrinoproblemet var et avvik mellom antall nøytrinoer som burde bli produsert i Solens kjerne ifølge den Standard solmodellen og antallet som ble detektert på jorden. Man detekterte rundt en tredjedel av nøytrinoene man hadde forventet. Løsningen på problemet var at det fantes tre forskjellige typer nøytrinoer som nøytrinoene oscillerer mellom. Det blir produsert den forventede mengden såkalte elektronnøytrinoer, som også er den typen som kunne detekteres, men rundt to tredjedeler av nøytrinoene er en av de to andre typene når de passerer jorden. Slike oscillasjoner kan ikke forekomme med mindre nøytrinoene har masse. 

Det var først i 2001 man kunne detektere alle tre typene direkte ved Sudbury Neutrino Observatory. Arthur McDonald fra Sudbury Neutrino Observatory og Takaaki Kajita fra Super-Kamiokande Observatory fikk Nobelprisen i fysikk i 2015 for oppdagelsen av nøytrinooscillasjoner, som viste at nøytrinoer har masse.
 Reaksjonslikningen for en nuklide X som sender ut en betapartikkel og et nøytrino blir da:

 







ZAX-10β-+Z+1AY+ν




Energien i betapartikler er betydelig lavere enn for alfapartikler. En betapartikkel med 1 MeV har ca. 5 mm rekkevidde i vev. Den stoppes selv av tynne klesplagg.

 

Eksempel: Betastråling

Hvilken nuklide dannes når 



	
		
		82
		214
	
	P
	b

 sender ut β-stråling?
Svar:

82214Pb
-10β+83214Bi

 

Det dannes 



	
		
		83
		214
	
	B
	i

 (vismut).

Også denne nukliden er en β -stråler, slik at nedbrytningen fortsetter.

Gammastråling

I motsetning til alfa- og betastråling er gammastråling (γ -stråling) ikke partikkelstråling, men elektromagnetisk stråling. γ-fotonene har større energi, men kortere bølgelengde enn fotonene i røntgen- og UV stråling. Etter at en nuklide har sendt ut α- eller β-stråling går kjernen tilbake til lavere energitilstander, mot grunntilstanden, ved å sende ut energirike γ-fotoner. Energien til disse fotonene er karakteristisk for den radioaktive nukliden som sender dem ut. Dette tilsvarer energiutsendelsen i et eksitert atom. Energiforskjellen sendes ut som fotoner som gir et karakteristisk spektrum for stoffet. Gammastrålingsspekteret er karakteristisk for radionukliden og brukes til å identifisere nukliden som sender ut strålingen. For Cs f.eks. er γ-fotoner med 662 keV karakteristiske.

Eksempel: Bølgelengden til gammastråling

Den radioaktive nukliden 



	
		
		137
	
	C
	s

 sender ut γ

-fotoner med 662keV.

Hvilken bølgelengde har strålingen?

 

Svar: Vi bruker likningen E = h · f = h · c / λ og må regne om energien fra elektronvolt til joule. 1 eV = 1,60 · 10-19 J.






λ=hcE=6,6310-34Js3,00108m/s6,621051,6010-19J=1,8810-12m




Denne gammastrålingen har en bølgelengde på 1,88 · 10-12 m.

Gammastråling har stor gjennomtrengningsevne. Gammastråling på 1 MeV går lett gjennom et menneske, mens et 1 cm tykt kobberlag stopper omtrent halvparten av strålingen. Ofte brukes lag av bly eller tykke vegger av betong for beskyttelse mot strålingen. Gammastrålingen er den farligste radioaktive strålingen. Det meste av alfa- og betastrålingen stoppes av luft og klær, mens gammastrålingen trenger inn i kroppen.

 

Det elektromagnetiske spekteretDet elektromagnetiske spekteret
Opphavsmann: Narom