Stråling frå radioaktive kjelder

Atomkjernar består av proton og nøytron. Har du tenkt på korleis det kan ha seg at positive proton og nøytrale nøytron kan henge saman i ein atomkjerne? Positive ladningar støyter jo kvarandre vekk!

Grunnen til at dette er mogleg, er at det finst ei heilt eiga kraft, sterk kjernekraft, som berre verkar på partiklane i kjernen. Denne krafta er veldig sterk, men rekk ikkje lenger enn til eit par nabopartiklar. Innanfor atomkjernen vinn ho over den elektriske fråstøytinga mellom protona, slik at kjernen heng saman.

I store atomkjernar blir det dermed meir og meir elektrisk fråstøyting mellom protona etter kvart som atomkjernen blir større (høgare atomnummer). Då heng ikkje den sterke kjernekrafta med lenger, og atomkjernen blir ustabil, det vil seie radioaktiv.

Ein ustabil kjerne kan bli meir stabil ved å sende ut partiklar som består av to proton og to nøytron. Dette er det same som kjernen i heliumatom og blir i denne samanhengen kalla for alfapartiklar. Sidan alfapartiklane er store og tunge, er alfastrålinga svært energirik.

Når ein atomkjerne sender ut ein alfapartikkel, blir han omdanna til eit nytt grunnstoff. Atomnummeret til det nye grunnstoffet vil vere 2 lågare enn det opphavlege, sidan to positive proton har forsvunne.

Døme

Når ein radiumkjerne sender ut ein alfapartikkel (heliumkjerne) i forrykande fart, blir han til eit nytt grunnstoff med ein kjerne som har to proton og to nøytron færre enn den opphavlege radiumkjernen. Den nye kjernen er ein radonkjerne (Rn).

Denne prosessen blir kalla for desintegrasjon. Reaksjonslikninga kan skrivast slik:

$$ {}_{88}{}^{226}Ra\to {}_{86}{}^{222}Rn+{}_2{}^{4}He$$

Tenk gjennom!

Som døme kan vi ta uran, som har atomnummer 92 i periodesystemet. Kva nytt grunnstoff blir danna viss ein urankjerne sender ut ein alfapartikkel?

Løysing

Viss ein urankjerne sender ut ein alfapartikkel, vil han miste to proton. Uran har 92 proton, og vi ender dermed opp med eit stoff med 90 proton. Ut frå periodesystemet er dette thorium (Th).

Dersom vi kjenner talet på partiklar i kjernen (tal på proton og nøytron til samen), kan vi skrive dette som ei reaksjonslikning:

$$ {}_{92}{}^{238}U\to {}_{90}{}^{234}Th+{}_2{}^{4}He$$

Betastråling er ein annan måte ustabile kjernar blir omdanna på. Betastråling består av elektron med stor fart. Då lurer du sikkert på korleis det kan kome elektron frå atomkjernen – der er det jo berre proton og nøytron! Svaret er at eit nøytron kan dannast om til eit proton og eit elektron.

Ein spesiell karbonisotop, karbon-14, består av 6 proton og 8 nøytron, og sender ut betastråling.

Tenk gjennom

Kva grunnstoff blir danna når eit av desse nøytrona blir omdanna til eit proton og eit elektron?

Gammastråling er elektromagnetisk stråling med høg energi som blir send ut frå ustabile atomkjernar. Røntgenstråling og gammastråling overlappar i det elektromagnetiske spekteret, men skil seg frå kvarandre i korleis dei oppstår.

Røntgenstråling oppstår ved nedbremsing av svært raske elektron, mens gammastråling kjem av endringar i atomkjernen og er derfor radioaktiv stråling.

Vanlegvis følgjer gammastråling etter at atomkjernen har sendt ut ein alfa- eller betapartikkel, og vi kan sjå på gammastrålinga som ei slags opprydding for å gjere strukturen i den nye atomkjernen mest mogleg stabil.

For ein gitt atomkjerne er det alltid eit fast sannsyn for at ei radioaktiv omdanning vil skje. Dette betyr at vi aldri kan føreseie når ein reaksjon vil skje for kvar einskild atomkjerne. Men dersom vi har mange atomkjernar, veit vi at ein fast prosent av dei kjem til å bli omdanna. Dette er grunnen til at vi snakkar om halveringstida til radioaktive stoffe, tida det tek før halvparten av atomkjernane er omdanna.

Halveringstida til ein bestemd atomkjerne er alltid den same, og vi kan ikkje påverke ho. Ho kan variere frå mindre enn ein milliarddel av eit sekund til mange gonger alderen til universet!

Vi bruker ofte symbolet ${\mathrm{T}}_{\frac{1}{2}}$ om halveringstid. Om vi har ei tilfeldig tid t, finn vi talet på halveringar ved$\frac{t}{T_{{\displaystyle \frac{1}{2}}}}$.

Viss den tilfeldige tida er $t=10 \mathrm{år}$, og halveringstida er $T_{\frac{1}{2}}=2,5 \mathrm{år}$, vil det opphavlege talet ha halvert seg 4 gonger. Då vil talet på atomkjernar som ikkje er omdanna, vere starttal ∙ 0,5 ∙ 0,5 ∙ 0,5 ∙ 0,5 = starttal ∙ ${\mathrm{0,5}}^4$

Dette gjer at vi kan setje opp denne formelen for å berekne kor mange atomkjernar N som ikkje er omdanna når vi starta med $N_0$ atomkjernar: $N=N_0·(0,5{)}^{\frac{t}{T_{{\displaystyle \frac{1}{2}}}} }$

Her kan du bruke programmering for å lære meir om halveringstid: Halveringstid – programmering i Python.