Stråling fra radioaktive kilder

Atomkjerner består av protoner og nøytroner. Har du tenkt på hvordan det kan ha seg at positive protoner og nøytrale nøytroner kan henge sammen i en atomkjerne? Positive ladninger frastøter jo hverandre!

Grunnen til at dette er mulig, er at det finnes en helt egen kraft, sterk kjernekraft, som bare virker på partiklene i kjernen. Denne kraften er veldig sterk, men rekker ikke lenger enn til et par nabopartikler. Innenfor atomkjernen vinner den over den elektriske frastøtningen mellom protonene, slik at kjernen henger sammen.

I store atomkjerner blir det dermed mer og mer elektrisk frastøtning mellom protonene etter hvert som atomkjernen blir større (høyere atomnummer). Da henger ikke den sterke kjernekraften med lenger, og atomkjernen blir ustabil, det vil si radioaktiv.

En ustabil kjerne kan bli mer stabil ved å sende ut partikler som består av to protoner og to nøytroner. Dette er det samme som kjernen i heliumatomer, og kalles i denne sammenhengen alfapartikler. Siden alfapartiklene er store og tunge, er alfastråling svært energirik.

Når en atomkjerne sender ut en alfapartikkel, blir den omdannet til et nytt grunnstoff. Atomnummeret til det nye grunnstoffet vil være 2 lavere enn det opprinnelige, siden to positive protoner har forsvunnet.

Eksempel

Når en radiumkjerne sender ut en alfapartikkel (heliumkjerne) i voldsom fart, blir den til et nytt grunnstoff med en kjerne som har to protoner og to nøytroner færre enn den opprinnelige radiumkjernen. Den nye kjernen er en radonkjerne (Rn).

Denne prosessen kalles desintegrasjon. Reaksjonsligningen kan skrives slik:

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

Tenk gjennom!

Som eksempel kan vi ta uran, som har atomnummer 92 i periodesystemet. Hvilket nytt grunnstoff blir dannet hvis en urankjerne sender ut en alfapartikkel?

Løsning

Hvis en urankjerne sender ut en alfapartikkel, vil den miste to protoner. Uran har 92 protoner, og vi ender dermed opp med et stoff med 90 protoner. Ut i fra periodesystemet er dette thorium (Th).

Hvis vi kjenner antall partikler i kjernen (antall protoner og nøytroner til sammen), kan vi skrive dette som en reaksjonslikning:

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

Betastråling er en annen måte ustabile kjerner omdannes på. Betastråling består av elektroner med stor fart. Da lurer du sikkert på hvordan det kan komme elektroner fra atomkjernen – der er det jo bare protoner og nøytroner! Svaret er at et nøytron kan omdannes til et proton og et elektron.

En spesiell karbonisotop, karbon-14, består av 6 protoner og 8 nøytroner, og sender ut betastråling.

Tenk gjennom

Hvilket grunnstoff blir dannet når et av disse nøytronene omdannes til et proton og et elektron?

Gammastråling er elektromagnetisk stråling med høy energi som sendes ut fra ustabile atomkjerner. Røntgenstråling og gammastråling overlapper i det elektromagnetiske spekteret, men skiller seg fra hverandre i hvordan de oppstår.

Røntgenstråling oppstår ved nedbremsing av svært raske elektroner, mens gammastråling skyldes endringer i atomkjernen og er derfor radioaktiv stråling.

Vanligvis følger gammastråling etter at atomkjernen har sendt ut en alfa- eller betapartikkel, og vi kan se på gammastrålingen som en slags opprydding for å gjøre strukturen i den nye atomkjernen mest mulig stabil.

For en gitt atomkjerne er det alltid en fast sannsynlighet for at en radioaktiv omdanning vil skje. Dette betyr at vi aldri kan forutsi når en reaksjon vil skje for hver enkelt atomkjerne. Men dersom vi har mange atomkjerner, vet vi at en fast prosent av dem kommer til å bli omdannet. Dette er grunnen til at vi snakker om radioaktive stoffers halveringstid, tida det tar før halvparten av atomkjernene er omdannet.

Halveringstida til en bestemt atomkjerne er alltid den samme, og vi kan ikke påvirke den. Den kan variere fra mindre enn en milliarddels sekund til mange ganger universets alder!

Vi bruker ofte symbolet ${\mathrm{T}}_{\frac{1}{2}}$ om halveringstid. Hvis vi har en tilfeldig tid t, finner vi antallet halveringer ved$\frac{t}{T_{{\displaystyle \frac{1}{2}}}}$.

Hvis den tilfeldige tida er $t=10 \mathrm{år}$, og halveringstida er $T_{\frac{1}{2}}=2,5 \mathrm{år}$, vil det opprinnelige antallet ha halvert seg 4 ganger. Da vil antallet atomkjerner som ikke er omdannet, være startantall ∙ 0,5 ∙ 0,5 ∙ 0,5 ∙ 0,5 = startantall ∙ ${\mathrm{0,5}}^4$

Dette gjør at vi kan sette opp denne formelen for å beregne hvor mange atomkjerner N som ikke er omdannet når vi startet med $N_0$ atomkjerner:$N=N_0·(0,5{)}^{\frac{t}{T_{{\displaystyle \frac{1}{2}}}} }$

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