6.5 Radioaktivitet og kjernereaksjoner

Kjerner som ikke holder seg i ro

Hold en GM-teller opp i klasserommet, og den knitrer, selv om det ikke ligger noen kilde i nærheten. Hvert knepp er en partikkel eller et foton fra en atomkjerne som akkurat har omdannet seg, i berggrunnen under skolen eller i lufta du puster inn, eller stråling fra verdensrommet. Dette er radioaktivitet.

En atomkjerne består av protoner og nøytroner. Vi skriver den som ${}^{A}_{Z}X$, der $Z$ er protontallet og $A$ er nukleontallet, altså protoner og nøytroner til sammen. Kjerner med samme $Z$ og ulikt antall nøytroner er isotoper. De fleste kjernene rundt oss er stabile, fordi den sterke kjernekraften holder nukleonene sammen. Men har en kjerne feil forhold mellom protoner og nøytroner, eller er den svært stor, er den ustabil. Før eller siden omdannes den, og da sender den ut stråling.

Alfa, beta og gamma

Store kjerner, som uran og radium, kvitter seg ofte med en alfapartikkel: en heliumkjerne ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$ med to protoner og to nøytroner. Kjernen mister da fire nukleoner og to protoner og blir et annet grunnstoff.

Kjerner med for mange nøytroner gjør noe annet. Et nøytron blir til et proton, og kjernen sender ut et elektron. Dette er $\beta^-$-stråling. Protontallet øker med én, så også her blir kjernen et nytt grunnstoff, men nukleontallet er det samme.

Etter et slikt henfall har den nye kjernen ofte energi til overs. Den går ned til en lavere energitilstand og sender ut et gammafoton, akkurat slik et atom sender ut lys når et elektron faller ned et energinivå. Gammastråling endrer verken protontallet eller nukleontallet.

De tre strålingstypene er alle ioniserende, men de går ulikt langt. Et papirark stopper alfapartiklene, noen millimeter aluminium stopper betastrålingen, mens gammastrålingen bare svekkes av tykt bly eller betong.

Regnskapet i kjernen

Hver kjernereaksjon kan skrives som en likning, og den følger to strenge regler: nukleontallet og ladningen er bevart. Summen av tallene oppe er den samme på begge sider, og det samme gjelder summen av tallene nede.

Når radium-226 sender ut en alfapartikkel, blir det igjen $226 - 4 = 222$ nukleoner og $88 - 2 = 86$ protoner. Det periodiske systemet forteller at grunnstoff 86 er radon:

$${}^{226}_{88}\mathrm{Ra} \rightarrow {}^{222}_{86}\mathrm{Rn} + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$$

Radon er en gass, og det er nettopp radon fra berggrunnen som gjør at radon i inneluft er et helseproblem i Norge.

De samme reglene gjelder når vi skyter partikler mot kjerner. I 1919 skjøt Rutherford alfapartikler mot nitrogen og fikk oksygen og et proton, ${}^{14}_{7}\mathrm{N} + {}^{4}_{2}\mathrm{He} \rightarrow {}^{17}_{8}\mathrm{O} + {}^{1}_{1}\mathrm{H}$. For første gang hadde mennesker gjort ett grunnstoff om til et annet.

Halveringstid -- tilfeldighet som blir lovmessig

Når en bestemt kjerne henfaller, er helt tilfeldig. Likevel oppfører en prøve med milliarder av kjerner seg svært regelmessig: etter en bestemt tid, halveringstiden, har halvparten av kjernene henfalt. Etter to halveringstider er en firedel igjen, etter tre en åttendedel, og etter $n$ hele halveringstider er det $N = N_0 \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^n$ kjerner igjen.

Halveringstiden er en egenskap ved kjernetypen. Barium-137m halveres på et par minutter, så elever kan måle halveringstiden i en skoletime. Karbon-14 halveres på 5730 år, og det gjør den til en klokke for arkeologer: har et stykke trekull en åttendedel så mye karbon-14 som levende tre, har det gått tre halveringstider, altså rundt 17 000 år.

Når vi måler med GM-teller, må vi huske knitringen fra begynnelsen. Bakgrunnsstrålingen måles uten kilde og trekkes fra. Og fordi henfallene er tilfeldige, halveres tellingene aldri helt nøyaktig fra måling til måling.

Oppsummering

Knitringen i GM-telleren kommer fra radioaktive kjerner som omdanner seg. En kjerne ${}^{A}_{Z}X$ kan sende ut en alfapartikkel (${}^{4}_{2}\mathrm{He}$, $A$ blir 4 mindre og $Z$ 2 mindre), $\beta^-$-stråling (et nøytron blir til et proton, $Z$ blir 1 større) eller gammastråling (et foton fra en eksitert kjerne, $A$ og $Z$ uendret).

I alle kjernereaksjoner er nukleontallet og ladningen bevart, og det lar oss skrive reaksjonslikninger og finne ukjente partikler.

Den enkelte kjernen henfaller tilfeldig, men en stor prøve halveres med fast halveringstid: etter $n$ hele halveringstider er $N = N_0 \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^n$ igjen. Det gir oss alt fra skoleforsøk med barium-137m til karbon-14-datering. I neste kapittel ser vi hvor energien i kjernereaksjonene kommer fra.