2.4 Radioaktivitet og kjerneforandringer

En oppdagelse ved et uhell

Året er 1896, og den franske fysikeren Henri Becquerel holder på med eksperimenter med fluorescerende materialer. Han legger et stykke uranmineral oppå en fotografisk plate som er pakket inn i svart papir, og lar det ligge i en skuff. Når han senere fremkaller platen, oppdager han noe merkelig: platen er blitt svertnet, som om den hadde blitt belyst. Men det hadde den ikke. Uranmineralet sendte ut en usynlig, mystisk stråling helt av seg selv.

Denne tilfeldige oppdagelsen åpnet døren til en helt ny verden. Marie Curie tok stafettpinnen videre og oppdaget grunnstoffene polonium og radium, begge intenst radioaktive. For dette banebrytende arbeidet mottok hun to nobelpriser -- en bedrift som gjør henne til en av historiens mest bemerkelsesverdige vitenskapspersoner.

Men hva var det egentlig som skjedde inne i uranmineralet? Svaret ligger dypt inne i atomkjernen. Noen atomkjerner er ustabile, og for å oppnå stabilitet sender de ut partikler eller energi. Denne prosessen kalles radioaktivitet, eller mer presist radioaktiv nedbryting og radioaktivt henfall. I dette kapittelet skal vi dykke ned i atomkjernen og forstå hva som gjør noen kjerner ustabile, hvilke typer stråling de sender ut, og hvordan selve grunnstoffet kan forandre seg i prosessen.

Inne i atomkjernen

For å forstå radioaktivitet må vi først forstå hva atomkjernen er bygget opp av. Kjernen består av to typer partikler: protoner, som er positivt ladet, og nøytroner, som er elektrisk nøytrale. Sammen kalles de nukleoner. Antall protoner bestemmer hvilket grunnstoff vi har -- dette tallet kalles atomnummeret og forkortes Z. Uran har for eksempel 92 protoner, og det er nettopp dette som gjør det til uran. Massetallet (A) er summen av protoner og nøytroner i kjernen. For uran-238 er massetallet 238, som betyr at kjernen inneholder 92 protoner og 146 nøytroner. Vi skriver dette som ²³⁸₉₂U.

Men hva holder kjernen sammen? Protonene er jo alle positivt ladet, og like ladninger frastøter hverandre. Svaret er den sterke kjernekraften, en av naturens fundamentale krefter. Den er sterkere enn den elektriske frastøtingen, men virker bare over svært korte avstander -- omtrent som en superlim som bare fungerer når tingene er i direkte kontakt.

Noen kjerner er stabile, mens andre er det ikke. Det finnes flere grunner til ustabilitet. Kjernen kan ha for mange nøytroner i forhold til protoner, eller for få. Den kan rett og slett være for stor -- alle grunnstoffer med atomnummer over 82, altså tyngre enn bly, er ustabile. Kjernen kan også befinne seg i en eksitert tilstand med overskuddsenergi. For lette kjerner, de med atomnummer under 20, trengs omtrent like mange protoner som nøytroner for stabilitet. Tyngre kjerner trenger gradvis flere nøytroner for å holde sammen. Og de aller tyngste? De er alltid ustabile, uansett hvor mange nøytroner de har.

Isotoper -- søsken med ulik vekt

Tenk deg to versjoner av samme grunnstoff, som tvillinger med ulik kroppsvekt. De har nøyaktig like mange protoner, og dermed de samme kjemiske egenskapene, men de har ulikt antall nøytroner. Slike varianter kalles isotoper.

Karbon er et godt eksempel. Det vanligste karbonatomet, karbon-12, har 6 protoner og 6 nøytroner -- helt stabilt og utgjør 98,9 prosent av alt karbon. Karbon-13 har ett ekstra nøytron og er også stabilt, men utgjør bare 1,1 prosent. Og så har vi karbon-14, med 6 protoner og 8 nøytroner. De to ekstra nøytronene gjør denne isotopen ustabil -- den er radioaktiv og finnes bare i spormengder.

Uran har også flere isotoper. Uran-234 har en halveringstid på 245 000 år, uran-235 har 704 millioner år og er den isotopen som brukes i kjernekraft (den er fissil, altså spaltbar), og uran-238 har en halveringstid på hele 4,5 milliarder år, omtrent like gammel som jorden selv.

Ustabile isotoper som sender ut stråling kalles radioisotoper. Det viktige poenget er at isotoper av samme grunnstoff oppfører seg nesten identisk kjemisk -- kroppen din kan ikke skille mellom karbon-12 og karbon-14. Men kjernefysisk er de svært forskjellige. Det er nettopp dette som gjør radioisotoper nyttige i medisin og forskning, som vi skal se senere.

Alfastråling -- den tunge kanonen

Når en ustabil kjerne sender ut en alfapartikkel, skjer det noe dramatisk. En alfapartikkel er nemlig en hel heliumkjerne -- 2 protoner og 2 nøytroner pakket tett sammen. Den skrives ⁴₂He eller ⁴₂α. Tenk på det som at kjernen spytter ut en solid klump for å bli lettere og mer stabil.

Alfapartikkelen er relativt stor og tung, med en ladning på +2. Den har enormt høy ioniseringsevne, som betyr at den river løs elektroner fra alle atomene den passerer. Men nettopp fordi den er så stor og interagerer så kraftig, bruker den opp energien sin raskt. Rekkevidden er bare noen centimeter i luft, og den stoppes av et papirark, et klesplagg, eller hudens ytre lag.

Når en kjerne sender ut en alfapartikkel, mister den 2 protoner og 2 nøytroner. Atomnummeret synker med 2, massetallet synker med 4, og grunnstoffet forandrer seg. Ta uran-238 som eksempel: ²³⁸₉₂U sender ut en alfapartikkel og blir til ²³⁴₉₀Th -- altså thorium-234. Uran har blitt til et helt annet grunnstoff.

Men her er paradokset med alfastråling: utvendig er den relativt ufarlig fordi den stoppes av huden. Men innvendig, dersom du puster inn eller svelger et alfastrålende stoff, er den svært farlig. Den høye ioniseringsevnen gir massiv lokal skade til lungevev og andre organer. Radon, en radioaktiv gass som kan sive inn i boliger fra berggrunnen, er et viktig eksempel på dette. Vi kommer tilbake til radon i kapittel 2.6.

Betastråling -- nøytronets forvandling

Betastråling oppstår på en helt annen måte enn alfa. Ved beta-minus-nedbryting, som er den vanligste formen, skjer noe bemerkelsesverdig inne i kjernen: et nøytron omdannes til et proton, og i prosessen sendes det ut et elektron og et antinøytrino. Reaksjonen er: n → p + e⁻ + antinøytrino.

Betapartikkelen -- altså elektronet -- er mye lettere enn en alfapartikkel, med ladning -1. Den har middels ioniseringsevne og kan bevege seg med hastigheter opp mot 99 prosent av lyshastigheten. Rekkevidden i luft er noen meter, og den stoppes av aluminiumsfolie, tynn plast eller noen millimeter tre.

Når et nøytron blir til et proton, øker atomnummeret med 1, men massetallet forblir det samme -- for totalt antall nukleoner er uendret. Et nøytron er bare blitt til et proton. Et vakkert eksempel er karbon-14: ¹⁴₆C sender ut et betapartikkel og blir til ¹⁴₇N -- nitrogen-14. Karbon har blitt til nitrogen!

Det finnes også en sjeldnere variant kalt beta-pluss eller positronemisjon, der et proton omdannes til et nøytron og sender ut et positron (et antielektron med ladning +1). Her synker atomnummeret med 1.

Betastråling er farlig både utvendig og innvendig, fordi den kan trenge gjennom huden og nå dypere vev. Den krever mer skjerming enn alfa, men langt mindre enn gamma.

Gammastråling -- ren energi fra kjernen

Den tredje typen radioaktiv stråling er fundamentalt annerledes enn de to første. Gammastråling er ikke partikler i det hele tatt -- det er høyenergetisk elektromagnetisk stråling, altså fotoner. Tenk på det som ekstremt kraftig lys, bare med en bølgelengde som er millioner av ganger kortere enn synlig lys.

Gammastråling sendes ut når en kjerne går fra en eksitert tilstand til en lavere energitilstand, litt som når et atom sender ut synlig lys, bare med enormt mye mer energi. Gammastråling har ingen masse og ingen ladning, og den beveger seg med lyshastigheten. Den har relativt lav ioniseringsevne per lengdeenhet, fordi den interagerer sjeldnere med materie enn alfa og beta. Men den har til gjengjeld svært lang rekkevidde og krever tykk bly eller betong for effektiv skjerming.

Det viktige å merke seg er at ved gammastråling endres verken atomnummer eller massetall. Kjernen mister bare energi, ikke partikler. Grunnstoffet forblir det samme. Gammastråling følger ofte etter alfa- eller betanedbryting, når den nye kjernen har overskuddsenergi som den kvitter seg med som gammafotoner. Et eksempel er kobolt-60, som sender ut en betapartikkel og blir til nikkel-60, etterfulgt av gammastråling: ⁶⁰₂₇Co → ⁶⁰₂₈Ni + e⁻ + γ.

Gammastråling kan trenge dypt inn i kroppen og gi stråledose til indre organer. Skjerming krever tunge materialer som bly eller tykk betong.

En god huskeregel for skjerming: Alfa stoppes av et Ark papir, Beta stoppes av en Boks av aluminium, og Gamma stoppes av en Grav av tykk bly eller betong.

Nedbrytningskjeder og kjernereaksjoner

Radioaktiv nedbryting er sjelden en enkel hendelse. Ofte er produktet av nedbrytingen selv ustabilt, og brytes ned videre. Slik dannes nedbrytningskjeder der ett grunnstoff omdannes til et annet, som igjen omdannes, helt til en stabil kjerne er nådd.

Uran-238 er et perfekt eksempel. Det starter med alfanedbryting og blir til thorium-234. Thorium-234 er ustabilt og sender ut en betapartikkel, og blir til protaktinium-234. Protaktinium-234 er heller ikke stabilt -- enda en betanedbryting gir oss uran-234. Og kjeden fortsetter videre gjennom 14 trinn, med vekselvis alfa- og betanedbryting, helt til vi ender opp med stabilt bly-206. Hele prosessen tar milliarder av år. Ett av mellomproduktene er radon-222, en radioaktiv gass som utgjør en reell helserisiko i norske boliger.

For å holde styr på hva som skjer i en kjernereaksjon, bruker vi balanseringsregler. Summen av atomnumre og summen av massetall må være like på begge sider av reaksjonspilen. Ta thorium-234 som eksempel: ²³⁴₉₀Th → ²³⁴₉₁Pa + ⁰₋₁e. Massetall: 234 = 234 + 0. Atomnummer: 90 = 91 + (-1). Begge stemmer.

Et annet spennende eksempel er americium-241, som finnes i røykvarsleren din. Den sender ut alfastråling: ²⁴¹₉₅Am → ²³⁷₉₃Np + ⁴₂He. Det er trygt fordi alfastrålingen stoppes av luften og metallkapselen, og mengden er minimal -- bare 0,3 mikrogram. Men når røykvarsleren kasseres, bør den leveres som spesialavfall.

Oppsummering

Fra Becquerels tilfeldige oppdagelse til røykvarsleren på veggen din -- radioaktivitet er en naturprosess der ustabile atomkjerner sender ut stråling for å bli mer stabile. Det hele handler om balanse inne i kjernen.

Nøkkelkunnskapen fra dette kapittelet:

- Radioaktivitet er spontan utsendelse av stråling fra ustabile atomkjerner, drevet av ubalanse mellom protoner og nøytroner eller for store kjerner
- Isotoper er varianter av samme grunnstoff med ulikt antall nøytroner -- noen er stabile, andre radioaktive (radioisotoper)
- Alfastråling (α) er heliumkjerner (2p + 2n) med kort rekkevidde og høy ioniseringsevne, stoppes av papir og hud, men svært farlig innvendig
- Betastråling (β) er elektroner fra nøytron-til-proton-omdanning, med middels rekkevidde, stoppes av aluminium
- Gammastråling (γ) er høyenergetiske fotoner uten masse eller ladning, med lang rekkevidde, krever bly eller betong for skjerming
- Kjernereaksjoner balanseres ved at summen av atomnumre og massetall er lik på begge sider
- Nedbrytningskjeder fører ustabile kjerner gjennom flere trinn til stabilitet, som uran-238 som ender som bly-206