6.5 Radioaktivitet og kjernereaksjonar

Radioaktivitet og kjernereaksjonar

Nokre atomkjernar er ustabile. Før eller seinare blir dei omdanna til ein annan kjerne og sender samtidig ut stråling. Dette kallar vi radioaktivitet. I dette kapittelet ser vi på kva typar stråling kjernane sender ut, korleis vi skriv reaksjonslikningar for kjernar, og korleis talet på ustabile kjernar minkar med tida.

Atomkjernen

Ein atomkjerne består av proton og nøytron, med fellesnamnet nukleon. Vi skriv kjernen som

$${}^{A}_{Z}X$$

- $X$ er symbolet for grunnstoffet
- $Z$ er protontalet (atomnummeret)
- $A$ er nukleontalet (massetalet), altså proton og nøytron til saman
- nøytrontalet er $N = A - Z$

Protontalet avgjer kva grunnstoff det er. Kjernar med same protontal, men ulikt nøytrontal, er isotopar av same grunnstoff. Karbon-12, ${}^{12}_{6}\mathrm{C}$, og karbon-14, ${}^{14}_{6}\mathrm{C}$, har begge 6 proton, men 6 og 8 nøytron.

Stabile og ustabile kjernar

Protona fråstøyter kvarandre elektrisk. Den sterke kjernekrafta verkar mellom alle nukleon og held kjernen saman, men berre over avstandar på storleik med ein kjerne. Om ein kjerne er stabil, kjem an på kor mange proton og nøytron han har. Kjernar med for mange nøytron eller for mange proton, og alle kjernar med fleire nukleon enn bly-208, er ustabile. Dei er radioaktive.

Tre typar stråling

Alfastråling ($\alpha$)

Ein alfapartikkel er ein heliumkjerne, ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$: to proton og to nøytron. Når ein kjerne sender ut ein alfapartikkel, blir nukleontalet 4 mindre og protontalet 2 mindre. Alfahenfall er vanleg for store kjernar, som uran, radium og radon.

Betastråling ($\beta$)

Ved $\beta^-$-henfall blir eit nøytron i kjernen til eit proton. Kjernen sender ut eit elektron, ${}^{0}_{-1}\mathrm{e}$, og eit antinøytrino, $\bar{\nu}$. Nukleontalet er det same, og protontalet blir 1 større.

Ved $\beta^+$-henfall blir eit proton i kjernen til eit nøytron. Kjernen sender ut eit positron, ${}^{0}_{1}\mathrm{e}$, som er eit elektron med positiv ladning, og eit nøytrino, $\nu$. Protontalet blir 1 mindre. Det første steget i fusjonen i sola (kapittel 6.6) gjev òg eit positron.

Gammastråling ($\gamma$)

Etter eit alfa- eller betahenfall har den nye kjernen ofte meir energi enn i grunntilstanden. Han går ned til ein lågare energitilstand og sender ut energiskilnaden som eit gammafoton, på same måte som eit atom sender ut lys når eit elektron går ned eit energinivå (kapittel 6.4). Gammastråling endrar verken nukleontalet eller protontalet.

Ioniserande stråling

Alle dei tre strålingstypane er ioniserande: dei har nok energi til å rive laus elektron frå atom og molekyl dei treffer. Difor kan dei skade levande celler. Dei går likevel ulikt langt gjennom stoff:

Reaksjonslikningar for kjernar

I alle kjernereaksjonar er to storleikar bevarte:

- Nukleontalet: summen av tala oppe er den same før og etter reaksjonen.
- Ladninga: summen av tala nede er den same før og etter reaksjonen.

For eit alfahenfall gjev det at den nye kjernen $Y$ har nukleontal $A - 4$ og protontal $Z - 2$:

$${}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A-4}_{Z-2}Y + {}^{4}_{2}\mathrm{He}$$

Kva grunnstoff $Y$ er, finn vi i det periodiske systemet ut frå protontalet. Vis sjølv på same måten at eit $\beta^-$-henfall gjev

$${}^{A}_{Z}X \rightarrow {}^{A}_{Z+1}Y + {}^{0}_{-1}\mathrm{e} + \bar{\nu}$$

Ved gammastråling er kjernen den same før og etter. Vi markerer den eksiterte kjernen med ei stjerne:

$${}^{A}_{Z}X^{*} \rightarrow {}^{A}_{Z}X + \gamma$$

Kjernereaksjonar med beskyting

Kjernar kan òg bli omdanna når dei blir treffte av andre partiklar. I 1919 skaut Rutherford alfapartiklar mot nitrogen og fekk oksygen og eit proton. Det var den første kjernereaksjonen laga av menneske. Fisjon og fusjon i kapittel 6.6 er kjernereaksjonar av same slaget, og dei same bevaringslovene gjeld der.

Halveringstid

Vi kan ikkje seie når ein bestemd kjerne blir omdanna. Men i ei prøve med svært mange kjernar av same slaget blir ein fast del av kjernane omdanna per tidseining. Tida det tek før halvparten av kjernane er omdanna, kallar vi halveringstida $T_{1/2}$.

For kvar halveringstid blir talet på kjernar gonga med $\tfrac{1}{2}$:

$$N_0 \;\rightarrow\; N_0 \cdot \tfrac{1}{2} \;\rightarrow\; N_0 \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^2 \;\rightarrow\; N_0 \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^3 \;\rightarrow\; \dots$$

Etter $n$ heile halveringstider er talet på kjernar som er att

$$N = N_0 \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^n$$

der $N_0$ er talet i starten.

Aktivitet

Aktiviteten til ei prøve er talet på henfall per sekund. Han blir målt i becquerel (Bq), der $1\ \mathrm{Bq}$ er eitt henfall per sekund. Aktiviteten er proporsjonal med talet på ustabile kjernar som er att, så han blir òg halvert for kvar halveringstid.

Måling med GM-teljar

Oppsummering

- Ein kjerne blir skriven ${}^{A}_{Z}X$ med nukleontal $A$, protontal $Z$ og nøytrontal $N = A - Z$. Isotopar har same $Z$ og ulik $N$.
- Alfastråling: kjernen sender ut ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$, og $A$ blir 4 mindre og $Z$ 2 mindre.
- $\beta^-$-stråling: eit nøytron blir til eit proton, kjernen sender ut eit elektron og eit antinøytrino, og $Z$ blir 1 større.
- Gammastråling: ein eksitert kjerne sender ut eit foton, og $A$ og $Z$ er uendra.
- I kjernereaksjonar er nukleontalet og ladninga bevarte.
- Etter $n$ heile halveringstider er $N = N_0 \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^n$ kjernar att. Aktiviteten (henfall per sekund, Bq) blir halvert i same takt.
- Ved målingar med GM-teljar blir bakgrunnsstrålinga trekt frå. Teljingane svingar fordi henfalla er tilfeldige.