3.4 Radioaktivitet
BBC Atom 2. 1.11: 48:26
L10
Vissa grundämnens atomkärnor är instabila ­ de kan sönderfalla av sig själva. Då en atomkärna sönderfaller bildas en mindre atomkärna, och energi skickas ut från kärnan i form av partiklar eller i form av elektromagnetisk strålning.
Denna process kallas radioaktivitet, och sådana här instabila grundämnen kallas radioaktiva. Ett visst grundämnes radioaktivitet kan inte påverkas, utan beror på vilken typ av strålning som utskickas och hur snabbt kärnorna sönderfaller.
3.4.1 Alfastrålning
Alfapartiklar som skickas ut består av två protoner och två neutroner ­ det är en heliumkärna utan elektroner. Det är en relativt tung partikel och bromsas in till ofarliga hastigheter av en halvmeter luft, eller av ett pappersark. Ämnet som emitterar alfapartiklar kallas α­aktivt.
α­strålning.
3.4.2 Betastrålning
En kärna kan skicka ut negativt laddade β­ ­
partiklar (=elektroner) eller positivt laddade β+­ partiklar (=positroner). De är mycket mindre än alfapartiklarna, så de bromsas inte upp lika lätt, men en några millimeter tjock plastskiva stoppar dem.
3.4.3 Neutronstrålning
Neutronstrålning kan uppstå då tunga nuklider klyvs till medeltunga nuklider. Samtidigt kan även partikel­ och gammastrålning frigöras.
β­strålning.
3.4.4 Gammastrålning
En kärna som har ecxiterats kan göra sig av med den extra energin genom att sända ut gammastrålning. Gammastrålningen är inte alls någon partikel, utan är elektromagnetisk strålning. Gammastrålningen innehåller mycket energi, och den har stor genomträngningsförmåga.
γ­strålning.
Reaktionsenergi
Då kärnan sönderfaller, ökar bindningenergin per nukleon. Det innebär att energi frigörs. Energimängden är lika stor som den massdefekt som uppstår. Energin omvandlas till rörelseenergi hos de frigjorda partiklarna. Dessa rör sig med stor hastighet då de frigörs, och har tillräckligt med energi för att frigöra elektroner från de atomer de träffar. Radioaktiv strålning är alltså joniserande strålning.
http://www.bnfleducation.com/sellafield/img/types_of_radiation.gif
1
3.4.5 Strålningens skadeverkningar
Radioaktiv strålning kan vara joniserande eller icke­joniserande.
Joniserande är strålningen då den har så mycket energi att den kan slå loss elektroner från atomer som träffas av strålningen. Alfapartiklar, betapartiklar och gammastrålning är alla joniserande. Kroppens celler kan ta skada av att träffas av joniserande strålning. Hur stor skada kroppen tar beror på hur mycket strålning som träffar (strålningdos), vilken typ av strålning det är fråga om, hur snabbt strålningen träffar (doshastighet) och var i kroppen strålningen träffar. Exempelvis är alfastrålning helt ofarlig om det radioaktiva ämnet är utanför kroppen, eftersom alfapartiklarna bromsas in av huden, men om ämnet kommer in i kroppen (t.ex. via maten) kan det träffa viktiga organ.
Ickejoniserande strålning kan inte slå loss elektroner, men kan ändå vara skadlig för kroppen. Laserljus, mikrovågor och till och med vanligt ljus är former av ickejoniserande strålning, men de kan skada kroppen, om intensiteten är för hög.
I naturen förekommer många olika radioaktiva ämnen som vi får i oss via luft och livsmedel. De flesta är dock i så små mängder att de inte har någon betydelse.
3.4.6 Mätning av strålning
Man kan mäta strålningsmängden och strålningstypen med olika instrument. Vissa instrument, exempelvis geigermätare, kan endast mäta mängden strålning. Strålningsenheter
Ett radioaktivt ämnes aktivitet anger hur många sönderfall som sker per sekund. Enheten för aktivitet är Bq (Becquerel). För material som innehåller radioaktiva ämnen anges ofta aktiviteten per volymenhet, dvs aktiviteten för en viss volym av materialet. Vatten i sjöar har exempelvis aktiviteten 1 Bq/l, så för en liter är aktiviteten 1 Bq, för tio liter 10 Bq osv.
Då man anger radioaktivitetens biologiska inverkan används storheten strålningsdos, som har enheten Sv (sievert). Då man vill ange hur snabbt strålningen inverkar, använder man storheten doshastighet. Den anger hur stor strålningsdos kroppen träffas av på en viss tid. Oftast används enheten milli­ eller mikrosievert per timme (mSv/h eller μSv/h). Doshastigheten övervakas av mätstationer, så att man genast få reda på om den av någon anledning skulle öka. På adressen www.stuk.fi kan man få veta www.stuk.fi
doshastigheten på sin hemort.
2
3.5 Alfasönderfall
Vid alfasönderfall utsänds en heliumkärna ur atomkärnan. Ämnet har omvandlats till ett annat grundämne. Det är fråga om en kärnreaktion där modernukliden förlorar två protoner och två neutroner. Vi kan ge reaktionslikheten för sönderfallet:
α­strålning.
I kärnreaktionen bevaras masstalet, laddningen, energin, rörelsemängden och rotationsmängden.
Reaktionsenergi Q
Vid alfasönderfall frigörs energi på grund av massdefekten, skillnaden mellan moderkärnans massa och massan av sönderfallsprodukterna. Vi kan ge uttrycket för reaktionsenergin:
Reaktionsenergin manifesteras som rörelseenergi hos alfapartiklarna och dotternukliden. Alfapartiklarnas energi är oftast i området 2­10 MeV. Joniseringsenergin hos vanliga atomer och molekyler är ca 10 eV, så en alfapartikel kan jonisera många atomer innan den bromsas upp till ofarliga hastigheter. Räckvidden anger hur långt alfapartikeln färdas. En alfapartikel med energin 5 MeV har i luft en räckvidd på ca 3,5 cm.
Kvantiserad energi, kärnans energinivåer
Det visar sig i mätningar att alfapartikelns energi endast kan få vissa specifika värden ­ energin är kvantiserad, på samma sätt som energin vid elektronövergångar i atomen är kvantiserad. Atomens kärna har alltså också energinivåer! En moderkärna i ett visst energitillstånd kan skicka ut en alfapartikel, och dotterkärnan "faller" då ner till ett lägre energitillstånd. Dotterkärnan kan dock vara exciterad efter denna process, och den sänder då ut gammastrålning för att att komma ner till den lägsta energinivån. Se även bilden sidan 119.
Alfapartiklarnas energifördelning för Thorium­227.
Läs sid 114­122.
uppgifter 4­9, 4­10, 4­12, 4­14 (se ex. 2!)
http://www.whfreeman.com/modphysics/pdf/11­3c.pdf
3
