Dette er venstre ramme i læreverket "Naturfag for alle". Dersom du har kommet hit fra en søkemotor bør du gå til forsiden slik at du kan gå inn i læreverket på riktig måte. Klikk her for å gå til forsiden. Legg merke til kapittelnummeret hvis du vil tilbake hit.

4B Isotoper og radioaktivitet

For å forstå innholdet i dette kapittelet må du lest kapittel 4A Hva består stoff av? der vi lærte følgende:

1 Isotoper

Atomer av samme grunnstoff kan ha forskjellig antall nøytroner i kjernen. Disse variantene kalles isotoper. Isotoper av samme grunnstoff har de samme kjemiske egenskaper, men vil ha ulik tyngde på grunn av forskjell i kjernens masse.

Figur 1. Atomkjerner til naturlige isotoper av hydrogen og helium Nytt vindu

Nøytronet er "limet" i atomkjernen

Det er den sterke kjernekraften som gjør at protoner og nøytroner "klikker sammen" til ulike atomkjerner. Det gjør de til tross for at protonene også merker en frastøtende, elektromagnetisk kraft. Alle protonene har jo positiv elektrisk ladning og like elektriske ladninger frastøter hverandre . Nøytronene derimot, er nøytrale, og merker ikke denne frastøtende elektromagnetiske kraften, kun den tiltrekkende sterke kjernekraften. Deres rolle i byggingen av atomkjerner blir å bidra til at den samlede tiltrekkende kraften i atomkjernen overvinner den frastøtende kraften. Protoner danner derfor ikke atomkjerner alene. Et unntak er hydrogenatomet, som består av bare ett proton.

2 Radioaktivitet

Nå kunne man tro at dess flere nøytroner som kom inn i en kjerne, dess bedre ville den holde seg sammen. Slik er det ikke. Årsaken er at den sterke kjernekraften har svært kort rekkevidde mens den elektromagnetiske har lang. I en kjerne med protoner og nøytroner vil protonene søke seg lengst mulig fra hverandre. Når avstanden mellom dem øker, kjenner de bare den tiltrekkende kraften fra de nærmeste nøytronene, mens de fortsatt er utsatt for den samme frastøtende kraften fra protoner på den andre siden av kjernen. Dette vil, avhengig av balansen mellom disse kreftene, kunne føre til at atomkjernen blir deformert og ustabil.

Det viser seg at atomkjerner med relativt få protoner er mest stabile med et tilsvarende antall nøytroner, mens større kjerner ofte trenger flere nøytroner enn protoner for å holde sammen.

Helium-4 (figur 1) har en svært stabil kjerne. Den utgjør derfor 99,999863 % av alt naturlig helium. La oss se hva som skjer med en heliumkjerne med tre nøytroner i stedet for to.

Figur 2. Helium-5 blir til Helium-4 Nytt vindu

Helium-5 er en ustabil isotop, og endres til Helium-4, en mer stabil form, ved å kvitte seg med et nøytron. Alle former for endring av atomkjerner til mer stabile former kalles radioaktiv nedbryting, eller bare radioaktivitet. Ustabile isotoper kalles radioaktive isotoper.

Figur 3. Periodisk tabell med oversikt over stabile og radioaktive isotoper for alle grunnstoff Nytt vindu

Figur 3 viser alle kjente stabile og radioaktive isotoper av alle grunnstoff. Legg merke til at noen grunnstoff har mange stabile isotoper, noen har bare en, og noen har ingen.

I figur 2 så vi hvordan He-5 kvittet seg med et nøytron og ble til den stabile isotopen He-4. Men det er sjelden at radioaktiv nedbryting foregår på denne måten. Vanligvis er nøytronene så fast bundet til kjernen at de vanskelig kan slippe fri. For atomkjerner finnes det imidlertid andre måter å oppnå bedre stabilitet på.

Figur 4. Helium-6 blir til Litium-6 Nytt vindu

I figur 4 ser vi at en nedkvark kan forandres til en oppkvark og et elektron. Dette omdanner et nøytron til et proton. Atomet får økt protontall i kjernen og går over til å bli et annet grunnstoff. Dette er vanlig når kjernen har for mange nøytroner.

Elektronet som nedkvarken skiller ut, flyr ut av atomet. Slike elektroner fra atomkjernen kalles beta-stråler. Dette skrives ofte med den greske bokstaven beta, slik: -stråling.

Men det helt omvendte kan også skje. Hvis kjernen har for nøytroner kan protoner omdannes til nøytroner. Også her er kvarkomvandling og et elektron inne i bildet. Men nå fanger kjernen inn et elektron i stedet for å sende det ut.

Figur 5. Beryllium-7 blir til Litium-7 Nytt vindu

Vi har ovenfor nevnt at helium-kjernen er spesielt stabil. Det er den mest stabile av alle kjerner. Disse fire partiklene henger så godt sammen at når radioaktive isotoper av tunge grunnstoff skal oppnå bedre stabilitet, sendes det ofte ut hele heliumkjerner. De kalles alfa-partikler, og strålingen av slike partikler kalles alfa-stråling eller -stråling.

Figur 6. Uran-232 blir til Thorium-228 Nytt vindu

Etter at -partikkelen har unnsluppet urankjernen i figur 6 ser vi hvordan den trekker seg litt sammen. Det er jo blitt færre kjernepartikler. Denne sammentrekningen frigjør energi som sendes ut i form av en meget kortbølget elektromagnetisk stråling som kalles gamma-stråling, eller -stråling. Det samme skjer også ved andre typer radioaktiv nedbryting, - også ved -stråling. Bølgelengden i strålingen som sendes ut er karakteristisk for den enkelte atomkjerne og for nedbrytingsformen, slik at man ved analyse av strålingen kan fastslå hvilken kjerne som brytes ned og hvordan.

3 Radioaktiv stråling

Vi har ovenfor sett hvordan radioaktiv nedbryting av ustabile atomkjerner fører til at det sendes ut tre typer stråler: -partikler (heliumkjerner), -partikler (elektroner fra kjernen) og -stråler (kortbølget elektromagnetisk stråling).

Alfastråling

-partikler er forholdsvis store, i tillegg har de dobbelt positiv ladning. Strålingen har meget stor energi (stor masse i stor fart), men kort rekkevidde. Den stoppes fullstendig i mindre enn 5 cm luft. Den stoppes også av hud.

Betastråling

-partikler har stor fart når de forlater den radioaktive kjernen, men siden de er så lette har de mye lavere energi enn -partiklene. De er negativt ladd. Rekkevidden er likevel omtrent den samme eller litt større. -stråling kan trenge en cm eller to inn i kroppen, men stoppes ofte av klær.

Gammastråling

-stråling er ikke partikler, men elektromagnetisk stråling. Strålingen har ingen elektrisk ladning og har stor gjennomtrengningsevne. Den går lett gjennom et menneske, mens et 1 cm tykt kobberlag stopper omtrent halvparten. Ofte brukes lag av bly eller tykke vegger av betong som beskyttelse mot strålingen.

Helsefare

Når alfa- og betapartikler kolliderer med kroppens atomer slår de vekk elektroner slik at atomene blir til ioner. Også gammastråling har denne virkningen. Dermed skades eller ødelegges de molekylene atomene er en del av.

Til alle tider har planter, dyr og mennesker vært utsatt for radioaktiv stråling. Vi lever i et miljø med kosmisk stråling fra verdensrommet og med naturlig radioaktivitet i jord, luft og mat. I våre dager bruker vi dessuten stråling til en rekke samfunnsnyttige formål innen medisin, forskning og industri. Det har ikke lykkes klart å fastslå helseskader knyttet til normale doser av denne strålingen.

Figur 7. Strålingskilder Nytt vindu

Men i store doser er radioaktiv stråling svært helsefarlig. Slik stråling brukes blant annet til å drepe kreftceller. Hvis hele kroppen blir utsatt for slike doser, vil det medføre døden i løpet av dager. Det er også klart at unormale stråledoser kan føre til kreft og skader på cellenes kromosomer.

Av radioaktiv stråling som vi utsettes for fra utsiden av kroppen er gammastråling den farligste. Det meste av alfa- og betastrålingen stoppes jo av luft og klær, mens gammastrålingen trenger inn i kroppen.

Anderledes blir det dersom vi får den radioaktive kilden inn i oss, gjennom mat, drikke eller luft. En naturlig kilde til -stråling er radon, som er en radioaktiv gass (figur 3, atomnummer 86). Radon dannes ved radioaktiv nedbryting av uran og thorium som forekommer i mineraler i berggrunnen. I hus som står på bergarter som frigir radon kan denne gassen sige inn i kjellerrom. Hud og klær gir oss ikke beskyttelse mot denne -strålingen, fordi radon er en gass som vi puster inn sammen med luft. Derfor er radon spesielt farlig for oss. En tilleggsfare er at også nedbrytningsproduktene til radon er radioaktive (figur 9 i neste avsnitt). Norge er et av de landene i verden som har de høyeste radonkonsentrasjonene i inneluften.

Figur 8. Radonmålinger i norske boliger Nytt vindu

Link: Statens strålevern om radon

Halveringstid

Når en ustabil, dvs. radioaktiv, isotop nedbrytes, skjer det med en hastighet som avhenger av hvor ustabil kjernen er. Halveringstiden er et mål for denne hastigheten. Halveringstiden er den tiden det tar for at halvparten av stoffet skal gå over til nedbrytingsproduktet.

Figur 9. Nedbryting av radon 222 Nytt vindu

I figur 9 ser vi at radon-222 nedbrytes til polonium-218 som igjen nedbrytes til bly-214, i begge tilfeller ved utsendelse av -stråling. Vi ser videre at hastigheten dette skjer med er ulik. Det vil ta 3,8 dager før halvparten av radon 222 er nedbrutt, mens det tar bare 3,1 minutter før halvparten av polonium-218 er blitt til bly-214. Denne blyisotopen er også ustabil, slik at nedbrytingen fortsetter med utsending av -partikler og -partikler i veksel til det hele ender opp med bly-206 (figur 3, atomnummer 82).

Uansett hvor mye eller lite av stoffet som forekommer, vil halveringstiden være den samme. I figur 10 ser vi hvordan det vil gå med 16 trillioner atomer av polonium-210 (figur 3, atomnummer 84) som nedbrytes gjennom -stråling til bly-206 (siste ledd i nedbrytingen av radon 222).

Figur 10. Halveringstid Nytt vindu

I et hvert radioaktivt materiale vil altså strålingen avta med tiden.

4 Måling av radioaktivitet

Den radioaktive strålingen er usynlig. Siden slik stråling kan være farlig for oss, er det viktig å ha gode måleapparater.

Geiger-Müllerteller

Radioaktiv stråling er ioniserende. Når strålingen treffer andre atomer er det med slik kraft at elektroner blir slått vekk. Atomene blir ionisert. En Geiger-Müllerteller (ofte bare kalt geigerteller) utnytter denne effekten for å måle aktiviteten i en radioaktiv kilde.

Figur 11. Virkemåten til en geigerteller Nytt vindu

Geigertelleren er et enkelt og hendig instrument. Den er godt egnet som varslingsutstyr, siden den straks sier fra om det finnes stråling. Den brukes for å lokalisere radioaktiv forurensning i forbindelse med ulykker, eller til å oppspore radioaktivitet i et område. Men geigertelleren kan ikke skille mellom -, - og -stråling og den kan ikke måle energien i strålingen. Til det trengs det mer komplisert utstyr.

Figur 12. Moderne geigerteller Nytt vindu

Film

Det aller enkleste måleustyret for radioaktiv stråling er fotografisk film. Radioaktiv stråling sverter filmen på samme måte som synlig lys. Personer som arbeider i miljøer der de kan bli utsatt for slik stråling, bærer på seg et såkalt "filmdosemeter". Det er en lystett plastkapsel med små filmbiter som i ulik grad er tildekket mot den radioaktive strålingen. Når filmene fremkalles etter en tid, kan man se hvor stor strålemengde (stråledose) de har mottatt. Siden filmbitene har ulik grad av tildekning kan man også si noe om typen stråling.

Figur 13. Filmdosemeter Nytt vindu

En forenklet versjon av filmdosemeteret brukes til måling av radongass i boliger.

Figur 14. Filmdosemeter for måling av radon-222 i bolighus Nytt vindu

5 Måleenheter for radioaktivitet

Enhet for aktivitet

Når et atom nedbrytes, sender det ut stråling. Hvis nedbrytningstakten i stoffet er høy, altså kort halveringstid, sier vi at aktiviteten er høy. Høy aktivitet vil si mange nedbrytninger per sekund. Måleenheten for aktivitet er oppkalt etter den franske fysikeren Henri Becquerel (forkortes Bq) og er definert slik:

1 Bq = 1 nedbrytning pr. sekund

Bq er en liten enhet, og ofte kan vi se den i form av MBq (megaBq, dvs. 106 Bq) eller TBq (teraBq, dvs. 1012 Bq).

Enhet for dose

Med stråledose mener vi den energimengde som blir avsatt i det stoff som bestråles. Dosen måles i enheten gray, oppkalt etter den engelske fysikeren og medisineren Luis Harold Gray og forkortet Gy. Definisjonen av doseenheten er:

1 Gy = 1 joule absorbert energi per kg

Biologisk doseekvivalent

Når mennesker, dyr og andre levende organismer blir bestrålt, er det ikke bare den faktiske dosen, målt i Gy, som teller. Strålenes virkning på organismen avhenger både av stråletypen (-, - og -stråling), av stråletettheten (hvor stort område strålingen har truffet), av celletypen og andre biologiske faktorer. Når den biologiske virkningen av radioaktiv stråling skal vurderes, brukes enheten sievert, oppkalt etter den svenske fysikeren Rolf Sievert og forkortet Sv. Enheten Sv er et grovt mål på hvor skadelig en gitt dose ioniserende stråling vil være for en levende organisme.

6 Sammendrag

7 Kontrollspørsmål

Svartabell. Klikk på riktige svar. Grønt betyr riktig, rødt betyr feil Nytt vindu

  1. Isotoper er atomer som har ...
  2. Nøytoner er "limet" i atomkjernen fordi ...
  3. Radioaktivitet er ...
  4. Radioaktiv stråling er ...
  5. Hvilken radioaktiv stråling er mest helsefarlig når kilden er utenfor kroppen?
  6. Hva er halveringstid?
  7. Hva betyr det at strålingen er "ioniserende"?
  8. Hva brukes et filmdosemeter til?
  9. Hvilken måleenhet brukes for å måle aktiviteten til et radioaktivt stoff?