Radioaktivitet

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi

Radioaktivitet er omdannelse af ustabile atomkerner under udsendelse af ioniserende stråling i form af partikler og/eller elektromagnetisk stråling. Radioaktivitet danner bl.a. grundlag for kernekraft og kernevåben.

Indholdsfortegnelse

1 Fysisk beskrivelse
2 Matematisk beskrivelse
3 Henfaldstyper
4 Historisk udvikling
5 Se også

[redigér] Fysisk beskrivelse

Radioaktive kerner er ustabile. Ustabiliteten kan groft sagt skyldes tre ting:

Et overskud af kernepartikler (nukleoner)
En ubalance mellem antallet af protoner og neutroner
Et overskud af energi

Store kerner, dvs. samtlige kerner med flere end 83 protoner, er altid ustabile. Kerner med mellem 1 og 83 protoner findes i stabile isotoper. Stabiliteten sikres af en passende balance mellem neutroner og protoner. En given kerne kan herudover befinde sig i forskellige bevægelsestilstande. I grundtilstanden er nukleonerne 'pakket' bedst muligt. I anslåede tilstande har kernen et højere impulsmoment, hvilket svarer til en højere energi.

Ved det radioaktive henfald afvikler en kerne sit nukleon-, neutron-, proton- eller energioverskud. Jo større overskudet er, jo mere ustabil er kernen alt andet lige. Afviklingen sker under udsendelse af partikler eller elektromagnetisk stråling. Ved alfa- og betahenfald (se nedenstående) er det radioaktive henfald ledsaget af en grundstofomdannelse.

[redigér] Matematisk beskrivelse

Det radioaktive henfald er en stokastisk proces. Betragter man en tilfældig ustabil kerne på et tilfældigt tidspunkt kan man alene udtale sig om sandsynligheden for at den henfalder i løbet af et givet tidsrum. Henfaldssandsynligheden per tidsenhed betegnes henfaldskonstanten (k), og denne afhænger altså alene af hvilken kerne der er tale om. Datterkernen kan i lighed med moderkernen være ustabil, dog med en anden henfaldskonstant.

Betragter man et stort antal kerner, kan antallet af tilbageværende kerner (N) beskrives ved en ekspontiel udvikling: $N(t) = N_0 \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T_{1/2}}$ , hvor N₀ er antallet af kerner til at begynde med, t er tiden, og $T 1 / 2$ er halveringstiden, dvs. den tid der går før at halvdelen af kernerne er henfaldet. Sammenhængen mellem henfaldskonstant og halveringstid er givet ved $T_{1/2} = \frac{\ln(2)}{k}$ .

Halveringstiden afhænger ligesom henfaldskonstanten af hvilken isotop kernerne tilhører. Den spænder fra mindre end 10^-9 sekunder for ekstremt ustabile kerner til mere end 10⁹ år for næsten stabile kerner.

Aktiviteten er per definition antal henfald kerner per tid. Det følger heraf at $A = k N$ , og at A afhænger på samme måde af tiden som N: $A(t) = A_0 \left(\frac{1}{2}\right)^{t/T_{1/2}}$ . Enheden for aktivitet er becquerel (Bq).

[redigér] Henfaldstyper

[redigér] Spontan fission

Meget store kerner, dvs. kerner med 92 protoner eller flere, er så ustabile at de med en rimelig sandsynlighed spontant falder fra hinanden. Resultatet er to datterkerner der hver har cirka halvt så mange nukleoner som moderkernen, og et par neutroner.

[redigér] Alfa-henfald

Store kerner afvikler almindeligvis deres nukleonoverskud ved et alfa-henfald. En alfapartikel er en helium-kerne der slynges ud af moderkernen med stor energi (op til 6 MeV). Herved mister moderkernen to protoner og to neutroner. Et eksempel er

${}^2{}^{38}_{92}\hbox{U}\;\to\;{}^2{}^{34}_{90}\hbox{Th}\;+\;{}^4_2\hbox{He}$

[redigér] Beta-henfald og K-indfangning

Kerner med neutron/proton-ubalance afvikler deres overskud af protoner eller neutroner ved et beta-henfald eller ved K-indfangning. I forlængelse af et alfa-henfald har en kerne almindeligvis for mange neutroner. Neutronoverskudet afvikles ved et beta-henfald. En betapartikel er en elektron som der slynges ud af moderkernen med stor energi (op til 3 MeV). Elektronen er dannet ved henfaldet af en neutron:

${}^1_0\hbox{n}\;\to\;{}^1_1\hbox{p}\;+\;_{-}{}^0_{1}\hbox{e}\;+\;\bar{\nu}_e$

Neutronen omdannes altså til en proton og en elektron (og en antineutrino). Et eksempel er

${}^{14}_{\ 6}\mathrm{C} \rightarrow {}^{14}_{\ 7}\mathrm{N} + {}^{\ 0}_{-1}\mathrm{e} + \bar{\nu}_\mathrm{e}$

Inde i kerner med for mange protoner forløber den omvendte proces

${}^1_1\hbox{p}\;\to\;{}^1_0\hbox{n}\;+\;_{+}{}^0_{1}\hbox{e}\;+\;\nu_e$

En proton omdannes altså til en neutron og en positron (og en neutrino). Et eksempel er

${}^{22}_{11}\mathrm{Na} \rightarrow {}^{22}_{10}\mathrm{Ne} + {}^{\ 0}_{+1}\mathrm{e} + \nu_\mathrm{e}$

Efter fortegnet på ladningen af de udslyngede beta-partikler, benævnes den ene type henfald $β -$ ("beta-minus"), og den anden type $β +$ ("beta-plus"). En variant af sidstnævnte bærer navnet K-indfangning. Herved forstås at en elektron fra atomets inderste skal forener sig med en proton i kernen og danner en neutron (og en neutrino):

${}^1_1\hbox{p}\;+\;_{-}{}^0_{1}\hbox{e}\to\;{}^1_0\hbox{n}\;+\;\nu_e$

[redigér] Gamma-henfald

Exciterede (anslåede) kerner afvikler deres energioverskud ved et gamma-henfald. I forlængelse af et alfa- eller beta-henfald er nukleonerne typisk ikke pakket tættest muligt, og kernen kan overgå fra en tilstand med højere impulsmoment til en en tilstand med lavere impulsmoment under udsendelse af elektromagnetisk stråling med en bølgelængde som er kortere end for røntgenstråling. Strålingsudsendelsen er kvantiseret, dvs. energien udsendes i form af en energirig (op til 3 MeV) foton. Et eksempel er

${}^{137}\mathrm{Ba}^{*} \rightarrow {}^{137}\mathrm{Ba} + \varepsilon$

[redigér] Historisk udvikling

Henri Bécquerel regnes for radioaktivitetens opdager. Han observerede i 1896 at uranholdige mineraler udsender gennemtrængende stråling. Det blev hurtigt klart at thorium-holdige mineraler havde samme egenskab.

I 1898 lykkes det Marie Curie og Pierre Curie at isolere to radioaktive stoffer, som de kaldte polonium hhv. radium. Sidstenævnte har på den ene side en halveringstid der er så lang at man kan opbevare og undersøge stoffet, på den anden side en henfaldskonstant som er så stor at aktiviteten er enorm i forhold til aktiviteten fra et tilsvarende kvantum uran.

I 1911 påviste Ernest Rutherford atomkernens eksistens ved at beskyde et guldfolie med $α$ -partikler. En forsvindende lille, men dog signifikant del af $α$ -partiklerne blev spredt i vinkler tæt på 180 grader, hvilket bedst kan forklares ved at antage at hovedparten af atomets masse er koncentreret i et område af meget lille udstrækning – kernen – hvor også den positive ladning befinder sig. Herefter lå vejen åben for tolkningen af det radioaktive henfald som en kerneomdannelse.