Radioaktivt sönderfall: definition, orsaker och historik
Lär dig vad radioaktivt sönderfall är, dess orsaker och historik – från Becquerel till Curie och Nobelpris. Enkel förklaring av processer, exempel och betydelse.
Radioaktivt sönderfall är en process där vissa atomkärnor i vissa kemiska grundämnen spontant förändras och omvandlas till andra kärnor genom utsändning av energi och partiklar. De flesta kemiska grundämnen är stabila, men i instabila kärnor kan omvandling ske. Kemiska grundämnen består av atomer, och i vanliga kemiska reaktioner förändras endast elektronernas bindningar; kärnans sammansättning förblir i regel oförändrad. Vid radioaktivt sönderfall sker däremot förändringar i atomkärnan.
Vad orsakar radioaktivt sönderfall?
Sönderfall beror på att atomkärnan är instabil. Orsaker till instabilitet kan vara:
- obalans i förhållandet mellan neutroner och protoner (för många eller för få neutroner för att kärnan ska vara stabil),
- överskott av energi i kärnan (exiterade tillstånd),
- mycket tungt kärninnehåll (stora atomnummer där kärnkraften räcker dåligt till för att hålla ihop kärnan).
Vanliga typer av sönderfall
- Alfasönderfall: kärnan skickar ut en alfapartikel (två protoner och två neutroner, samma som en heliumkärna). Alfapartiklar har hög laddning och kort räckvidd — de stoppas av papper eller hud.
- Betasönderfall: finns i två huvudformer:
- Beta-minus (β−): en neutron omvandlas till en proton och en elektron (beta-partikel) + antineutrino.
- Beta-plus (β+ eller positronemission): en proton omvandlas till en neutron och en positron + neutrino.
- Elektroninfångning: kärnan fångar in en omliggande elektron, vilket gör att en proton omvandlas till en neutron.
- Gammastrålning: elektromagnetisk strålning som ofta följer andra sönderfall när dotterkärnan övergår från ett exiterat till ett lägre energitillstånd. Gamma strålning är genomträngande och kräver tungt material som bly eller tjock betong för avskärmning.
- Spontan fission: mycket tunga kärnor kan dela sig i två (eller fler) mindre kärnor plus neutroner och energi.
Halveringstid och sönderfallslagen
Sönderfall är statistiskt; varje kärna har en viss sannolikhet att sönderfalla per tidsenhet. Tiden det tar för hälften av en given mängd radioaktiva kärnor att sönderfalla kallas halveringstid (t1/2). Halveringstider varierar mycket: från bråkdelar av en sekund till miljarder år. Exempel:
- Uran-238: ungefär 4,5 miljarder år.
- Kol-14: cirka 5 730 år (används för kol-14-datering).
- Jod-131: ungefär 8 dygn (viktigt inom medicinsk diagnostik och behandling).
- Cesium-137: cirka 30 år (vanlig produkt från kärnreaktorer och olyckor).
Historia
Upptäckten av naturlig radioaktivitet började i slutet av 1800‑talet. Henri Becquerel fann 1896 att uransalter avger osynlig strålning som mörkar fotografisk plåt. År 1898 kallade Marie och Pierre Curie detta fenomen för radioaktivitet och isolerade nya radioaktiva ämnen som polonium och radium. För dessa och relaterade arbeten tilldelades Becquerel och Curie paret Nobelpriset i fysik 1903. Senare utvecklade forskare som Ernest Rutherford och Frederick Soddy teorier som förklarade sönderfallsprocessen, identifierade olika typer av strålning och bidrog till förståelsen av atomkärnans struktur.
Tillämpningar
- Medicin: diagnostik (t.ex. PET, gammascanning) och behandling (strålterapi mot cancer).
- Åldringsbestämning: kol-14-datering inom arkeologi och geologi.
- Industri: materialprovning med röntgen/gammakällor, mätning av tjocklek och densitet.
- Kraftproduktion: kärnreaktorer och kärnbränslecykler.
Risker och skydd
Radioaktiv strålning kan skada levande vävnad genom jonisation. Riskerna beror på typ av strålning, energi, dos och om strålkällan är utanför kroppen (irradiation) eller har tagits in i kroppen (kontamination). Grundprinciper för skydd är:
- tid (minimera exponeringstiden),
- avstånd (ökad distans minskar dosen),
- skärmning (använd rätt material: papper/plast för alfa, plexiglas/tenn för beta, bly/betong för gamma).
Mätning och enheter
Radioaktivitet mäts som antal sönderfall per tidsenhet. SI-enheten är becquerel (Bq), vilket motsvarar ett sönderfall per sekund. En äldre enhet är curie (Ci). För mätning används instrument som Geiger‑Müller-räknare, scintillationsdetektorer och halvledardetektorer.
Sammanfattningsvis är radioaktivt sönderfall en kärnfysikalisk process som leder till att instabila atomkärnor omvandlas till mer stabila former genom utsändning av partiklar och strålning. Fenomenet har viktiga vetenskapliga, tekniska och medicinska tillämpningar, men kräver noggranna säkerhetsåtgärder.
Trefoilsymbolen används för att ange radioaktivt material.
Exempel
De flesta kolatomer har sex protoner och sex neutroner i kärnan. Detta kol kallas kol-12s (sex protoner + sex neutroner = 12). Dess atomvikt är 12. Om en kolatom har två neutroner till är den kol-14. Kol-14 fungerar kemiskt som annat kol, eftersom det är de sex protonerna och sex elektronerna som styr dess kemiska egenskaper. Faktum är att kol-14 finns i alla levande varelser; alla växter och djur innehåller kol-14. Kol-14 är dock radioaktivt. Det sönderfaller genom betasönderfall och blir till kväve-14. Kol-14, i de små mängder som finns omkring oss i naturen, är ofarligt. Inom arkeologin används denna typ av kol för att bestämma åldern på trä och andra tidigare levande ting. Metoden kallas för radiokoldatering.
Olika typer av sönderfall
Ernest Rutherford upptäckte att dessa partiklar kan tränga in i materia på olika sätt. Han fann två olika typer, som han kallade alfa- och betasönderfall. Paul Villard upptäckte ett tredje slag år 1900. Rutherford kallade den för gammaförfall 1903.
Övergången från radioaktivt kol-14 till stabilt kväve-14 är ett radioaktivt sönderfall. Det sker när atomen avger en alfapartikel. En alfapartikel är en energipuls när en elektron eller positron lämnar kärnan.
Andra typer av förfall upptäcktes senare. De olika typerna av sönderfall skiljer sig från varandra eftersom olika typer av sönderfall ger upphov till olika typer av partiklar. Den radioaktiva kärnan som startar kallas moderkärna och kärnan som den förändras till kallas dotterkärna. De högenergipartiklar som produceras av radioaktiva ämnen kallas strålning.
Dessa olika typer av nedbrytning kan ske efter varandra i en "nedbrytningskedja". En typ av kärna sönderfaller till en annan typ, som återigen sönderfaller till en annan och så vidare tills den blir en stabil isotop och kedjan tar slut.
Hastighet för nedbrytning
Hastigheten med vilken denna förändring sker är olika för varje element. Radioaktivt sönderfall styrs av slumpen: Den tid det i genomsnitt tar för hälften av atomerna i ett ämne att förändras kallas halveringstid. Hastigheten ges av en exponentiell funktion. Som exempel kan nämnas att jod (131 I) har en halveringstid på cirka 8 dagar. För plutonium varierar halveringstiden mellan 4 timmar (243 Pu) och 80 miljoner år (244 Pu).
Kärnomvandlingar och energi
Radioaktivt sönderfall förändrar en atom från en atom med högre energi i kärnan till en atom med lägre energi. Energiförändringen i kärnan ges till de partiklar som skapas. Den energi som frigörs vid radioaktivt sönderfall kan antingen föras bort av en gammastråle elektromagnetisk strålning (en typ av ljus), en betapartikel eller en alfapartikel. I alla dessa fall förs kärnans energiändring bort. Och i alla dessa fall summerar det totala antalet positiva och negativa laddningar hos atomens protoner och elektroner till noll före och efter förändringen.
Alfaförfall
Vid alfasönderfall släpper atomkärnan ut en alfapartikel. Alfasönderfallet gör att atomkärnan förlorar två protoner och två neutroner. Alfasönderfallet gör att atomen förändras till ett annat grundämne, eftersom atomen förlorar två protoner (och två elektroner). Om till exempel Americium skulle genomgå alfaförfall skulle det förändras till Neptunium eftersom Neptunium definieras genom att ha två protoner färre än Americium. Alfaförfall sker vanligen i de tyngsta grundämnena, t.ex. uran, torium, plutonium och radium.
Alfapartiklar kan inte ens passera genom några centimeter luft. Alfastrålning kan inte skada människor när alfastrålningskällan befinner sig utanför människokroppen, eftersom människans hud inte släpper igenom alfapartiklarna. Alfastrålning kan vara mycket skadlig om källan finns inuti kroppen, till exempel när människor andas in damm eller gas som innehåller material som sönderfaller genom att avge alfapartiklar (strålning).
Betasönderfall
Det finns två typer av betadegradering, beta-plus och beta-minus.
Vid beta-minus-sönderfallet avger kärnan en negativt laddad elektron och en neutron omvandlas till en proton:
n 0 → p + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}} 
.
där
n 0 {\displaystyle n^{0}}}
är neutronen.
p + {\displaystyle \ p^{+}}
är proton.
e - {\displaystyle e^{-}}
är elektronen.
ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}}
är anti-neutrino.
Beta-minus sönderfall sker i kärnreaktorer.
Vid beta-plus-sönderfall släpper kärnan ut en positron, som är som en elektron men positivt laddad, och en proton förvandlas till en neutron:
p + → n 0 + e + + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}} 
.
där
p + {\displaystyle \ p^{+}} är proton.
n 0 {\displaystyle n^{0}}} är neutronen.
e + {\displaystyle e^{+}}
är positronen.
ν e {\displaystyle {\nu }_{e}}}
är neutrino.
Beta-plus-sönderfall sker i solen och i vissa typer av partikelacceleratorer.
Gammasönderfall
Gammasönderfall sker när en atomkärna producerar ett energipaket med hög energi som kallas gammastråle. Gammastrålar har ingen elektrisk laddning, men de har ett vinkelmoment. Gammastrålar avges vanligtvis från kärnor strax efter andra typer av sönderfall. Gammastrålar kan användas för att se genom material, för att döda bakterier i livsmedel, för att hitta vissa typer av sjukdomar och för att behandla vissa typer av cancer. Gammastrålar har den högsta energin av alla elektromagnetiska vågor, och gammastrålningsutbrott från rymden är de mest energirika energiavgivningar som man känner till.
Sök