Radioaktivt henfald

Radioaktivt henfald sker for nogle kemiske grundstoffer. De fleste kemiske grundstoffer er stabile. Kemiske grundstoffer består af atomer. I stabile grundstoffer forbliver atomerne de samme. Selv i en kemisk reaktion ændrer atomerne sig aldrig.

I det 19. århundrede opdagede Henri Becquerel, at nogle kemiske grundstoffer har atomer, der ændrer sig. I 1898 kaldte Marie og Pierre Curie dette fænomen for radioaktivt henfald. Becquerel og Curies fik Nobelprisen i fysik for denne opdagelse i 1903.

Trefoilsymbolet bruges til at angive radioaktivt materiale.

Eksempel

De fleste kulstofatomer har seks protoner og seks neutroner i deres kerne. Dette kulstof kaldes carbon-12s (seks protoner + seks neutroner = 12). Dens atomvægt er 12. Hvis et kulstofatom har to neutroner mere, er det kulstof-14. Kulstof-14 opfører sig kemisk som andet kulstof, fordi det er de seks protoner og seks elektroner, der styrer dets kemiske egenskaber. Faktisk findes kulstof-14 i alle levende væsener; alle planter og dyr indeholder kulstof-14. Kulstof-14 er imidlertid radioaktivt. Det henfalder ved beta-henfald og bliver til nitrogen-14. Kulstof-14 er i de små mængder, der findes omkring os i naturen, uskadeligt. Inden for arkæologi bruges denne form for kulstof til at bestemme alderen på træ og andre tidligere levende ting. Metoden kaldes radiokarbondatering.

Forskellige former for henfald

Ernest Rutherford fandt ud af, at der er forskellige måder, hvorpå disse partikler kan trænge ind i stof. Han fandt to forskellige former, som han kaldte alfa- og beta-henfald. Paul Villard opdagede en tredje slags i 1900. Rutherford kaldte den for gammaforfald i 1903.

Ændringen fra radioaktivt kulstof-14 til stabilt nitrogen-14 er et radioaktivt henfald. Det sker, når atomet udsender en alfapartikel. En alfapartikel er en energiimpuls, når en elektron eller positron forlader atomkernen.

Andre former for forrådnelse blev opdaget senere. De forskellige typer henfald er forskellige fra hinanden, fordi de forskellige typer henfald producerer forskellige slags partikler. Den radioaktive kerne, der starter, kaldes moderkernen, og den kerne, som den ændrer sig til, kaldes datterkernen. De højenergipartikler, der produceres af radioaktive materialer, kaldes stråling.

Disse forskellige former for nedbrydning kan ske efter hinanden i en "nedbrydningskæde". En type kerne henfalder til en anden type kerne, som igen henfalder til en anden og så videre, indtil den bliver en stabil isotop, og kæden slutter.

Hastighed af henfald

Hastigheden, hvormed denne ændring sker, er forskellig for hvert element. Radioaktivt henfald er styret af tilfældigheder: Den tid, det i gennemsnit tager for halvdelen af atomerne i et stof at ændre sig, kaldes halveringstiden. Hastigheden er givet ved en eksponentiel funktion. Som eksempel kan nævnes, at jod (¹³¹ I) har en halveringstid på ca. 8 dage. Plutoniums halveringstid varierer mellem 4 timer (²⁴³ Pu) og 80 millioner år (²⁴⁴ Pu).

Nukleare transformationer og energi

Ved radioaktivt henfald ændres et atom fra et atom med højere energi i kernen til et atom med lavere energi. Ændringen af kernenergien i kernen gives til de partikler, der dannes. Den energi, der frigives ved radioaktivt henfald, kan enten blive transporteret væk af elektromagnetisk gammastråling (en type lys), en beta-partikel eller en alfapartikel. I alle disse tilfælde bortføres kernes energiforandring. Og i alle disse tilfælde summerer det samlede antal positive og negative ladninger af atomets protoner og elektroner sig til nul før og efter ændringen.

Alfa-henfald

Ved alfahenfald frigør atomkernen en alfapartikel. Ved alfasygefald mister atomkernen to protoner og to neutroner. Ved alfasygefaldet ændres atomet til et andet grundstof, fordi atomet mister to protoner (og to elektroner). Hvis Americium f.eks. skulle gennemgå alfahenfald, ville det blive til Neptunium, fordi Neptunium er defineret ved at have to protoner mindre end Americium. Alfaforfald sker normalt i de tungeste grundstoffer, f.eks. uran, thorium, plutonium og radium.

Alfapartikler kan ikke engang gå gennem et par centimeter luft. Alfastråling kan ikke skade mennesker, når alfastrålekilden befinder sig uden for menneskekroppen, fordi menneskets hud ikke lader alfapartiklerne trænge igennem. Alfastråling kan være meget skadelig, hvis kilden befinder sig inde i kroppen, f.eks. når mennesker indånder støv eller gas, der indeholder materialer, som henfalder ved at udsende alfapartikler (stråling).

Beta-henfald

Der findes to former for beta-forfald, beta-plus og beta-minus.

Ved beta-minus-henfaldet afgiver kernen en negativt ladet elektron, og en neutron bliver til en proton:

n 0 → p + + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}} $n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$ .

hvor

n 0 {\displaystyle n^{0}}} $n^{0}$ er neutronen

p + {\displaystyle \ p^{+}}} $\ p^{+}$ er protonen

e - {\displaystyle e^{-}}} $e^{-}$ er elektronen

ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\bar {\nu }}_{e}}} ${\bar {\nu }}_{e}$ er anti-neutrinoen

Beta-minus henfald sker i atomreaktorer.

Ved beta-plus-henfald frigiver kernen en positron, som er ligesom en elektron, men positivt ladet, og en proton bliver til en neutron:

p + → n 0 + e + + + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}}} $\ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}$ .

hvor

p + {\displaystyle \ p^{+}}} $\ p^{+}$ er protonen

n 0 {\displaystyle n^{0}}} $n^{0}$ er neutronen

e + {\displaystyle e^{+}}} $e^{+}$ er positronen

ν e {\displaystyle {\nu }_{e}}} ${\nu }_{e}$ er neutrinoen

Beta-plus-henfald sker i solen og i nogle typer partikelacceleratorer.

Gamma-henfald

Gammahenfald sker, når en kerne producerer en energipakke med høj energi, en såkaldt gammastråle. Gammastråler har ingen elektrisk ladning, men de har en vinkelbevægelse. Gammastråler udsendes normalt fra atomkerner lige efter andre typer henfald. Gammastråler kan bruges til at se gennem materiale, til at dræbe bakterier i fødevarer, til at finde visse typer sygdomme og til at behandle visse former for kræft. Gammastråler har den højeste energi af alle elektromagnetiske bølger, og gammastråleudbrud fra rummet er de mest energirige energiafgivelser, der kendes.