Hvad er radioaktivt henfald? Definition, opdagelse og betydning
Lær hvad radioaktivt henfald er, hvordan Becquerel og Curie opdagede det, og hvilken betydning det har inden for fysik, medicin og miljø.
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.
Hvad er radioaktivt henfald?
Radioaktivt henfald er den proces, hvor ustabile atomkerner spontant omdannes til mere stabile kerner ved at udsende partikler og/eller elektromagnetisk stråling. Processen ændrer atomkernen — og ofte også grundstofnummeret — så stoffet kan blive et andet grundstof eller en isotop af samme grundstof. Henfaldet er kvantemekanisk og følger statistiske regler: man kan beregne sandsynligheder for henfald, men ikke forudsige præcis, hvornår et enkelt atom vil henfalde.
Hvordan sker det — kort teknisk forklaring
Atomkernen består af protoner og neutroner. Når forholdet mellem protoner og neutroner gør kernen ustabil, kan den søge stabilitet ved at udsende energi i form af partikler eller fotoner. Disse udsendelser kan være:
- Alfa-henfald: Udsendelse af en alfapartikel (to protoner og to neutroner — samme som en heliumkerne). Det ændrer massetallet og grundstofnummeret (transmutation).
- Beta-henfald: Beta-minus (β−) betyder at en neutron omdannes til en proton og et elektron (beta-partikel) plus en antineutrino; beta-plus (β+) er omdannelse af en proton til en neutron plus en positron og en neutrino.
- Gamma-udsendelse: Energirig fotonstråling fra en eksiteret atomkerne, ofte efter alfa- eller beta-henfald. Gamma ændrer ikke grundstofnummeret men fjerner overskydende kernenergia.
- Andre former omfatter elektronopsamling, intern konvertering og neutronudsendelse i meget neutronrige kerner.
Halveringstid og henfaldslov
Et centralt begreb er halveringstiden — den tid det tager for halvdelen af en given mængde ustabile kerner at henfalde. Henfald følger en eksponentiel lov: jo længere tid, desto færre kerner tilbage, men der er altid en statistisk rest. Halveringstider varierer meget: fra brøkdele af et sekund til milliarder af år.
Opdagelse og historisk betydning
Opdagelsen af radioaktivt henfald ved Henri Becquerel og videre arbejde af Marie og Pierre Curie ændrede forståelsen af atomets opbygning og førte til ny udvikling indenfor kernefysik og kvantemekanik. Opdagelsen var så betydningsfuld, at den blev belønnet med Nobelprisen i fysik i 1903.
Hvordan måles radioaktivitet?
- Becquerel (Bq): SI-enheden for aktivitet — antal henfald pr. sekund. Navngivet efter Becquerel.
- Detektion sker med udstyr som Geiger-Müller-tællere, scintillationsdetektorer, halvlederdetektorer, og gammakameraer. Tidlige metoder omfattede fotografiske plader og cloud chambers.
- Stråledoser til mennesket måles ofte i gray (Gy) for absorberet energi og sievert (Sv) for biologisk effekt.
Anvendelser
- Medicin: Diagnostisk billeddannelse (f.eks. PET, SPECT) og strålebehandling mod kræft.
- Arkeologi og geologi: Radiometrisk datering (f.eks. 14C-datering, uran-bly-datering) til bestemmelse af alder.
- Energi: Kernekraft til elproduktion, hvor kontrolleret kernereaktion udnytter radioaktiv energi.
- Industri og forskning: Sporstoffer, tykkelsesmåling, inspektion og sterilisation.
Sikkerhed og risici
Radioaktivitet kan være skadelig for levende væv. Risici afhænger af typen af stråling, energi, dosis og varighed af eksponering. Grundlæggende beskyttelsesprincipper er tid, afstand og afskærmning — minimér tidsrum tæt på kilder, øg afstand og brug passende skærm (bly for gamma, tæt materiale for beta, tykt materiale/afstand for alfa). Hygiejne og kontrolforanstaltninger forhindrer indtagelse eller indånding af radioaktive partikler. Der findes strenge internationale og nationale regler for håndtering, transport og deponering.
Naturlig vs. kunstig radioaktivitet
Radioaktivitet findes naturligt i jordskorpen (uran, thorium, kalium-40), i atmosfæren (kosmisk stråling) og i levende organismer i lave niveauer. Menneskeskabte kilder omfatter medicinske isotoper, atomkraft og radioaktive udslip fra atomvåbenprøvninger eller ulykker.
Konklusion
Radioaktivt henfald er en fundamental nuklear proces med stor betydning for naturvidenskab, teknologi, medicin og samfund. Forståelsen af henfald gør det muligt både at udnytte det til nyttige formål og at håndtere de sundheds- og miljømæssige risici, det kan medføre.
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}}} 
.
hvor
n 0 {\displaystyle n^{0}}}
er neutronen
p + {\displaystyle \ p^{+}}}
er protonen
e - {\displaystyle e^{-}}}
er elektronen
ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\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}}} 
.
hvor
p + {\displaystyle \ p^{+}}} er protonen
n 0 {\displaystyle n^{0}}} er neutronen
e + {\displaystyle e^{+}}}
er positronen
ν e {\displaystyle {\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.
Søge