radioaktivitet

Radioaktivitet er en egenskap enkelte stoffer har som går ut på at de sender ut stråling fra atomkjernen. Det finnes tre typer radioaktiv stråling: alfastråling, betastråling og gammastråling.

De atomene som strålingen kommer fra, kalles radionuklider. Strålingen som sendes ut, kalles nukleær stråling. Den er ioniserende, det vil si at den danner ioner i det mediet som strålingen trenger gjennom.

Radioaktivitet finnes hos en del nuklider som forekommer i naturen. De kalles naturlig radioaktive. Når radionuklider dannes ved kjernereaksjoner, kalles dette indusert eller kunstig radioaktivitet.

Ved alle radioaktive prosesser, bortsett fra utsendelse av γ -stråler (gammastråler), foregår en grunnstoffomdannelse, transmutasjon. Utsendelse av γ-stråling foregår som regel momentant etter α- eller β-utsendelse, der den nye kjernen dannes i en eksitert tilstand. Ren γ-stråling (foton-utsendelse) forekommer fra en isomer tilstand, det vil si en eksitert tilstand som har en observerbar (målbar) levetid.

Til radioaktivitet regnes også prosessene elektroninnfanging og spontan fisjon. Ved elektroninnfanging blir et elektron fra et elektronskall (vanligvis K-skallet) fanget inn i kjernen, og det sendes ut K-røntgen. Kjernens ladning avtar med en enhet på samme måte som ved utsendelse av et positron. Ved spontan fisjon spaltes en tung kjerne uten noen ytre påvirkning i to fisjons-fragmenter, og det sendes ut nøytroner og γ-stråling med etterfølgende β-desintegrasjon fra de to fragmentene.

Naturlig radioaktivitet ble oppdaget 1896 av H. Becquerel, året etter oppdagelsen av røntgenstråler. Han la merke til at en fotografisk plate innpakket i svart papir og lagt i en mørk skuff, ble svertet når det lå et uransalt i skuffen, og han kom til det resultat at alle uranforbindelser, særlig den naturlig forekommende uraninitt, helt varig og uten enhver ytre påvirkning sender ut stråler av lignende art som røntgenstråler. Han viste også at disse strålene gjør luft elektrisk ledende. I 1898 fant Marie Curie at de ukjente, sterke strålene som uranmineralene sender ut, kommer fra polonium og radium, to grunnstoffer som til da var ukjente, men som hun klarte å isolere. I årene 1899–1903 viste E. Rutherford o.a. at denne strålingen lot seg spalte i tre komponenter. Se også kjernefysikk.

Strålingen som sendes ut fra atomkjerner kan deles i tre komponenter, α-, β- og γ-stråling. α-

strålene består av positivt ladede heliumkjerner, β-strålene er elektroner (β^--stråler) eller positroner (β⁺-stråler) og γ-strålene som er kortbølget elektromagnetisk stråling, fotoner. I spesielle tilfeller med høyt eksitert kjerne kan et nøytron sendes ut.

EGENSKAPER

Strålingens energi og gjennomtrengningsevne varierer. α-strålingen stoppes lettest. Som regel vil den være fullstendig stoppet i mindre enn 5 cm luft, 0,025 mm tykk aluminiumsfolie eller 0,01mm blyfolie. For å stoppe β-strålingen trengs opptil 1 cm tykk aluminium eller 2,5 mm bly, mens rekkevidden i luft kan være flere meter, Størst gjennomtrengningsevne har γ-stråling. Den stoppes ikke som α- og β-stråling ved at hver enkelt partikkel bremses gradvis, men ved at fotonet i sin helhet absorberes eller spres. Strålingen blir derfor gradvis svekket. Ved typiske γ-energier blir intensiteten redusert til det halve når strålingen passerer gjennom 7 cm aluminium eller 1,5 cm bly. I luft er absorpsjonen liten, men intensiteten svekkes fordi strålingen spres utover et stadig større område.

Stråling virker ioniserende når den absorberes i et stoff. Gasser som utsettes for slik stråling blir derfor elektrisk ledende.

Naturlig radioaktivitet vil si aktivitet fra nuklider som forekommer i naturen og er påvisbar på grunn av sin stråling. Man skjelner mellom naturlig forekommende primære og sekundære radionuklider. De primære nuklidene har så lang halveringstid at de fortsatt kan påvises etter å ha blitt dannet da vårt solsystem ble til for 4–5 milliarder år siden. Man kjenner omkring 25 slike nuklider med halveringstider fra 7 · 10⁸ år (²³⁵U, uran) til 1,4 · 10¹⁷ år (²⁰⁴Pb, bly). Den letteste og en av de hyppigst forekommende er ⁴⁰K (kalium), som er β^–-aktiv, har en halveringstid, 1,28 · 10⁹ år og finnes i en mengde 0,0117 % av i all naturlig forekommende kalium.

De fleste naturlige radionuklider finnes blant lantanoidene. De går som regel etter en enkel desintegrasjon over til en stabil (ikke-radioaktiv) nuklide.

Man forbinder helst naturlig radioaktivitet med de tre tunge nuklidene ²³⁸U (halveringstid 4,5 · 10⁹ år), ²³⁵U (halveringstid 7 · 10⁸ år) og ²³²Th (thorium) (halveringstid 1,4 · 10¹⁰ år) og deres datternuklider, som alle har kortere halveringstider. Da nukleontallet ifølge den radioaktive forskyvningslov ved hver desintegrasjon enten forandrer seg med 4 (α-utsendelse) eller forblir uforandret (β- og γ-utsendelse), kan man ikke få dannet samme datternuklide av ²³⁸U, ²³⁵U og ²³²Th.

Som naturlig radioaktivitet regnes dessuten aktivitet fra en del nuklider som dannes ved kjernereaksjoner indusert av kosmisk stråling. Av spesiell interesse er nukliden ¹⁴C med halveringstid 5730 år og ¹⁰Be med halveringstid 1,6·10⁶ år, som brukes for aldersbestemmelse innenfor henholdsvis arkeologi og geologi.

Kunstig radioaktivitet oppstår når nuklider, som ikke i målbar mengde forekommer i naturen, blir produsert ved atomkjernereaksjoner i laboratorier, ved kjernereaktorer, i forbindelse med kjernefysiske eksplosjoner eller indusert av kosmisk stråling. Den første kunstig fremstilte radionuklide ble påvist av ekteparet Joliot–Curie 1934. De bombarderte borisotopen ¹⁰B med α-partikler fra en radioaktiv kilde og oppdaget en β⁺-aktivitet som ble tilskrevet nukliden ¹³N (nitrogen). Omkring 1940 kjente man ca. 300 kunstige radionuklider. Siden er tallet økt til ca. 1500 radionuklider med halveringstid på 1 sekund eller mer og en rekke med kortere halveringstider. Storparten av disse produseres ved nøytronbestråling i reaktorer, en del dannes ved bombardement med deuteroner, α-partikler eller tunge ioner fra akseleratorer, og noen oppstår ved fisjon av tunge kjerner. De fleste kunstige radionuklider sender ut β⁺- eller β^–-stråling eller transmuteres ved elektroninnfanging. Av tyngre nuklider, med nukleontall over 140, desintegrerer en del ved α-utsendelse, og for nukleontall over 220 forekommer spontan fisjon.

Kunstige radionuklider omfatter isotoper av alle grunnstoffer som forekommer i naturen, dvs av grunnstoffer med atomnummer under 92, som tidligere manglet i grunnstoffenes periodesystem, og av nye grunnstoffer med atomnummer over 92, transuraner.

1) Vanskelig å registrere, men av betydning i grunnforskning

Kjemisk sett har en radionuklide samme egenskap som de stabile isotopene av samme grunnstoff. Dette benytter man seg av i tracer- eller sporteknikk. Man fører inn i prosessen en passende mengde av radionukliden, traceren, og registrerer strålingen fra denne med en geigerteller, scintillasjonsteller eller fotografisk film og kan da finne hvordan og hvor hurtig stoffet som radionukliden tilhører,fordeler seg. Sporteknikken brukes i kjemisk industri, biologi og medisin. Teknikken ble første gang brukt 1913 der radionukliden ²¹⁰Pb ble anvendt.

Karbonisotopene ¹¹C (halveringstid 21 min.) og ¹⁴C (halveringstid 5730 år) brukes for å undersøke biologiske prosesser og har bl.a. gitt viktige opplysninger om fotosyntesen. Radionukliden ³²P brukes for å studere planters absorpsjon av næring fra jordbunnen og ved stoffskifteundersøkelser. I kjemisk industri brukes radioaktivitet foruten i sporteknikken også ved aktiveringsanalyser. Prøven som skal undersøkes, bestråles med nøytroner, protoner eller α-partikler, og det dannes radionuklider som kan identifiseres ved den stråling de sender ut. Strålingsintensiteten kan også gi grunnlag for kvantitativ bestemmelse av et bestemt grunnstoff, idet man sammenligner med intensiteten fra standardprøver som har vært utsatt for samme bestråling.

På lignende måte måles radioaktivitet ved datering, se aldersbestemmelse.

I medisin brukes bl.a. iodisotopene ¹²³I og ¹³¹I til undersøkelser av skjoldbruskkjertel og nyrer, technetium, ^99mTc, for undersøkelser av hjernen, og gull, ¹⁹⁸Au, for leverundersøkelser. En rekke radioaktive stoffer som ⁶⁰Co, ²¹¹At og ¹³⁷Cs brukes dessuten i behandling av kreftsvulster.