Radioaktivitet, den egenskap ved enkelte stoffer at de sender ut stråling fra atomkjernen. De atomer som  strålingen kommer fra kalles radionuklider, og strålingen som sendes ut kalles nukleær stråling og er ioniserende d.v.s. danner ioner i det mediet strålingen trenger igjennom. Egenskapen er til stede hos en del nuklider som forekommer i naturen. De betegnes som naturlig radioaktive, mens radionuklider som dannes ved kjernereaksjoner blir betegnet indusert eller kunstig radioaktivitet.

Ved alle radioaktive prosesser bortsett fra γ-utsendelse 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, dvs. eksitert tilstand som har en observerbar (målbar) levetid.

Til radioaktivitet regnes også prosessene elektroninnfanging og spontan fisjon. Ved elektroninnfanging blir et elektron fra et skall (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.

Anvendelse av nukleær stråling omfatter: bestråling av et stoff for å forandre dets fysiske, kjemiske eller biologiske egenskaper, avbilding av den indre struktur i et stoff ved gjennomstråling, påvisning av eller omsetning av radionuklider for å finne hvordan et stoff er sammensatt eller for å følge forløpet av en prosess. For bestrålinger og avbildinger kan stedenfor nukleær stråling fra atomer, ofte benyttes stråling fra partikkelakseleratorer og røntgenapparater, fordi disse apparatene gir større muligheter for å velge stråling med ønsket energi og intensitet. For medisinsk bruk se strålebehandling, kreft.

Nukleær stråling påvises med geigerteller, scintillasjonsteller, ionisasjonskammer, halvlederteller, fotografisk film o.a. Den måles ved sin ioniserende evne. En kildes aktivitet, det vil si antall desintegrasjoner per sekund (som er lik antall becquerel), forteller ikke noe om strålingens virkning uten at man også kjenner strålingstypen og energien av de enkelte partikler som sendes ut, og dessuten vet hvor effektivt strålingen absorberes i stoffet som blir eksponert. Virkningen angis ved den absorberte dose, dvs. ved den energimengde som absorberes per masseenhet av stoff som utsettes for strålingen. Den absorberte dose angis i gray (Gy), 1 Gy = 1 joule absorbert energi/kg. Fremdeles brukes dessuten enheten rad (= 0,01 Gy), og for røntgen- og γ-stråling brukes enheten røntgen (= 9 mGy). Strålingens biologiske virkning avhenger foruten av dosen også av doseraten (absorbert dose per tidsenhet), dvs. av over hvor lang tid bestrålingen foregår og av stråletypen. Man angir ekvivalentdosen i enheten sievert (Sv), som  er lik den absorberte dose målt i gray multiplisert med en kvalitetsfaktor eller effektivitetsfaktor som er satt lik 1 for små doserater av β- og γ-stråling, men som er 20 for α-stråling, og som øker når doserate stiger. Fremdeles forekommer også enheten rem (1 rem = 0,01 Sv).

Sannsynligheten per tidsenhet for at en radionuklide skal desintegrere (spaltes eller sende ut stråling) kalles desintegrasjonskonstanten. Denne er uavhengig av hvordan nukliden er dannet og hvor lenge den allerede har eksistert. Har man ved et bestemt tidspunkt et stort antall, N0 av en type radionuklider, vil man etter en tid t ha et antall \(N = N_0 \cdot e^{-\lambda t}\) hvor λ er desintegrasjonskonstanten (e er grunntallet i det naturlige logaritmesystem). Uttrykket kalles den radioaktive desintegrasjonslov. Middellivet eller den midlere levetid for nukliden er τ = 1/λ. Oftest angir man for radionuklider ikke middelliv, men halveringstid, T½ = ln2 · τ = 0,693 · τ. Dette er den tiden det tar før antall radionuklider er redusert til det halve. I løpet av to halveringstider blir antallet redusert til 1/4, i løpet av tre til 1/8 av det opprinnelige antall osv.

Som mål for aktiviteten til en kilde brukes antall radioaktive hendelser (spaltinger, utsendte partikler eller γ-stråler, fotoner) per tidsenhet. SI-enheten for aktivitet, becquerel (Bq), er lik en hendelse per sekund. Tidligere benyttet man enheten curie (Ci). En Ci = 3,7 · 1010 Bq. En curie tilsvarer omtrent aktiviteten fra 1 g radium og var opprinnelig definert slik. Virkningen av den radioaktive strålingen avhenger sterkt av strålingsformen, og aktiviteten av en kilde forteller derfor lite om virkningen hvis det ikke samtidig angis hva slags stråling som sendes ut.

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.

De atomene som dannes i radioaktive prosesser, er ofte selv radioaktive, og vil i så fall desintegrere videre under utsendelse av enten α- eller β-partikler. Dette fortsetter helt til det dannes et stabilt, ikke-radioaktivt atom. På denne måten kan man beskrive serier av radioaktive atomer som tilhører forskjellige grunnstoffer der de enkelte ledd er genetisk forbundet med hverandre. Radionukliden 238U omdannes således etter utsendelse av totalt 8 α-partikler og 6 β-partikler til stabilt bly, 206Pb:

\[\begin{aligned}& \ce{^238_92U ->[\alpha] ^234_90Th ->[\beta] ^234_91Pa ->[\beta] ^234_92U ->[\alpha]} \\& \ce{^238_90Th ->[\alpha] ^226_88Ra ->[\alpha] ^222_86Rn ->[\alpha] ^218_84Po ->[\alpha]} \\& \ce{^214_82Pb ->[\beta] ^214_83Bi ->[\beta] ^214_84Po ->[\alpha] ^210_82Pb ->[\beta]} \\& \ce{^210_83Bi ->[\beta] ^210_84Po ->[\alpha] ^206_82Pb} \text{ (stabil)}\end{aligned}\]

På tilsvarende måte vil radionukliden 235U etter 7 α- og 4 β-desintegrasjoner bli omdannet til  stabilt bly, 207Pb:

\[\ce{^235_92U ->[7\alpha + 4\beta] ^207_82Pb}\]

og radionukliden 232Th etter 6 α- og 5 β-desintegrasjoner omdannes til stabilt bly, 208Pb:

\[\ce{^210_83Bi ->[\beta] ^210_84Po ->[\alpha] ^208_82Pb} \text{ (stabil)}\]

Det eksisterer også en fjerde serie, som begynner med neptunium 237Np og etter 8 α- og 4 β-desintegrasjoner slutter med stabilt thallium, 205Tl:

\[\ce{^237_93Np ->[8\alpha - 4\beta] ^205_81Tl}\]

238U-serien kalles også uran-radium-serien eller (4n + 2)-serien. Den er karakterisert ved at alle nuklider i serien har nukleontall 4n + 2, der n er et helt tall. På tilsvarende måte kalles 235U-serien for uran-actinium-serien eller (4n + 3)-serien og 232Th-serien for thoriumserien eller 4n-serien. Den fjerde serien, neptuniumserien, med nukleontall 4n + 1 forekommer ikke i naturen fordi ingen nuklider i denne serien har lengre halveringstid enn 2 millioner år.

Fordi atomnummeret Z av og til forandres med 1 (ved β-desintegrasjon), av og til med 2 (ved α-desintegrasjon), kan samme verdi av Z, dvs. samme grunnstoff, opptre i alle seriene og også to ganger i samme serie, etter en α- og to følgende β-desintegrasjoner. Se også grunnstoffomdanning.

Opprinnelig fikk kortlivede datternuklider navn etter den nukliden den ble dannet av, mens nuklider med så lang halveringstid at de kunne isoleres kjemisk, fikk egne navn. For nyoppdagede grunnstoffer benyttet man til dels det kjemiske navn på det nærmeste stoff i samme gruppe i grunnstoffenes periodesystem med forstavelsen eka- (ekajod, ekacesium). Nå har hvert grunnstoff fått sitt kjemiske navn og nukliden karakteriseres ved det kjemiske symbol med nukleontallet skrevet øverst til venstre.

Grunnstoffer som inneholder en eller flere naturlige ustabile isotoper og derfor undergår desintegrasjon, kalles radioaktive grunnstoffer. Uran, U, og thorium, Th, som forekommer i store mengder i naturen, hadde allerede lenge vært kjent da H. Becquerel oppdaget stråling fra uran. Andre viktige radioaktive grunnstoffer er kalium, rubidium, samarium, lutetium, rhenium, polonium, radium, actinium og radon. Se kjernekjemi (forskningsområder). Se også grunnstoff.

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.

Radioaktiv prosess Utsendt partikkel Forandring av nukleontall, A Forandring av atomnummer, Z
α- desintegrasjon Heliumkjerne –4 –2
β-desintegrasjon Elektron og antinøytrino1 0 1
β+-desintegrasjon Positron og nøytrino1 0 –1
Elektroninnfanging, EC Antinøytrino1 0 –1
γ-emisjon Foton 0 0
Spontan fisjon av  AZ Nøytroner, gamma ~½A ~½Z

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.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.