58 5 Radioaktivitet 5:2 Tre strålingstyper alfa, beta, gamma AKTIVITET Rekkevidden til strålingen Undersøk rekkevidden til gammastråling i luft. Bruk en geigerteller og framstill aktiviteten som funksjon av avstanden mellom strålingskilde og telleapparat. Undersøk også rekkevidden til alfa og betastråling. Er det stor forskjell mellom de tre strålingstypene? Undersøk hva som skal til for å stanse strålingen. Hold avstanden mellom strålingskilden og telleapparatet konstant. Bruk ulike gjenstander, for eksempel et ark, en treplate og en blyplate. Eller kanskje dere prøver en brødskive, et eple eller et salatblad fra matpakken? Blir maten radioaktiv når den blir utsatt for stråling fra en radioaktiv kilde? Når en radioaktiv isotop sender ut ioniserende stråling, vil atomkjernen forandre seg. Det finnes tre forskjellige typer stråling, som alle er ioniserende. To av strålingstypene er partikkelstråling. Det betyr at det blir sendt ut en partikkel fra atomkjernen. Disse strålingstypene kaller vi alfa og betastråling. Alfa og beta er de to første bokstavene i det greske alfabetet, α og β. Strålingstypene kan derfor også skrives α stråling og β stråling. Den siste strålings typen har du hørt om før. Det er gammastråling (γ stråling), som er elektro magnetisk stråling med svært kort bølgelengde. Alfastråling er heliumkjerner Noen ustabile atomkjerner sender ut partikler som består av to nøytroner og to protoner. Det er denne strålingstypen som blir kalt alfastråling. Grunnstoffet helium har to protoner og to nøytroner i kjernen. Ved alfa stråling er det med andre ord positivt ladde heliumkjerner som med stor fart forlater 4 atomkjernen. Symbolet for alfastråling er 2He. Når atomkjerner sender ut alfastråling, vil de nye atomkjernene inneholde to protoner mindre. Da har vi fått et nytt grunnstoff. Det nye grunnstoffet har fire nukleoner mindre i kjernen, men det er de to «manglende» protonene som bestemmer hvilket grunnstoff vi får.
5:2 Tre strålingstyper 59 Eksempel 4 Uranisotoper Uran er det tyngste grunnstoffet som finnes naturlig på jorda. Stoffet har tre naturlig forekommende isotoper, som alle er radioaktive: uran 234, uran 235 og uran 238. Alle de tre isotopene har 92 protoner i kjernen det er jo uran, og alle tre sender ut alfastråling. Dette frigjør energi. Uran blir derfor brukt i kjerneenergiverk. Den vanligste uranisotopen er uran 238. Her ser du reaksjonen når uran 238 sender ut alfastråling: Uran 238 thorium 234 + helium 4 238 234 4 Vi kan skrive det slik med symboler: U Th+ He 92 Legg merke til at nukleontallet og ladningstallet til kjernen skal være bevart. På høyre side er det 234 + 4 = 238 nukleoner, og ladningen er 90 + 2 = 92. 90 2 I periodesystemet ser du at grunnstoffet thorium har 90 protoner i kjernen to færre enn uran. Eksempel 5 Litvinenko et radioaktivt mord I 2006 ble russeren Alexander Litvinenko forgiftet med en kopp te tilsatt polonium 20. Polonium 20 sender ut alfastråling. Litvinenko døde tre uker senere av skadene fra strålingen. Hvis alfastråling blir sendt ut inne i kroppen, slik det skjedde med Litvinenko, vil den gjøre stor skade. Hvis den blir sendt ut utenfor kroppen, blir den raskt stanset av luften. Når vi snakker om radioaktivitet, er det derfor viktig å vite både hva slags stråling det dreier seg om, og hvor den blir sendt ut. DIGI :D Finn ut mer om drapet på Alexander Litvinenko. Hvorfor ble han drept? Hvem sto bak drapet? Hva gjorde den ioniserende strålingen med kroppen hans? regn med :D Radon 222 sender ut alfastråling. Bruk periodesystemet og forklar at det nye grunnstoffet har 84 protoner i kjernen. Forklar også at det nye grunnstoffet må ha nukleontallet 28. Hvilken isotop blir dannet? Skriv ned reaksjonslikningen.
60 5 Radioaktivitet Betastråling er elektroner Atomkjerner kan også sende ut elektroner. Det blir kalt betastråling. Men hvor kommer disse elektronene fra? En atomkjerne inneholder jo ikke elektroner! Forklaringen er at et nøytron i atomkjernen blir omdannet til et elektron og et proton. Elektronet forlater atomkjernen med veldig stor fart, mens protonet blir værende. Fordi kjernen nå inneholder ett proton mer, er det dannet et nytt grunnstoff. Det skjer for eksempel når den ustabile karbon 4- isotopen (seks protoner) blir omdannet til nitrogen 4 (sju protoner). β stråling: nøytron proton + elektron, 0 n pn+ ep+ 0 0 n 0 + ep+ 0 e. 0 Legg merke til summen av nukleontall ( = + 0), og summen av ladningstall (0 = ). Både nukleontall og ladning er bevart. karbon 4 nitrogen 4 + elektron 4 6 4 4 0 4 4 0 4 0 C N+ e 7 C NC+ e 6 7 + N+ e 6 7 Legg merke til at summen av antallet protoner og antallet nøytroner (4) er den samme før og etter at elektronet er sendt ut. Nukleontallet er alltid det samme ved betastråling. Ladningstallet er bevart fordi elektronet har negativ 0 ladning: 7 = 6. Elektronet skrives e. Det er ikke en kjernepartikkel, men befinner seg utenfor kjernen. Husk at tallet oppe til venstre angir antallet kjernepartikler. Ladningstallet er fordi elektronet har én negativ ladning. Eksempel 6 Bestem strålingstypen! Når thorium 234 blir til protactinium 234, sendes det ut stråling. Hva slags? Vi kan finne det ut på to måter: En rask kikk i en isotoptabell viser at thorium 234 sender ut betastråling. Men vi kan også finne det ut ved hjelp av periodesystemet. Der ser vi at thorium har 90 protoner i atomkjernen, mens protactinium har 9. Protontallet har gått opp med én. Det betyr at thorium 234 sender ut betastråling. I atomkjernen til thorium 234 er altså et nøytron blitt omdannet til et proton og et elektron. thorium 234 protactinium 234 + elektron 234 234 0 Th Pa + 234 234 0 234 e Th Pa Th+ e Pa + 0 e 90 9 90 990 9 +
5:2 Tre strålingstyper 6 regn med :D Skriv kjernereaksjonen når Rn 222 sender ut alfastråling. 2 Skriv kjernereaksjonen når P 32 sender ut betastråling. 228 0 3 Hva skal stå på venstre side av denne kjernereaksjonen:? Ac + e 89? Hvilken strålingstype blir sendt ut? Gammastråling er elektromagnetisk stråling Gammastråling er elektromagnetisk stråling med svært kort bølgelengde. Energien til gammafotonene er flere hundre tusen ganger høyere enn energien til fotonene i synlig lys. Energien er en form for «overskuddsenergi» som atomkjernene frigjør etter å ha sendt ut alfa eller betastråling. Gammastråling gir ikke et nytt grunnstoff, men endrer energien til atomkjernen i samme grunnstoff. Metastabilt Ba-37 (med overskuddsenergi) henfaller til Ba-37. Eksempel 7 Gammastråling i medisin Gammastråling blir normalt sendt ut rett etter at det er sendt ut alfa eller betastråling. Men noen ganger tar det lengre tid før gammastrålingen blir sendt ut. Da har vi en metastabil tilstand. Det betyr at atomkjernen er stabil en liten stund, fra noen minutter til flere timer. Slike metastabile atomkjerner blir brukt i medisin til å undersøke kroppen, og er en av de viktigste metodene vi har for å finne kreftsvulster. Og når vi vet hvor svulsten er, kan vi behandle den. Noen ganger kan også behandlingen skje ved hjelp av gammastråling. Vi bruker gammastråling på krydder for å drepe bakterier før krydderet blir solgt i butikken. I mange land selges krydder uten slik sterilisering.
62 5 Radioaktivitet Oversikt over stråling. Stråling fra radioaktive isotoper er markert med rødt. UV stråling kan være ioniserende, men ikke den vi finner naturlig ved jordoverflaten (se kapittel 4). Elektromagnetisk stråling Partikkelstråling Ioniserende Røntgenstråling Gammastråling (γ) Alfastråling (α) Betastråling (β) Ikke-ioniserende UV stråling Synlig lys IR stråling Radiobølger (inkl. mikrobølger) Strålingen har ulik rekkevidde kort, lengre, lang Det viser seg at de tre strålingstypene fra radioaktive atomkjerner har ulik rekkevidde og ulik evne til å trenge inn i stoffer. Alfastråling rekker bare noen centimeter i luft før den stanser. Det skyldes at heliumkjernene er så store og tunge at de kolliderer med luftmolekyler og gir fra seg mye energi i løpet av kort tid. Betastråling har større rekkevidde enn alfastråling og kan trenge et stykke inn i huden vår. Gammastråling har en mye større gjennomtrengningsevne enn både alfastråling og betastråling. Gammastråling kan gå rett gjennom mennesker, papir og aluminium. Bare en tykk blyplate eller betongvegg kan stoppe gammastråling. α De tre strålingstypene har ulik rekkevidde. β γ NB! Stråling fra radioaktive isotoper Ustabile atomkjerner kan sende ut tre strålingstyper: Alfastråling er heliumkjerner og har kort rekkevidde. Betastråling er elektroner og kan trenge så vidt inn i hud, men stoppes av for eksempel tre. Gammastråling er elektromagnetisk stråling. De energirike fotonene i gammastrålingen blir først stoppet av en tykk blyplate eller betongvegg.
5:2 Tre strålingstyper 63 Eksempel 8 Rekkevidden til strålingen i kroppen Når en atomkjerne sender ut alfa eller betastråling, vil partiklene ha forskjellig energi avhengig av hvilken atomkjerne vi snakker om. Derfor må vi gi en omtrentlig verdi for rekkevidden. I luft vil en gjennomsnittlig alfapartikkel ha en rekkevidde på noen få centimeter. I kroppen (vann) vil rekkevidden være ca. 0, mm. En gjennomsnittlig betapartikkel som treffer kroppen din, har en rekkevidde på i underkant av mm. Eksempel 9 Den radioaktive røykvarsleren Det er påbudt med røykvarslere innendørs. Mange røykvarslere inneholder den radioaktive isotopen americium 24. Hvorfor er det radioaktive stoffer i røykvarslere? Den radioaktive isotopen sender ut alfastråling. Alfastrålingen ioniserer lufta inne i et lite kammer. Ionisert luft kan lede strøm, og ved hjelp av et batteri måler røykvarsleren ledningsevnen til lufta. Så snart det kommer røyk inn i kammeret, klistrer røykpartiklene seg til de ioniserte luftmolekylene og reduserer ledningsevnen. Alarmen blir utløst når ledningsevnen faller under et bestemt nivå. Sett ord på :D Forklar hva slags stråling vi får fra radioaktive isotoper. Kom inn på hva strålingstypene heter, hva som blir sendt ut, og hvilken rekkevidde strålingen har. 2 Figuren viser en radioaktiv kilde som sender stråling inn mellom to elektrisk ladde plater. Hva forteller figuren om de fysiske egenskapene til strålingen? - α γ β + Radioaktiv kilde DIGI :D Bruk vitenprogrammet om radioaktivitet og jobb med vitenobjektet «Hva er radioaktivitet?» i opplæringskurset.