2. De flesta atomkärnor i våra kroppar
har alltid sett likadana ut,
trots att de bytt ”ägare” många gånger.
Någon kol- eller syrekärna i din kropp
har kanske suttit i svansen på en
dinosaur eller i pälsen på en
sabeltandad tiger?
De flesta atomkärnor förändras alltså aldrig, de
är stabila. Det gäller bland annat alla kolkärnor
som har 6 protoner och 6 neutroner, alltså
sammanlagt 12 nukleoner.
Det finns också kolkärnor som har 7 neutroner
och även kärnor med 8 neutroner.
De är olika isotoper av grundämnet kol.
Dessa isotoper är instabila, det vill säga de
faller sönder. De kallas för radioaktiva isotoper.
3. Krafter i kärnan
I kärnan finns sammanhållande krafter i
kärnan som är starkare än de repellerande
elektriska krafterna.
Dessa kärnkrafter är alltså mycket starka,
men de verkar bara på mycket kort
avstånd.
Radioaktiv strålning
I atomkärnor som har många nukleoner
kan de repellerande elektriska krafterna
bli större än den sammanhållande kärn-
kraften. Då kan kärnan göra sig av med
några partiklar.
En ström av sådana partiklar kallas
radioaktiv strålning. Det finns tre slags
radioaktiv strålning: alfa-, beta- och
gammastrålning.
4. Alfastrålning
Grundämnet radium har en isotop Ra-226 som har sammanlagt
226 nukleoner.
När Ra-226 faller sönder bildas två nya kärnor; största biten blir en
radonkärna, Rn-222, och den minsta en heliumkärna, He-4.
Denna heliumkärna kallas för en alfapartikel och skjuts iväg vid
sönderfallet. Man brukar därför säga att vid sönderfallet bildas
alfastrålning.
Alfapartikeln är alltså detsamma som kärnan hos grundämnet
helium.
Helium
5. Betastrålning
C-14 är en kolisotop som har för
många neutroner för att vara stabil.
Protonen stannar kvar i kärnan, men
betapartikeln kastas ut och ger så
kallad betastrålning.
En av neutronerna kan spontant
omvandlas till en proton, och samtidigt
bildas då en elektron. Denna elektron
kallas i det här för betapartikel.
Kärnan har då förändrats, eftersom
den nu har 7 protoner. Det har alltså
blivit ett nytt grundämne, kväve. Denna
kvävekärna har 7 neutroner.
6. Gammastrålning
Både vid alfa- och betasönderfall bildas
gammastrålning, elektromagnetisk strålning
med mycket hög energi.
Betastrålning
C-14 är en kolisotop som har för
många neutroner för att vara stabil.
Protonen stannar kvar i kärnan, men
betapartikeln kastas ut och ger så
kallad betastrålning.
En av neutronerna kan spontant
omvandlas till en proton, och samtidigt
bildas då en elektron. Denna elektron
kallas i det här för betapartikel.
Kärnan har då förändrats, eftersom
den nu har 7 protoner. Det har alltså
blivit ett nytt grundämne, kväve. Denna
kvävekärna har 7 neutroner.
7. Alfa
Papper
Beta
Aluminium
Gamma
Bly eller betong
Strålningens genomträngningsförmåga
Alfa- och betapartiklarna är exempel på partikelstrålning
som i likhet med gammastrålningen är joniserande.
Gammastrålning
tränger långt in i
materian. Det krävs
tjocka blyplattor eller
betong för att stoppa det
mesta av gamma-
strålningen.
Betastrålningen har
längre räckvidd och för
att stoppa den krävs
några millimeter
aluminium.
Alfastrålningen har den
kortaste räckvidden och
stoppas redan av en bit
papper.
8. Geiger-Müller-räknaren (GM-
räknaren) utnyttjar strålningens
joniserande förmåga för att registrera
radioaktivitet.
Radioaktiv
partikel
Gas
Elektrod
Högspänning
På grund av den höga spänningen
dras laddningarna till elektroden så
att det uppstår en strömpuls.
I ett rör finns en gas som innehåller
elektriskt neutrala atomer.
Mellan rörets väggar och en elektrod
i mitten läggs en hög spänning.
När en radioaktiv partikel kommer in i
röret joniserar den gasen och det
bildas då fria laddningar.
Denna strömpuls kan man överföra
till en högtalare eller räknare.
I högtalaren hörs ett knäpp varje
gång en radioaktiv partikel kommer
in i röret.
Aktiviteten mäts i enheten 1
becquerel (1 Bq, uttalas ”beckerell”).
Det gäller att 1 Bq = 1 sönderfall/s.
9. Halveringstiden är ett mått på hur snabbt de radioaktiva
isotoperna faller sönder. Halveringstiden är den tid det tar för
hälften av de radioaktiva isotoperna att falla sönder.
Isotop Halveringstid
Cesium-137 30 år
Jod-121 8,1 dygn
Kobolt-60 5,3 år
Kol-14 5600 år
Plutonium-239 24 300 år
Radium-226 1620 år
Uran-238 4,5 miljarder år
Halveringstid
I tabellen kan de se att halveringstiden varierar kraftigt,
beroende på vilken isotop det är fråga om.
Med hjälp av isotopers halveringstid kan man göra olika slags
åldersbestämningar, av vilka kol 14-metoden är den vanligaste.
10. Kol 14-metoden
Koldioxiden i atmosfären innehåller en liten del radioaktivt kol (C-14).
Kolet tas upp av växterna, och djur som äter växterna får också i sig
en del av denna isotop. Tillförseln upphör när växten eller djuret dör.
När djur dör
11. Kol 14-metoden
Koldioxiden i atmosfären innehåller en liten del radioaktivt kol (C-14).
Kolet tas upp av växterna, och djur som äter växterna får också i sig
en del av denna isotop. Tillförseln upphör när växten eller djuret dör.
Efter 5600 år
Kol 14-halten minskar då eftersom isotopen sönderfaller med
halveringstiden 5600 år.
12. Kol 14-metoden
Koldioxiden i atmosfären innehåller en liten del radioaktivt kol (C-14).
Kolet tas upp av växterna, och djur som äter växterna får också i sig
en del av denna isotop. Tillförseln upphör när växten eller djuret dör.
Efter 11200 år
Kol 14-halten minskar då eftersom isotopen sönderfaller med
halveringstiden 5600 år.
Genom att bestämma kol 14-halten i döda växtdelar och djur kan man
på så sätt bestämma hur gammalt det är.
13. Alfastrålning kan inte tränga genom huden, men det kan farlig att andas in
partiklar som innehåller alfastrålande ämnen. Alfastrålningen kan då ge
skador på lungorna.
Hur farlig är strålningen?
En liten mängd alfastrålning kan därför vara lika farlig som en större mängd
beta- eller gammastrålning. När man mäter stråldosen tar man därför
hänsyn till vilken slags strålning det är.
Stråldos mäts i en enhet som heter 1 sievert (1 Sv). Detta är en mycket hög
stråldos och vanligtvis används därför underenheten 1 mSv (millisievert, det
vill säga 1/1000 sievert).
Höga stråldoser ger akuta strålskador. Av doser som är större än
1000 mSv dör så många celler att kroppens organ skadas. Är dosen så
kraftig som 6000 mSv överlever knappast någon.
När det gäller lägre doser, från ca 100 mSv och uppåt,
uppkommer skador som på sikt kan ge upphov till cancer.
För doser som är lägre än 100 mSv har forskarna ingen riktigt klar bild av
skadeverkningarna och man kan inte ange någon gräns under vilken
strålningen är helt ofarlig.
14. Man vet att höga stråldoser ger akuta
strålskador. Av doser som är större än
1000 mSv dör så många celler att
kroppens organ skadas. Är dosen så
kraftig som 6000 mSv överlever
knappast någon. När det gäller lägre
doser, från ca 100 mSv och uppåt,
uppkommer skador som på sikt kan ge
upphov till cancer.
För doser som är lägre än 100 mSv
har forskarna ingen riktigt klar bild av
skadeverkningarna och man kan inte
ange någon gräns under vilken
strålningen är helt ofarlig.
15. Att helt undvika stråldoser är omöjligt.
Det beror på att det finns en naturlig strålning
som vi inte kan skydda oss mot. Varje år tar
vi i genomsnitt emot:
0,3 mSv
0,5 mSv
0,2 mSv
0,6 mSv
0,3 mSv från rymden (så kallad
kosmisk strålning)
0,5 mSv från berggrunden
0,6 mSv från medicinska undersökningar
0,2 mSv från den egna kroppen
Till detta kommer den största ”naturliga”
strålkällan, nämligen bostaden vi bor i.
Den varierar, men i genomsnitt tar vi alla
emot en total dos på 3 mSv per år.
16. Vissa yrkesgrupper får ännu
högre naturliga doser. Piloter
och andra som vistas mycket på
så höga höjder får ytterligare
cirka 5 mSv per år.
Stråldoser mäts med dosimeter.
Det finns olika slags, men en
vanlig variant är filmdosimetern.
Den består helt enkelt av en film
som man låter framkalla efter en
viss tid. Av svärtan på filmen kan
man avgöra hur pass stor
stråldos som tagits emot.
17. Radonhus
Berggrunden innehåller den radioaktiva gasen radon (Rn) som stiger upp
till markytan. Utomhus späds den snabbt ut och blir tämligen ofarlig, men i
ett hus kan koncentrationen bli stor. I vissa hus, så kallade radonhus, kan
koncentrationen bli så stor att de är ohälsosamma att bo i.
Den största risken för höga radonhalter finns i hus som:
har otät bottenplatta
står på mark som lätt släpper
genom gaser, t.ex grusbackar
Radon är en alfastrålare som sönderfaller
till radioaktiva radondöttrar, vilka också är
alfastrålare. Det är radondöttrarna som är
skadliga eftersom de lätt fastnar på
dammpartiklar i luften som man sedan får
ner i lungorna.
står på uranhaltig berggrund
är byggt av radonhaltigt
material, t.ex blåbetong
18. Användning av radioaktiva ämnen
Radioaktiva isotoper används framför allt inom sjukvården. Ett exempel är
den radioaktiva isotopen jod-131 som kan användas för att undersöka
sköldkörteln.
Bild av sköldkörtel. De olika
färgerna anger hur mycket jod-131
som tagits upp av sköldkörteln, de
gula mest och de blå minst.
Jod tas upp av sköldkörteln och genom att spruta in i liten mängd jod-131
kan man få denna radioaktiva isotop att samlas i sköldkörteln. Mäter man
sedan strålningen från isotopen kan man få ett slags bild av hur
sköldkörteln ser ut.
19. PET-kameran fungerar efter denna
princip. De radioaktiva isotoperna
sprutas t.ex in i patientens
blodomlopp och samlas i olika organ.
Kameran registrerar sedan
strålningen från de radioaktiva
isotoperna och med hjälp av datorer
kan man sedan skapa en bild av det
undersökta organet.
PET = positionemissions tomografi
PET-kameran kan till exempel mäta hjärnaktiviteten.
Radioaktiva isotoper kan användas
på flera andra sätt bland annat för att
spåra oljeutsläpp. Genom att mäta
oljelasten på fartyg med viss
kombination av isotoper kan man ta
reda på vilket fartyg som har släppt ut
oljan.
20. I början av 1900-talet visade den
berömde fysikern Albert Einstein
(1879–1955) att materia kan
omvandlas till energi enligt formeln
Materia blir energi
E = m · c2
där E är energin, m är massan hos
materian och c är ljushastigheten.
21. Nu kan inte vilken massa som helst omvandlas till materia och det var först när
man lyckades klyva atomkärnor som Einsteins formel kunde bekräftas genom
experiment. Processen som kallas fission går till så här:
1) En neutron fångas in av en kärna av uran-235 (U-235).
Neutron
22. 2) Kärnan blir instabil, den börjar vibrera och svängningarna blir så kraftiga att den…
23. 3) …delar sig i två mindre
atomkärnor, klyvnings-
produkter, samt 2 eller
3 neutroner.
Både klyvningsprodukterna
och neutronerna får hög fart
och därmed hög
rörelseenergi.
Neutron
Neutron
Neutron
24. Processen ger mer energi än vad som fanns från början,
vilket strider mot energilagen. Men partiklarnas sammanlagda massa
är mindre efter klyvningen än före – det är massa som omvandlas till
energi!
Fissionsenergin har använts i militära sammanhang för att
konstruera så kallade atombomber med förödande verkningar.
För fredliga ändamål använder man fissionsenergin i kärnkraftverk.
25. I ett kärnenergiverk utnyttjas rörelseenergin hos klyvningsprodukterna.
Bränslet är en blandning av isotoperna U-235 och U-238, men det är bara
U-235 som kan klyvas. För klyvningen behövs långsamma neutroner,
snabba neutroner fångas in av U-238 men ger ingen klyvning.
Reaktortank
Bränslestav
Styrstav
Vatten
Turbin
Generator
Kylare
Pump
26. När man väl delat en U-235 kärna bromsas klyvningsprodukterna och
neutronerna upp av vatten som finns runt bränslestavarna. Vid inbroms-ningen
uppstår friktionsvärme som värmer upp vattnet.
Någon av de snabba neutronerna fångas upp av styrstavar som finns mellan
bränslestavarna, men någon neutron bromsas in och blir en långsam neutron.
Denna långsamma neutron kan fångas in av en ny U-235-kärna och sätta igång
en ny kärnklyvning. På så sätt kan man få igång en kedjereaktion.
Snabb neutron
Klyvningsprodukt
Snabb neutron
Klyvningsprodukt
Långsam neutron
BRÄNSLESTAV VATTEN STYRSTAV
27. I kärnkraftverken skapas ett farligt
radioaktivt avfall med lång halveringstid.
Avfallet måste därför förvaras säkert
under lång tid.
Ett kärnkraftshaveri i Tjernobyl i
Ryssland år 1986 skapade radioaktiva
luftmassor som bland annat förorenade
stora delar av Sverige.
Risker med kärnenergi
28. Att klyva atomkärnor genom fission är alltså ett sätt att utvinna
energi. Det går också att slå samman atomkärnor för att frigöra
energi. Processen som kallas fusion gör att solen och de andra
stjärnorna strålar ut energi.
I stjärnorna slås väteisotoperna deuterium H-2 och tritium H-3
samman och bildar helium He-4:
Fusion
Om vi kunde utnyttja fusionsprocesser här på jorden skulle vi få
nästan obegränsad tillgång på energi. I havsvatten finns nämligen
små mängder H-2 och detta kan vi använda som bränsle! Ur 1 liter
vatten skulle vi få lika mycket energi som i 300 liter bensin!
H-2 + H-3 He-4 + neutron + energi
29. Forskare i flera länder har också
försökt få igång fusionsprocesser.
Men ännu har man inte lyckats
utvinna någon fusionsenergi.
De tekniska problemen är nämligen
mycket stora eftersom processen
bland annat kräver en temperatur
på miljontals grader för att komma
igång.
Här är en försöksanläggning för
fusionsenergi. Gigantiska elektro-
magneter används för att skapa de
kraftiga magnetfält som krävs.
Det finns inget material som tål
denna temperatur utan man måste
använda kraftiga magnetfält för att
skapa ”väggar” som innesluter
reaktionsprodukterna.
31. Kärnan i en atom består av positivt
laddade protoner och oladdade
neutroner. Alla kärnor i ett
grundämne har lika många protoner,
medan antal neutroner kan variera,
vilket ger olika isotoper av ett
grundämne.
Sammanfattning
Vid alfasönderfallet sänds det ut en
heliumkärna, alfapartikel, och vid
betasönderfallet sänds det ut en
elektron, en betapartikel.
En del isotoper är instabila, det vill
säga deras kärnor faller sönder, och
vid sönderfallet utsänds radioaktiv
strålning.
I samband med sönderfallet sänds
det också ut gammastrålning, det vill
säga mycket energirik elektro-
magnetisk strålning.
32. Alfastrålning stoppas av papper och
betastrålning av en tunn
aluminiumplåt, men mot
gammastrålning behövs ett tjockt
lager bly eller betong.
Radioaktivitet mäts med en Geiger-
Müller-detektor (GM) som registrerar
antalet sönderfall under en viss tid.
Enheten är 1 becquerel (1Bq)
= 1 sönderfall/s
Radioaktiva isotoper har olika
halveringstid. Halveringstiden är den
tid som behövs för att hälften av
kärnorna ska hinna falla sönder.
Detta används för ålders-
bestämningar.
Exempel är kol 14-metoden där
halten av isotopen C-14 i en
fornlämning kan ange dess ålder.
Radioaktiva isotoper används i
många sammanhang, och är
speciellt vanliga inom medicinen.
Sammanfattning
33. Radioaktiv strålning är farlig om
strålningsdosen är hög. Från
berggrunden, rymden, medicinsk
undersökning, byggnader och från
den egna kroppen får vi alla en
naturlig strålning på några millisievert
per år (mSv/år).
I ett kärnkraftverk utnyttjar man att
det bildas energi av materia enligt
sambandet: E = m · c2
.
Personer som bor i så kallade
radonhus kan få betydligt större dos,
liksom personer som arbetar i en
miljö med större mängd strålning.
Stråldos mäts med dosimeter.
Vid processen som kallas fission
delas en kärna av U-235 i två mindre
kärnor om den träffas av en långsam
neutron.
I stjärnorna omvandlas också
materia till energi genom fusion då
kärnor av H-2 och H-3 slås samman
till en He-4-kärna./
Sammanfattning
