radioaktivitet

Det er karakteristisk for en radioaktiv kerne, at sandsynligheden for, at den henfalder inden for det næste tidsrum, er konstant, uafhængigt af hvordan kernen er dannet, hvor længe den har eksisteret, stoffets kemiske form samt tryk og temperatur. Denne sandsynlighed pr. tidsenhed kaldes henfaldskonstanten λ. Hvis der på et tidspunkt findes N radioaktive kerner, vil der derfor i det næste, korte tidsrum dt henfalde Nλdt kerner. Størrelsen Nλ, som er antallet af henfald pr. tidsenhed, kaldes aktiviteten. Den måles i becquerel (Bq, hvor 1 Bq er 1 henfald pr. sekund). En ældre enhed for aktivitet er curie (Ci, hvor 1 Ci = 3,7∙10¹⁰ Bq).

Når Nλdt kerner henfalder i tidsrummet dt, vil ændringen af tilbageværende radioaktive kerner i samme tidsrum være dN = −Nλdt. Ved integration af denne ligning fås henfaldsformlen som udtrykker, at antallet af radioaktive kerner aftager eksponentielt med tiden; N₀ er antallet af radioaktive kerner til tiden t = 0. For t = ln 2/λ ≈ 0,693/λ bliver eksponentialfunktionen i henfaldsformlen ¹/₂, og antallet af radioaktive kerner falder derfor til det halve i løbet af dette tidsrum, som kaldes halveringstiden.

En radioaktiv stofmængde (en kilde), der består af en langlivet moderkerne, der henfalder til en kortlivet datterkerne, siges at være i radioaktiv ligevægt, når der henfalder lige så mange datterkerner, som der produceres ved moderkernernes henfald i samme tidsrum. I ligevægtstilstanden er aktiviteterne af moder (N_mλ_m) og datter (N_dλ_d) således ens. Som følge heraf vil ligevægtsmængderne af moderkerner (N_m) og datterkerner (N_d) forholde sig til hinanden som halveringstiderne.

Hvis man vha. en kemisk adskillelsesproces fjerner dattergrundstoffet og dermed aktiviteten fra modergrundstoffet i en kilde, vil datteraktiviteten i kilden vokse, indtil der atter indtræder radioaktiv ligevægt.

Omkring 15 af de 90 grundstoffer, der forekommer naturligt på Jorden, indeholder primordial radioaktivitet, dvs. radioaktive isotoper, hvis halveringstider er så lange, at væsentlige mængder har kunnet overleve, siden de blev dannet, formentlig efter en supernovaeksplosion, og indgik i dannelsen af Solsystemet for 4,6 mia. år siden. De største bidrag til Jordens indhold af radioaktivitet kommer fra kaliumisotopen ⁴⁰K, thoriumisotopen ²³²Th samt de to uranisotoper ²³⁸U og ²³⁵U. Hertil kommer aktiviteten af en række kortlivede døtre i de tre radioaktive henfaldsserier, der begynder med hhv. ²³²Th (thoriumserien), ²³⁸U (uran-radium-serien) og ²³⁵U (aktiniumserien) og slutter med stabile blyisotoper, hhv. ²⁰⁸Pb, ²⁰⁶Pb og ²⁰⁷Pb. En fjerde serie, neptuniumserien, begynder med ²³⁷Np, men den har så kort halveringstid, at den ikke mere findes i naturen. Den samlede energiproduktion fra naturligt radioaktivt henfald er i dag ca. 1 mikrowatt/m³ i Jordens skorpe og ca. 0,02 mikrowatt/m³ i Jordens kappe.

Ved supernovaeksplosionen dannedes også relativt små mængder af andre radioaktive isotoper med meget kortere halveringstider, af størrelsesorden få millioner år, fx ²⁶Al, ⁵³Mn, ¹²⁹I og ²⁴⁴Pu. Disse kortlivede isotoper bidrog i de første millioner år af Jordens historie til den indre opvarmning og smeltning, der førte til adskillelsen i metalkerne og silikatkappe.

Hvis en uran- og thoriumholdig bjergart, fx granit, har været uforstyrret i tilstrækkelig lang tid (flere millioner år), vil der være indtrådt radioaktiv ligevægt i alle tre henfaldsserier. Jo ældre bjergarten er, desto mere af de tre stabile blyisotoper er der opstået, og desto mindre er der tilbage af moderen; bjergartens alder kan derfor bestemmes ved at måle mængdeforholdet mellem fx ²⁰⁶Pb og ²³⁸U. Ved forvitring af bjergarten forstyrres ligevægten; nogle af de radioaktive grundstoffer føres med floder til havene og ender i aflejringer (sedimenter) på havbunden, således fx ²³⁰Th (halveringstid 75.000 år) og ²¹⁰Pb (halveringstid 22 år). Sedimenters alder kan bestemmes ved at måle radioaktiviteten i profiler taget fra havbunden; til datering af dybhavssedimenter bruges ²³⁰Th, til kystnære sedimenter ²¹⁰Pb.

Grundstofferne K, Th og U findes i højeste koncentration i Jordens skorpe, men også i mineraler i Jordens indre. Deres radioaktivitet udgør den energikilde, der opretholder den høje temperatur i Jordens indre og derigennem er årsag til geologiske processer som vulkanisme, jordskælv, pladebevægelser og bjergkædedannelser.

Kalium findes i alle levende celler; et voksent menneske indeholder således ⁴⁰K i en mængde med en aktivitet på ca. 4000 Bq.

Jorden indeholder desuden mindre mængder kosmogen radioaktivitet, dvs. radioaktive isotoper med halveringstider på op til nogle få millioner år, der hele tiden produceres af den kosmiske stråling fra verdensrummet, når denne rammer atmosfæren. Eksempelvis er hydrogenisotopen tritium ³H, berylliumisotopen ¹⁰Be, carbonisotopen ¹⁴C, aluminiumisotopen ²⁶Al og siliciumisotopen ³²Si af kosmogen oprindelse.

Efter opfindelsen af partikelacceleratorer og fissionsreaktorer før og under 2. Verdenskrig blev det muligt at fremstille kunstig radioaktivitet i større mængder vha. kernereaktioner. Den første kunstigt fremstillede radioaktive isotop blev påvist af F. og I. Joliot-Curie i 1934. De bombarderede aluminiumfolie med alfapartikler fra en radioaktiv kilde og fik derved dannet den radioaktive fosforisotop ³⁰P.

Kendskabet til atomkernernes opbygning og egenskaber stammer for en stor del fra studiet af strålingen fra naturlige og især kunstigt fremstillede radioaktive kerner.

Radioaktive kerner kan henfalde på flere måder. Ved alfahenfald fraspalter moderkernen en heliumkerne (alfapartikel), der udsendes med en kinetisk energi på adskillige MeV, svarende til masseforskellen mellem kernerne i begyndelses- og sluttilstanden. Alfahenfald forekommer hos grundstoffer med højt atomnummer, fx thorium og uran. Betahenfald sker ved udsendelse af en elektron (beta-minus-henfald) eller en positron (beta-plus-henfald). Sammen med elektronen udsendes en antineutrino, og sammen med positronen en neutrino. En kerneomdannelse, hvor atomkernen indfanger en elektron fra atomets elektronskaller, foregår altid som et alternativ til positronudsendelse. Elektronindfangningen efterfølges af udsendelse af en neutrino og røntgenstråling. Gammahenfald er en overgang fra en højere til en lavere energitilstand i atomkernen; her sker således ingen grundstofomdannelse. Der udsendes enten elektromagnetisk stråling (gammastråling) eller en elektron fra en af atomets elektronskaller (intern konversion) ledsaget af røntgenstråling.

Ved spontan fission spaltes kernen i to nogenlunde lige store, oftest radioaktive fragmenter, der hver for sig henfalder ved beta-minus-henfald. Samtidig med spaltningen udsendes nogle få neutroner. Spontan fission forekommer hos de tungeste grundstoffer fra uran og opefter. Forsinket neutronudsendelse forekommer, når kernen efter et forudgående beta-minus-henfald efterlades i en tilstand, der kan fraspalte en neutron. Denne henfaldstype forekommer hos visse fissionsfragmenter og er af afgørende betydning for reguleringen af en fissionsreaktor.

Radioaktivitet har fundet en række praktiske anvendelser i videnskab og teknik. Geologisk datering benytter især primordial radioaktivitet som tidsmåler. Radioaktive isotoper er ideelle kronometre, fordi det radioaktive henfald som nævnt foregår fuldstændig upåvirket af de høje temperaturer og tryk, som bjergarter kan komme ud for. En analyse af bjergarters indhold af moder- og datteratomer kan tidsfæste bjergartens dannelse, fx størkningstidspunktet for en vulkansk bjergart. Arkæologiske fund kan tidsbestemmes med kulstof 14-datering.

Tracerteknik udnytter, at radioaktive og stabile isotoper af samme grundstof opfører sig kemisk set ens. Man kan således spore et grundstofs vej gennem kemiske reaktioner eller transportprocesser ved at mærke det med en lille mængde af en radioaktiv isotop af samme grundstof. Den stråling, der udsendes ved henfaldet, signalerer til en detektor, hvor stoffet befinder sig. Metoden finder udbredt anvendelse inden for kemi, biologi (se isotoper) og nuklearmedicin.

Et radioaktivt stof udgør en bekvem strålingskilde, der ikke kræver energitilførsel og næsten ingenting fylder. Det udnyttes i lægevidenskaben til kræftbehandling og diagnostik og i industrien fx til kontrol af svejsninger og til tykkelsesmåling. I kunstige satellitter benyttes plutonium som en særlig kompakt energikilde (se også isotopteknik).

Da strålingen fra radioaktive kerner har biologiske virkninger, kræver anvendelse af radioaktivitet særlige sikkerhedsforanstaltninger, især i form af afskærmning. Et problem ved drift af kernekraftreaktorer er de store mængder af langlivede radioaktive affaldsstoffer, der opstår som følge af fissionsprocessen såvel som ved indfangningen af neutroner i uran. Der pågår stadig overvejelser om, hvor disse affaldsstoffer bedst kan slutdeponeres, så de ikke forurener omgivelserne (se radioaktivt affald).

Radioaktiviteten blev opdaget i Paris i 1896 af H. Becquerel, der bemærkede, at krystaller af uransulfat udsendte stråling, der var så gennemtrængende, at den kunne sværte en indpakket fotografisk plade. Strålingens styrke, der let kunne måles, fordi strålerne gjorde luften elektrisk ledende, viste sig at være konstant i tiden og uafhængig af urans kemiske form og enhver fysisk påvirkning. Hvad der kunne være årsagen til denne afgivelse af stråling og energi, forblev en gåde. Marie Curie, der arbejdede videre med "uranstrålerne", gav fænomenet navnet radioaktivitet. Hun fandt i 1898, sammen med sin mand P. Curie, de nye, radioaktive grundstoffer polonium og radium.

E. Rutherford og F. Soddy indså i 1902, at radioaktivitet måtte være ensbetydende med en grundstofforvandling, hvilket betød et brud med den fremherskende opfattelse af grundstofferne som evige og uforgængelige. Deres forsøg viste endvidere, at et stofs radioaktivitet aftager eksponentielt med tiden (se henfaldsformlen ovenfor). Dette resultat førte senere til opfattelsen af den radioaktive henfaldsproces som en fuldstændig tilfældig (spontan) begivenhed, der sker uden nogen ydre årsag; en erkendelse, der rejste tvivl om årsagssætningens gyldighed.

En tilfredsstillende teoretisk forklaring på radioaktiviteten kom først efter udviklingen af kvantemekanikken i 1920'erne og den øgede forståelse af atomkernens opbygning i 1930'erne.

• forurening og de biologiske skadevirkninger forbundet med radioaktivitet.