radioaktivitet

Alfastråling består av utsendelse av en alfapartikkel fra atomkjernen. Den er sammensatt av to protoner og to nøytroner som er bundet sammen. På grunn av de to protonene bærer den to positive enhetsladninger. Siden α-partikkelen er ekvivalent med en heliumkjerne med massetall A = 4 (antall protoner + antall nøytroner), betegnes den også ofte med ⁴He²⁺. Utsendelse av en α-partikkel fra atomkjernen kalles også α-desintegrasjon eller α-henfall.

Betastråling består av enten negativt ladete elektroner som også kalles negatroner og betegnes med β^-, eller av positivt ladete elektroner som også kalles positroner og betegnes med β⁺. Samtidig med β^--partikkelen sendes det ut et antinøytrino. Samtidig med β⁺-partikkelen sendes det ut et nøytrino. Betapartiklene og de respektive nøytrinoene deler den tilgjengelige desintegrasjonsenergien mellom seg. Betautsendelse fra atomkjernen kalles også β-desintegrasjon eller β-henfall.

Gammastråling (γ-stråling) er elektromagnetisk stråling, fotoner, som sendes ut fra atomkjernen (γ-desintegrasjon eller γ-henfall). Gammautsendelsen foregår som regel momentant etter alfa- eller betautsendelse der den nye kjernen (datterkjernen) dannes i en eksitert nukleær tilstand som har svært kort levetid (oftest i området nanosekunder til pikosekunder). I dette tilfellet sier man at alfastrålingen eller betastrålingen og gammastrålingen er koinsidente. Ved gammautsendelsen kvitter datterkjernen seg med eksitasjonsenergien (den deeksiterer) og ender opp i grunntilstanden som kan være stabil eller radioaktiv (avhengig av hvilken datternuklide man betrakter, se nuklidekartet og figur 3). I noen nuklider forekommer det at én eller flere eksiterte tilstander (nivåer) kan ha en endelig og målbar levetid (>10^-9 s). Dette kalles for en isomer tilstand. En slik isomer tilstand kan deeksitere til grunntilstanden i kjernen med en unik halveringstid ved utsendelse av gammastråling. En slik gammautsendelse kalles for internovergang (IT).

Ved alle radioaktive prosesser, bortsett fra ved utsendelse av gammastråling, foregår det en grunnstoffomdannelse fordi protontallet Z endrer seg (se figur 4). Dette kalles også for en transmutasjon. β^--desintegrasjon øker protontallet med 1 (et nøytron gjøres om til et proton), ved β⁺-desintegrasjon og elektroninnfangning avtar protontallet med 1 (et proton blir et nøytron) og ved a-desintegrasjon avtar protontallet med 2 og massetallet med 4. Den nukleære strålingen er ioniserende. Det vil si at den danner ioner i det mediet som strålingen trenger inn i eller gjennom.

Til radioaktivitet regnes også henfallsprosessene elektroninnfanging og spontan fisjon.

Ved elektroninnfanging blir et elektron fra et elektronskall (vanligvis K-skallet) fanget inn i kjernen, og det sendes ut K-røntgenstråler. 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 fisjonsfragmenter, og det sendes ut nøytroner og γ-stråling i fisjonsøyeblikket med etterfølgende β^--desintegrasjon og γ-utsendelse fra de to fragmentene. For noen fisjonsfragmenter hvor atomkjernen befinner seg i en høyt eksitert energitilstand etter β^--henfall, kan et nøytron sendes ut (betaforsinket nøytronutsendelse).

Som mål for aktiviteten til en radioaktiv kilde brukes antall desintegrasjoner per tidsenhet. SI-enheten for aktivitet, becquerel (Bq), er definert som én hendelse per sekund. Tidligere benyttet man enheten curie (Ci). En Ci = 3,7 · 10¹⁰ Bq. Denne enheten er delvis i bruk ennå. Én curie tilsvarer omtrent aktiviteten fra ett gram radium og var også opprinnelig definert slik.

Aktiviteten alene gir ikke et tilstrekkelig mål for strålingens virkning, for eksempel på et biologisk system. Man må også kjenne strålingstypene og energiene og intensitetene av de enkelte partikler som sendes ut, og i tillegg vite hvor effektivt strålingen absorberes i stoffet som blir eksponert. Da kan man definere den absorberte strålingsdose, det vil si ved den energimengden som absorberes per masseenhet av stoff som utsettes for strålingen.

Den absorberte dose angis i gray (Gy), 1 Gy = 1 joule absorbert energi per kilo. Fremdeles brukes dessuten enheten rad (= 0,01 Gy), og for røntgen- og γ-stråling brukes enheten røntgen (= 9 mGy).

Strålingens biologiske virkning, som angis ved ekvivalentdosen, avhenger foruten av den absorberte dosen også av doseraten (absorbert dose per tidsenhet), det vil si over hvor lang tid en gitt dose er akkumulert. Der er større effekt ved høy enn ved lav doserate selv om den akkumulerte dosen er den samme.

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 doseraten stiger. Fremdeles forekommer også den eldre enheten rem (1 rem = 0,01 Sv). I tillegg har enkelte organ i et biologisk system større følsomhet enn andre deler av systemet. Ved å ta hensyn til både denne organfølsomheten, absorbert dose og strålingens vektfaktor får man en effektiv dose.

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_t hvor

N_t = N₀·e^-λt

hvor λ er desintegrasjonskonstanten (e er grunntallet i det naturlige logaritmesystemet). Uttrykket kalles den radioaktive desintegrasjonslov. Middellivet eller den midlere levetid for nukliden er τ = 1/λ. Oftest angir man ikke middelliv for radionuklider, men halveringstid, T_½ = 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 antallet og så videre.

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, også kalt primordiale radionuklider, har så lang halveringstid at de fortsatt kan påvises etter å ha blitt dannet da vårt solsystem ble til for cirka 4,6 milliarder år siden. Man kjenner omkring 34 slike nuklider med halveringstider fra 7 · 10⁸ år (²³⁵U, uran) til 1,9 · 10²⁴ år (¹²⁸Te, tellur). Den letteste og en av de hyppigst forekommende er ⁴⁰K (kalium), som er β^–-radioaktiv, har en halveringstid, 1,28 · 10⁹ år og finnes i en mengde på 0,0117 prosent av all naturlig forekommende kalium. Se tabell over primordiale radionuklider, figur 7.

Ellers forbinder man 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. Disse tre radionuklidene gir opphavet til hver sine radioaktive serier med mange datternuklider i hver serie (se nedenfor). 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 kontinuerlig 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

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.

Eksempel: Radionukliden ²³⁸U omdannes etter utsendelse av totalt 8 α-partikler og 6 β-partikler til den stabile blyisotopen ²⁰⁶Pb (halveringstid i parentes), se figur 8:

²³⁸U (4,5·10⁹ y) → (α) ²³⁴Th (24,1 d) → (β^-) ²³⁴Pa (1,16 m) → (β^-) ²³⁴U (2,45·10⁵ y)→ (α ) ²³⁰Th (7,54·10⁴ y) → (α) ²²⁶Ra (1600 y) → (α) ²²²Rn (3,82 d) → (α) ²¹⁸Po (3,098 m) → (α) ²¹⁴Pb (26,8 m) → (β^-) ²¹⁴Bi (19,9 m) → (β^-) ²¹⁴Po (163,6 μs) → (α) ²¹⁰Pb (22,2 y) → (β^-) ²¹⁰Bi (5,012 d) → (β^-) ²¹⁰Po (138,38 d) → (α) ²⁰⁶Pb (stabil)

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

²³⁵U → (7α + 4β^-) ²⁰⁷Pb (stabil)

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:

²³⁷Np → (8α + 4β^-) ²⁰⁵Tl (stabil)

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 to 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, det vil si samme grunnstoff, opptre i alle seriene og også to ganger i samme serie, etter en α- og to følgende β-desintegrasjoner. Se også grunnstoffomdanning.

Kjemisk sett har en radionuklide samme egenskap som de stabile isotopene av samme grunnstoff. Dette benytter man seg av i tracer- eller sporingsstoff-teknikk. Man fører en passende mengde av radionukliden (traceren) inn i prosessen, og registrerer strålingen fra denne med en passende detektor for nukleær stråling. Man kan da finne hvordan og hvor hurtig stoffet som radionukliden tilhører, fordeler seg. Sporingsstoff-teknikken brukes blant annet i kjemisk industri, petroleumsindustri, miljø og resipientundersøkelser, biologi og medisin. Teknikken ble første gang brukt i 1913 der radionukliden ²¹⁰Pb ble anvendt.

De radioaktive stoffene kan være i form av ioner og uladede molekyler løst i ulike fluider eller innelukket i faste stoffer i bærerpartikler (for eksempel i partikler av nano- og mikrostørrelse eller i større partikler som sand og pellets).

Karbonisotopene ¹¹C (halveringstid 21 minutter) og ¹⁴C (halveringstid 5730 år) brukes for å undersøke biologiske prosesser og har blant annet gitt viktige opplysninger om fotosyntesen. Radionukliden ³²P brukes for å studere planters absorpsjon av næring fra jordbunnen og ved stoffskifteundersøkelser.

En viktig bruk av indusert eller kunstig radioaktivitet er ved såkalte aktiveringsanalyser. Prøven der grunnstoffinnholdet skal undersøkes, bestråles med nøytroner (termiske, epitermiske eller hurtige), protoner eller α-partikler (eller andre partikler med energier > 10 MeV). Det dannes radionuklider ved kjernereaksjoner. Disse radionuklidene kan identifiseres ved den strålingen de sender ut som er unik for hver enkelt radionuklide (kvalitativ analyse med høy følsomhet). For eksempel er gammaspekteret til en radionuklide å betrakte som nuklidens «fingeravtrykk». Intensiteten på strålingen gir grunnlag for bestemmelse av mengden av et bestemt grunnstoff (kvantitativ analyse).

Alle radionuklider (i praksis de mest langlivete) er «nukleære klokker». Derfor brukes radioaktivitet ved ulike former for datering, se aldersbestemmelse. Den kanskje mest kjente metoden er den såkalte ¹⁴C-metoden for aldersbestemmelse av alt materiale som inneholder karbon (C). Metoden har høyest følsomhet for aldre på 5000–6000 år, men kan brukes helt opptil 50 000 år.

En annen metode er den såkalte rubidium-strontium metoden. Denne bygger på at rubidium ⁸⁷Rb desintegrerer til strontium ⁸⁷Sr med en halveringstid på 47 milliarder år. Dette gir grunnlag for datering av geologisk materiale med alder på ti millioner år og eldre. Blant annet har jordas alder blitt bestemt til rundt 4,5 milliarder år med denne metoden. Informasjon om flere dateringsmetoder finnes i artikkelen geologisk datering.

I medisin brukes blant annet iodisotopene ¹²³I og ¹³¹I til undersøkelser av skjoldbruskkjertel og nyrer, technetium, ^99mTc, for undersøkelser av hjernen samt en hel del andre funksjoner, og gull, ¹⁹⁸Au, for undersøkelser av leveren. Dette blir oftest utført med den såkalte SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography)-teknikken som bruker et gammakamera som deteksjonsmetode. Radioaktive stoffer som ⁶⁰Co og ¹³⁷Cs i form av innkapslede strålingskilder brukes dessuten i behandling av kreftsvulster. I terapeutisk sammenheng brukes alfa-emittere som ²¹¹At, ²²⁵Ac og ²²³Ra (Xofigo) for kreftbehandlingsformål. Kortlivede nuklider som ¹¹C, ¹³N, ¹⁵O, ¹⁹F, ⁶⁸Ga og andre benyttes i den avbildningsteknikken som kalles positronemisjonstomografi (PET), for å kartlegge utbredelsen av svulster og metastaser, for å studere fysiologiske funksjoner med mer.

Ved bestråling av et stoff med for eksempel gammastråling, og i noen tilfeller partikkelstråling, kan man forandre stoffets fysiske, kjemiske eller biologiske egenskaper. Dette er anvendbart innenfor:

• materialteknologi: materialer kan gjøres hardere og mer korrosjonsbestandige
• kjemisk syntese: kan anvendes ved polymerisering uten tilsats av katalysatorer
• mattrygghet: stråling tar knekken på bakterier og fører til lenger holdbarhet på matvarer
• miljøteknologi: forurensende stoffer i utslippsstrømmer kan brytes ned

Kapslede radioaktive kilder kan brukes til gjennomlysning av materialer med stor tetthet ved såkalt gamma-radiografi. Dette er en meget utbredt metode i industrien for å studere kvaliteten på sveisesømmer. Ved bruk av litt mer avanserte og sofistikerte målemetoder, kan man også framskaffe romlige avbildninger (tomogrammer) av ulike objekter som krever stor gjennomtrengningsevne av den strålingen som brukes. Dette kalles gamma-tomografi. Denne metoden er basert på deteksjon av tetthetsforskjeller. I kombinasjon med nøytron-tomografi, som kun måler fordelingen av grunnstoffer med lav tetthet, kan man studere statiske og dynamiske prosesser som involverer væsker/fluider innelukket bak tykke stålvegger.