Radioaktivitet: alfa, beta og gamma stråling forklaret

Radioaktivitet lyder som noget, der kun hører hjemme på atomkraftværker og i katastrofefilm. Alligevel er en banan svagt radioaktiv. Den indeholder kalium, og en lille del af det kalium er den ustabile isotop kalium 40, der henfalder, mens du står og skræller den. Det samme gælder dig selv, murstenene i din skole og jorden under dine fødder.

Det svære i fysik er ikke at forstå, at nogle atomer udsender stråling. Det svære er at holde styr på alfa, beta og gamma, på hvad der sker med kernen bagefter, og på hvorfor halveringstiden pludselig dukker op midt i en opgave. Her tager vi det i rækkefølge, og du får regneeksempler, du kan følge med i på papir.

Hvad er radioaktivitet?

Forestil dig en bold, der balancerer på toppen af en bakke. Den ligger stille, men ét lille skub er nok til, at den ruller ned i dalen og bliver liggende. Nogle atomkerner er som den bold. De er sat sammen på en måde, der ikke kan holde for evigt, og på et tidspunkt omdannes kernen til noget mere stabilt og afgiver energi som stråling undervejs.

Ifølge Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet er radioaktivitet en egenskab ved visse grundstofkerner. De er ustabile, udsender stråling og når ofte et stabilt energiniveau gennem flere kerneomdannelser i træk. Der er også en pointe, som mange overser: du kan aldrig forudsige, hvornår en enkelt kerne henfalder. Som den danske Wikipedia udtrykker det, kan man kun sige noget om sandsynligheden for, at kernen henfalder inden for et givet tidsrum. Henfaldet er en tilfældig proces, men når der er milliarder af kerner, bliver tilfældigheden til faste regler.

Henri Becquerel opdagede fænomenet i 1896, da han så, at uranholdige mineraler sendte gennemtrængende stråling ud uden at blive tilført energi. To år senere isolerede Marie og Pierre Curie to nye radioaktive grundstoffer, polonium og radium. Siden da har radioaktivitet både givet os kernekraft, PET scanninger og aldersbestemmelse af oldtidsfund.

Hvorfor er nogle atomkerner ustabile?

Kulstof findes i to udgaver, som ser helt ens ud udefra. Kulstof 12 har 6 protoner og 6 neutroner og forbliver, som det er, i al evighed. Kulstof 14 har også 6 protoner, men 8 neutroner, og det er en radioaktiv isotop. Antallet af protoner bestemmer grundstoffet. Antallet af neutroner bestemmer, om kernen holder.

Protonerne i en kerne er alle positivt ladede og skubber hinanden væk. Neutronerne virker som en slags lim, der hjælper kernen med at hænge sammen. Er forholdet mellem protoner og neutroner skævt, eller er kernen simpelthen for stor, taber limen, og kernen skal af med noget for at finde ro. Derfor er næsten alle meget tunge grundstoffer, som uran og radium, radioaktive. For at skrive en kerne korrekt bruger du massetallet \( A \), som er antallet af nukleoner, og atomnummeret \( Z \), som er antallet af protoner.

Alfastråling: en hel heliumkerne på flugt

Uran 238 har 92 protoner og 146 neutroner. Det er en gigantisk kerne, og den slipper af med et stort stykke ad gangen: to protoner og to neutroner, der sidder tæt sammen som en heliumkerne. Det stykke er alfapartiklen. Tilbage er en kerne med 90 protoner, og det er ikke længere uran, men thorium.

Se på tallene i reaktionen. Øverst står massetallene: 238 til venstre, 234 plus 4 til højre. Nederst står atomnumrene: 92 til venstre, 90 plus 2 til højre. Begge sider går op, og det er dit tjek, hver gang du opskriver et henfald. Ved alfahenfald falder massetallet med 4, og atomnummeret falder med 2.

Alfapartiklen er stor og tung, så den vekselvirker kraftigt med alt på sin vej. Den når kun få centimeter i luft og stoppes af et stykke papir eller de yderste hudlag. Det lyder ufarligt, og udefra er det også stort set sandt. Problemet opstår, hvis et alfaradioaktivt stof kommer ind i kroppen, for så sidder det tæt på levende celler og afleverer hele sin energi dér.

Radon er et godt eksempel fra virkeligheden. Det er en luftart, der selv udsender alfastråling. Udefra er alfa harmløs, men hvis du indånder radon over mange år, sidder alfakilden inde i lungerne. Derfor betyder strålingstypen noget andet end bare strålingens styrke.

Betastråling: når en neutron skifter identitet

Alfa er et stykke, der bliver sparket ud af kernen. Beta er noget helt andet: kernen bliver ikke mindre, den bliver omdannet indefra. En neutron skifter til en proton og sender en elektron ud i samme øjeblik. Elektronen var ikke i kernen på forhånd, den opstår i omdannelsen, og det er den, du kalder betastråling.

Kulstof 14 er det klassiske eksempel. Kernen har 8 neutroner og 6 protoner, og en af neutronerne bliver til en proton. Nu er der 7 protoner og 7 neutroner, og så er grundstoffet ikke længere kulstof, men kvælstof. Massetallet er stadig 14, for en neutron er blevet til en proton, og antallet af nukleoner er det samme.

Betapartiklen er langt lettere end alfa og når derfor længere. Ifølge Niels Bohr Institutets gennemgang af radioaktivitet kan de mest energirige betapartikler nå mere end 10 meter i luft og trænge fra en tiendedel til 50 millimeter ind i væv. Det betyder, at mange af dem kommer gennem huden. Der findes også en spejlvendt udgave, hvor en proton bliver til en neutron og udsender en positron, men i skolen arbejder du næsten altid med den almindelige variant.

Gammastråling: overskudsenergi uden ny kerne

Hvad sker der med en kerne, der lige har udsendt en alfa eller beta partikel? Den er ofte ikke helt faldet til ro. Nukleonerne sidder ikke i den mest økonomiske stilling, og kernen har et energioverskud. Den bliver af med overskuddet ved at sende en foton af sted, og den foton er gammastråling.

Stjernen på kernen markerer, at den er exciteret, altså har for meget energi. Efter gammaudsendelsen er massetal og atomnummer præcis de samme som før. Der er ikke noget nyt grundstof, kun en kerne med mindre energi. Gammastråling er elektromagnetisk stråling med kortere bølgelængde end røntgenstråling, som den danske Wikipedia noterer, og den hører til den mest energirige ende af det elektromagnetiske spektrum. Hvis du vil forstå, hvordan lys, radiobølger og gammastråling hænger sammen, kan du læse om det i vores guide til elektromagnetisme.

Gammastråling bliver aldrig stoppet helt. Den bliver svækket, jo mere materiale den passerer, og svækkelsen følger samme slags kurve som henfald over tid. Hver gang strålingen passerer en bestemt tykkelse bly, halveres intensiteten. Den tykkelse kaldes halveringstykkelsen. Har et blylag halveringstykkelse 1 centimeter, slipper der stadig en ottendedel igennem efter 3 centimeter. Hvis du laver et forsøg i fysiktimen med en geigertæller og forskellige blyplader, er det netop den kurve, du måler.

Alfa, beta og gamma sammenlignet: hvad stopper hvad?

Til eksamen bliver du ofte bedt om at vælge afskærmning til en bestemt kilde. Tænk i størrelse og ladning: jo tungere og mere ladet en partikel er, desto hurtigere bliver den bremset. Alfa er tung og ladet og stopper straks. Beta er let og ladet og kommer videre. Gamma har hverken masse eller ladning og går næsten overalt, medmindre materialet er tæt.

Radioaktivt henfald og halveringstid

Du har 800 radioaktive kerner af et stof, og halveringstiden er 10 minutter. Efter 10 minutter er der 400 tilbage. Efter 20 minutter er der 200. Efter 30 minutter er der 100. Du kan ikke pege på de kerner, der er væk, og du kan ikke sige, hvilken kerne der går som den næste. Du kan kun sige, hvor mange der er tilbage i gennemsnit.

Det er netop, hvad halveringstiden \( T_{1/2} \) udtrykker: den tid, det tager, før halvdelen af kernerne er henfaldet. Den er fast for hver isotop og kan variere fra brøkdele af et sekund til milliarder af år. Vi har lavet en hel guide til halveringstid og henfaldsloven, hvis du vil have alle beregningerne, men her er kernen i det.

Kurven falder først hurtigt og derefter stadig langsommere. Den rammer aldrig nul, den kryber bare tættere og tættere på. Du måler, hvor aktivt et stof er, i becquerel (Bq). Én becquerel er ét henfald i sekundet. Et stof med kort halveringstid har flere henfald pr. sekund end samme mængde af et stof med lang halveringstid, og det er derfor, kort halveringstid betyder høj aktivitet.

Sidder du stadig fast, er det helt normalt. En certificeret fysiktutor kan gennemgå henfaldsskemaer og halveringstid sammen med dig, i dit tempo. Første prøvetime koster 99 kr., og der er ingen binding.

Hvor bruger vi radioaktivitet i praksis?

Arkæologer graver et stykke træ op af en gammel grav og vil vide, hvor gammelt det er. Træet har ingen dato på sig, men det har kulstof 14. Levende planter og dyr optager hele tiden lidt radioaktivt kulstof fra omgivelserne. Når de dør, stopper optaget, og kulstof 14 begynder at forsvinde med en halveringstid på cirka 5.730 år. Er der kun en fjerdedel tilbage i træet, er der gået to halveringstider, altså omkring 11.460 år. Det er hele ideen bag kulstof 14 datering, og den er ren henfaldslov.

På hospitalerne bruger man den modsatte logik. Ved PET scanninger får patienten et radioaktivt sporstof med en kort halveringstid, så stoffet er næsten væk fra kroppen igen efter få timer, men stadig lyser nok til, at kameraet kan se det. Gammastråling bruges også til at sterilisere medicinsk udstyr, der ikke kan tåle varme. Selv derhjemme er radioaktivitet tæt på: mange røgalarmer indeholder en lille radioaktiv kilde, og derfor skal de afleveres rigtigt på genbrugspladsen, som Niels Bohr Institutet også gør opmærksom på.

Kernekraft er en nær slægtning, men ikke det samme. På et kernekraftværk spalter man tunge kerner, så de deler sig i to mindre dele og afgiver store mængder energi. Det kaldes fission. Radioaktivt henfald sker derimod af sig selv og kan hverken fremskyndes eller bremses.

Ioniserende stråling og baggrundsstråling

Når du flyver til Tokyo, får du en lille ekstra stråledosis. Når du bor på Bornholm, får du lidt mere end i resten af landet, fordi klipperne indeholder mere uran og thorium. Og når du får taget et røntgenbillede hos tandlægen, får du en ganske lille dosis. Alle tre situationer handler om ioniserende stråling, altså stråling med så meget energi, at den kan slå elektroner af atomer og danne ioner. Det er den egenskab, der gør, at store doser kan beskadige cellers DNA.

Stråledosis måles i sievert, og i hverdagen bruger man millisievert (mSv). Sundhedsstyrelsens oversigt over stråledoser viser, at den gennemsnitlige dansker modtager omkring 4 mSv om året, og at cirka en fjerdedel af det er menneskeskabt. Resten er naturlig baggrundsstråling fra rummet, fra undergrunden og fra den mad, vi spiser. En enkelt tandlægerøntgen giver 0,001 til 0,01 mSv, mens en CT scanning af hele kroppen giver over 10 mSv. Lex om baggrundsstråling tilføjer, at der ikke er evidens for skadevirkninger ved de typiske niveauer af baggrundsstråling i Danmark.

Det største enkeltbidrag til baggrundsstrålingen i Danmark er radon, en radioaktiv luftart, der siver op fra undergrunden og ind i kældre og stuer. Det er også derfor, man lufter ud. Kernefysik er et af de emner i fysik, hvor tal som mSv og Bq bliver nemmere, når du ser dem brugt på noget konkret.

Sådan opstiller du et henfaldsskema

Opgaver om henfald ser ud, som om de kræver en masse viden. I virkeligheden kræver de en fast fremgangsmåde og et periodisk system ved siden af. Går tallene op på begge sider af pilen, har du gjort det rigtigt.

1. 1

   Skriv moderkernen op

   Notér massetal og atomnummer, fx thorium 232 med atomnummer 90.

2. 2

   Find strålingstypen

   Opgaven oplyser alfa, beta eller gamma. Ellers kan du slutte det af moder og datterkernens tal.

3. 3

   Regn massetal og atomnummer ud for datterkernen

   Alfa: massetal minus 4 og atomnummer minus 2. Beta minus: massetal uændret og atomnummer plus 1. Gamma: ingen ændring.

4. 4

   Slå grundstoffet op

   Atomnummeret afgør grundstoffet. Brug det periodiske system.

5. 5

   Tjek, at summerne passer

   Massetal og atomnumre skal give det samme før og efter pilen.

Henfaldsrækker: når datterkernen også er ustabil

Eksemplet med thorium 232 endte i actinium 228, men historien stopper ikke dér. Actinium 228 er selv radioaktiv og henfalder videre. Sådan fortsætter det i en kæde af alfa og betahenfald, indtil kernen til sidst lander på et stabilt grundstof. Kæden kaldes en henfaldsrække. Uran 238 starter en af de længste, og den ender som bly. Første led har en halveringstid på omkring 4,5 milliarder år, omtrent Jordens alder, og derfor findes der stadig uran i undergrunden.

Henfaldsrækken forklarer også, hvorfor radon dukker op i kældre. Radon er et af mellemleddene i rækken fra uran og radium i undergrunden. Det er en luftart, så i modsætning til de faste stoffer omkring det kan det sive op gennem jorden og ind i huset. Her kan du bruge opskriften fra før: tag et led ad gangen, regn massetal og atomnummer ud, og slå grundstoffet op.

Typiske fejl

De fleste fejl i kernefysik handler ikke om matematik, men om at blande de tre strålingstyper sammen eller læse halveringstid forkert. Her er de fire, der koster flest point.

Ofte stillede spørgsmål om radioaktivitet