16.1 – Naturlig radioaktivitet

De fleste naturligt forekommende grundstoffer op til atomnummer 19, har stabile kerner. Grundstoffer med atomnummer 20 eller højere, har normalt en eller flere isotoper som har ustabile kerner, i hvilke kernekræfterne ikke kan overkomme frastødningen mellem protonerne. En ustabil kerne er radioaktiv hvilket betyder, at den spontant udsender små partikler af energi, kaldet stråling, for at blive mere stabil. Stråling kan have form som alfa (α) og beta (β) partikler, positroner (β⁺), eller ren energi som gamma (γ) stråler. Et grundstofs isotop, som udsender stråling, kaldes en radioisotop. For de fleste typer stråling, sker der en ændring i antallet af protoner i kernen hvilket betyder, at atomet konverteres til et atom for et andet grundstof. Denne type af kernemæssig ændring, var ikke åbenbar for kemikeren John Dalton (1766-1844), da han lavede sine forudsigelser om atomet. Grundstoffer med atomnummer 93 og højere, fremstilles kunstigt i kernefysiklaboratorier, og de består udelukkende af radioaktive isotoper.

Atomsymbolet for de forskellige isotoper, skrives med massetallet i øverste venstre hjørne, og atomnummeret i nederste venstre hjørne. Massetallet er summen af protoner og neutroner i kernen, og atomnummeret er lig med antallet af protoner. For eksempel anvendes en radioaktiv isotop af iod med massetallet 131 og atomnummer 53, til diagnosticering og behandling af forskellige sygdomme i skjoldbruskkirtlen.

Radioaktive isotoper identificeres, ved at skrive massetallet efter grundstoffets navn eller symbol. I dette eksempel, kaldes isotopen derfor iod-131, eller I-131. Tabel 16.1 sammenligner nogle stabile, ikke-radioaktive isotoper, med nogle radioaktive isotoper.

Typer af stråling

Ved at udsende stråling, danner en ustabil kerne, en mere stabil kerne med et lavere energiniveau. En type af stråling, består af alfapartikler. En alfapartikel, er identisk med en heliumkerne (He), der indeholder 2 protoner og 2 neutroner. En alfapartikel har massetallet 4, et atomnummer på 2 og en elektrisk ladning på 2+. Symbolet for en alfapartikel, er det græske bogstav alpha (α), eller symbolet for en heliumkerne hvor 2+ ladningen udelades.

En anden type stråling forekommer, når en radioisotop udsender en betapartikel. En betapartikel, som er en højenergielektron, har en ladning på 1-, og fordi dens masse er så meget mindre end massen på en proton, har den massetallet 0. Betapartikler repræsenteres med det græske bogstav beta (β), eller symbolet for en elektron inklusiv massetallet og ladningen, (). En betapartikel dannes, når en neutron i en ustabil kerne, omdannes til en proton.

En positron, er det samme som en betapartikel som har en positiv (+1) ladning, og med et massetal på 0. Den repræsenteres af det græske bogstav beta med en 1+ ladning, β⁺, eller med symbolet for en elektron, der inkluderer massetallet og ladningen, . En positron dannes af en ustabil kerne, når en proton omdannes til en neutron og en positron.

En positron er et eksempel på antistof, et udtryk som fysikerne bruger, til at beskrive en partikel der er nøjagtig modsat, af en anden partikel, i dette tilfælde en elektron. Når en elektron og en positron kolliderer, omdannes deres beskedne masse fuldstændig til energi i form af gammastråler.

$e_{–1}^0+e_{+1}^0\to 2\mathrm{\gamma }_0^0$

Gammastråler, er højenergisk stråling, der frigives når ustabile kerner undergår en omarrangering af deres partikler, for at give en mere stabil kerne, med et lavere energiniveau. Gammastråler udsendes ofte sammen med andre typer af stråling. Gammastråler repræsenteres af det græske bogstav gamma (γ). Fordi gammastråler er ren energi, bruges nuller til at vise, at gammastråler ikke har nogen masse eller ladning.

Tabel 16.2 opsummerer de typer af stråling, som vi vil bruge i kerneligninger.

Konceptforståelse 16.1

Strålingspartikler Angiv og skriv symbolet for hver af de følgende typer af stråling: a. indeholder to protoner og to neutroner b. har et massetal på 0 og en ladning på 1- Svar a. En alfapartikel (α), , har to protoner og to neutroner. b. En betapartikel (β), , er lig med en elektron med massetallet 0 og en ladning på 1-.

Strålings biologiske effekter

Når stråling rammer molekyler på dens vej, kan elektroner blive slået væk, og danne ustabile ioner. Hvis denne ioniserende stråling passerer gennem menneskekroppen, kan den interagerer med vandmolekyler, slå en elektron væk, og danne H₂O⁺, som kan deltage i uønskede kemiske reaktioner.

De celler der er mest følsomme over for stråling, er de celler der undergår en hurtig deling – de celler i knoglemarven, huden, de reproduktive organer, foringen i tarmen, så vel som børn i voksealderen. Skadede celler, kan miste deres evne til at danne nødvendige materialer. For eksempel hvis stråling skader cellerne i knoglemarven, kan produktionen af røde blodlegemer gå i stå. Hvis sædceller, celler i æggestokkene, eller et foster beskadiges, kan det resultere i fødselsdefekter. I modsætning til dette, er cellerne i nerverne, musklerne, leveren, og udvoksede knogler, langt mindre følsomme over for stråling, fordi de undergår en langsom, eller slet ingen celledeling.

Kræftceller er et andet eksempel på hurtigt delende celler. Fordi kræftceller er meget følsomme over for stråling, bruges store doser af stråling, til at ødelægge dem. De normale celler der omgiver kræftceller, deler sig med en langsommere hastighed, og lider derfor mindre skade fra strålingen. Stråling kan imidlertid forårsage ondartede svulster, leukæmi, anæmi, og genetiske mutationer.

Beskyttelse mod stråling

Radiologer, kemikere, doktorer, og sygeplejersker som arbejder med radioaktive isotoper, skal anvende korrekt beskyttelse imod strålingen. Korrekt afskærmning er nødvendig, for at undgå eksponering. Alfapartikler, der har den største masse og ladning af strålingspartiklerne, kan kun rejse få centimeter i luften før de kolliderer med luftmolekyler, optager elektroner, og bliver til heliumatomer. Et stykke papir, et lag tøj, og vores hud, beskytter imod alfapartikler. Laboratoriekitler og handsker, vil også yde tilstrækkelig beskyttelse. Hvis alfaudstrålende stoffer derimod indtages eller indåndes, kan alfapartiklerne de udsender, forårsage alvorlige indvendige skader.

Betapartikler har en meget lille masse, og de bevæger sig langt hurtigere og længere end alfapartikler, og de kan bevæge sig adskillige meter gennem luften. De kan passerer gennem papir, og kan trænge så langt som 4-5 mm ind i kropsvæv. Udefrakommende betapartikler, kan forårsage forbrændinger i hudens overflade, men de kan ikke bevæge sig langt nok ind i kroppen, til at forårsage skader på de indre organer. Tyk beklædning, som for eksempel tykke laboratoriekitler og tykke handsker, er nødvendigt for at beskytte huden imod betapartikler.

Gammastråler bevæger sig over store afstande gennem luften, og de kan passere igennem mange materialer, inklusiv kropsvæv. Fordi gammastråler trænger så dybt ind i kroppen, er bestråling med gammastråler særdeles farligt. Kun meget tyk afskærmning, som for eksempel bly eller beton, vil standse gammastrålerne. Injektionssprøjter der anvendes til indsprøjtning af radioaktive materialer, bruger afskærmning lavet af bly, eller andre tunge materialer, som for eksempel tungsten og sammensatte plastmaterialer.

Når man arbejder med radioaktive materialer, bærer sundhedspersonale beskyttende tøj og handsker, og de står bag et skjold (se figur 16.1). Lange tænger kan anvendes, til at samle ampuller med radioaktivt materiale op, og holder dem dermed væk fra hænderne og kroppen. Tabel 16.3 opsummerer afskærmningsmaterialer som er nødvendige, til de forskellige typer af stråling.

Hvis du arbejder i et miljø hvor radioaktive materialer er til stede, som for eksempel et nuklearmedicinsk laboratorie, så begræns den tid du bruger i et radioaktivt område, til den mindst mulige tid. Hvis du bliver dobbelt så længe i et radioaktivt område, udsættes du for dobbelt så stor en dosis stråling.

Hold afstand! Jo større afstand du har til den radioaktive kilde, desto lavere er intensiteten af den stråling du udsættes for. Ved at fordoble din afstand fra strålingskilden, falder intensiteten af strålingen til , eller en fjerdedel af dens hidtidige intensitet.

Opgaveeksempel 16.1

Strålingsbeskyttelse Hvordan adskiller den afskærmning der anvendes ved alfastråling, sig fra den afskærmning der anvendes ved gammastråling? Løsning Alfastråling bliver blokeret af papir og tøj. Der skal imidlertid anvendes bly eller beton, for at blokere gammastråling.

16.2 – Nukleare reaktioner →