Radioaktivitet

Joniserande strålning är strålning som har förmågan att ”jonisera atomer”. Detta innebär att strålningen kan slå ut en eller flera elektroner från en atom och på så sätt skapa en jon. Denna typ av strålning uppkommer vid radioaktiva sönderfall.

Ett alfasönderfall sker genom att en instabil atomkärna skickar ut en så kallad alfapartikel, som består av två neutroner och två protoner. En alfapartikel är alltså en helium-4-kärna. 

Vid ett alfasönderfall emitteras två protoner och totalt fyra nukleoner. Det innebär att dotterkärnan alltid får ett atomnummer som är två längre än moderkärnan, vilket innebär att ett nytt grundämne bildas. Nukleontalet (masstalet) är alltid fyra lägre hos dotterkärnan än moderkärnan. Alfasönderfall är en kärnreaktion som allmänt kan skrivas på formen:

 $_Z^AX\to_{Z-2}^{A-4}Y+_2^4He$_Z^AX→_Z−2^A−4Y+₂⁴He 

Vi kan se att det totala antalet nukleoner är detsamma före kärnreaktionen (moderkärna) som efter (dotterkärna + alfapartikel).

För att förstå nästa typ av sönderfall behöver vi förklara begreppen antimateria och antipartiklar. Antimateria består av antipartiklar och är ”motsatsen” till den vanliga materien, som resten av vårt synliga universum består av. Det finns en antipartikel till varje ”vanlig” elementarpartikel. En antipartikel har samma massa som den ”vanliga” partikeln och lika stor elektrisk laddning, men med motsatt tecken. Tabellen nedan visar några exempel. 

Det finns två olika betasönderfall med tillhörande betastrålning: Negativt betasönderfall och positivt betasönderfall. Om vi bara säger ”betasönderfall” menas det negativa betasönderfallet, eftersom det är mycket vanligare. Det är detta som tas upp i videon.

Negativt betasönderfall och negativ betastrålning

Ett negativt betasönderfall sker genom att en neutron ( $n$n ) hos moderkärnan sönderfaller till en proton ( $p^+$p⁺ ), en elektron ( $e^-$e⁻ ) och en antineutrino ( $\overline{\nu}_e$ν_e ). Detta kan skrivas som: 

 $n\to p^++e^-+\overline{\nu}_e$n→p⁺+e⁻+ν_e 

En antineutrino är en partikel med en väldigt liten massa och utan elektrisk laddning. När vi jämför partiklarna före och efter sönderfallet ser vi att nukleontalet är oförändrat, men atomnumret (protonantalet) ökar med ett. Detta innebär att det bildas ett nytt grundämne (dotterkärna) med samma nukleontal och ett atomnummer som är ett högre jämfört med moderkärnan. Den joniserande strålningen kallas negativ betastrålning och utgörs av en elektron. I detta sammanhang kallas den även negativ betapartikel, och kan betecknas  $\beta^-$β⁻ .

Negativt betasönderfall är en kärnreaktion som allmänt kan skrivas på formen:

${}^{A}_{Z}X\to{}^{\phantom{Z+}A}_{Z+1}Y+e^-+\overline{\nu}_e$

Positivt betasönderfall och positiv betastrålning 

Ett positivt betasönderfall sker genom att en proton ( $p^+$p⁺ ) hos moderkärnan sönderfaller till en neutron ( $n$n ) , en positron (  $e^+$e⁺ ) och en neutrino ( $\text{ν}_e$ν_e ). Detta kan skrivas som: 

 $p^+\to n+e^++\text{ν}_e$p⁺→n+e⁺+ν_e 

En neutrino är en partikel med en väldigt liten massa och utan elektrisk laddning. När vi jämför partiklarna före och efter sönderfallet ser vi att nukleontalet är oförändrat, men atomnumret (protonantalet) minskar med ett. Detta innebär att det bildas ett nytt grundämne (dotterkärna) med samma nukleontal och ett atomnummer som är ett lägre jämfört med moderkärnan. Den joniserande strålningen kallas positiv betastrålning och utgörs av en positron. I detta sammanhang kallas den även positiv betapartikel, och kan betecknas  $\beta^+$β⁺ .

Positivt betasönderfall är en kärnreaktion som allmänt kan skrivas på formen:

${}^{A}_{Z}X\to{}^{\phantom{Z+}A}_{Z-1}Y+e^++{\nu}_e$

Gammastrålning skiljer sig från de andra två strålningstyperna, eftersom ingen materiepartikel emitteras. Gammastrålning innebär istället att elektromagnetiska ljusvågor med väldigt hög energi sänds ut från atomkärnan. Våglängden för denna strålning är långt bortom det synliga spektrumet för ljus, vilket gör att vi endast kan observera strålningen med hjälp av mätinstrument.

För att en atomkärna ska kunna emittera gammastrålning måste den vara i ett så kallat exciterat tillstånd. Precis som elektroner kan ha olika energinivåer genom att befinna sig på olika avstånd från atomkärnan kan en atomkärna befinna sig på olika energinivåer. En atomkärna som inte befinner sig i sitt lägsta energitillstånd kallas därför för en exciterad atomkärna.

En exciterad atomkärna brukar betecknas med en asterisk ( $\text{*}$* ), som i bilden nedan.

När gammastrålning emitteras ändras inte elementarpartiklarnas antal, och det bildas inte heller något nytt grundämne. Den allmänna formeln för gammastrålning är därför:

 $_Z^AX^{\text{*}}\to_Z^AX+\gamma$_Z^AX^*→_Z^AX+γ 

Det finns alltså inget eget ”gammasönderfall”, utan gammastrålning sänds ut när det finns överskottsenergi som atomen behöver bli av med. Gammastrålning förekommer också vid vissa alfa- och betasönderfall.

Alfastrålning är lätt att stoppa, det räcker med ett papper eller en tunn plåt. Vår hud är tillräckligt skydd mot alfastrålning, och därför är den inte farlig för oss, så länge den finns utanför kroppen. Däremot kan det vara livshotande om alfapartiklarna tar sig in i kroppen, t ex via inandning eller förtäring.

Betastrålning är svårare att stoppa, det krävs t ex en lite kraftigare plåt eller ett lager av bly. Betastrålning i alltför hög dos kan orsaka skador på kroppens celler och DNA, och leda till t ex cancer. I större mängder kan det ge livshotande skador.

Gammastrålningen är den mest svårstoppade strålningsformen av de tre typer som vi pratat om. För att bromsa gammastrålning behövs material med en hög densitet. Men även med material som bly krävs det ett flera centimeter tjockt lager för att stoppa merparten av strålningen. Betong och vatten kan också användas som skyddande barriär mot gammastrålning, men för kraftig gammastrålning krävs då ett flera meter tjockt lager. Det är i princip omöjligt att stoppa gammastrålning helt. Precis som alfa- och betastrålning kan gammastrålning skada kroppen på cellnivå och orsaka t ex cancer, och även mer akuta livshotande skador.