Radioaktivitet är den process genom vilken instabila atomkärnor frigör energiska subatomära partiklar eller elektromagnetisk strålning (EMR). Detta fenomen kan göra att ett element förvandlas till ett annat och är delvis ansvarigt för värmen i jordens kärna. Radioaktivitet har ett brett användningsområde, inklusive kärnkraft, inom medicin och vid datering av organiska och geologiska prover. Det är också potentiellt farligt, eftersom högenergipartiklar och strålning kan skada och döda celler och förändra DNA, vilket kan orsaka cancer.
Radioaktivt avfall
Instabila atomkärnor sägs sönderfalla, vilket betyder att de förlorar en del av sin massa eller energi för att nå ett mer stabilt, lägre energitillstånd. Denna process ses oftast i de tyngre grundämnena, såsom uran. Inget av de grundämnen som är tyngre än bly har några stabila isotoper, men lättare grundämnen kan även finnas i instabila, radioaktiva former, som kol-14. Man tror att värme från sönderfallet av radioaktiva grundämnen upprätthåller den mycket höga temperaturen i jordens kärna och håller den i flytande tillstånd, vilket är väsentligt för upprätthållandet av magnetfältet som skyddar planeten från skadlig strålning.
Radioaktivt sönderfall är en slumpmässig process, vilket innebär att det är fysiskt omöjligt att förutsäga om en given atomkärna kommer att sönderfalla och avge strålning vid varje givet ögonblick. Istället kvantifieras den genom halveringstid, vilket är den tid det tar för hälften av ett givet prov av kärnor att sönderfalla. Halveringstid gäller för ett prov av vilken storlek som helst, från en mikroskopisk mängd till alla atomer av den typen i universum. Olika radioaktiva isotoper varierar kraftigt i sina halveringstider, som sträcker sig från några sekunder, i fallet med astatin-218, till miljarder år för uran-238.
Typer av förfall
För att vara stabil kan en kärna inte vara för tung och måste ha rätt balans mellan protoner och neutroner. En tung kärna – en som har ett stort antal protoner och neutroner – kommer förr eller senare att gå ner i vikt, eller massa, genom att sända ut en alfapartikel, som består av två protoner och två neutroner bundna tillsammans. Dessa partiklar har en positiv elektrisk laddning och är, jämfört med andra partiklar som kan avges, tunga och långsamt rörliga. Alfasönderfall i ett element gör att det ändras till ett lättare element.
Beta-sönderfall uppstår när en kärna har för många neutroner för sitt antal protoner. I denna process förändras en neutron, som är elektriskt neutral, spontant till en positivt laddad proton genom att sända ut en negativt laddad elektron. Dessa högenergielektroner är kända som beta-strålar eller beta-partiklar. Eftersom detta ökar antalet protoner i kärnan betyder det att atomen byter till ett annat grundämne med fler protoner.
Den omvända processen kan inträffa där det finns för många protoner, jämfört med neutroner. Med andra ord förvandlas en proton till en neutron genom att sända ut en positron, som är elektronens positivt laddade antipartikel. Detta kallas ibland positivt beta-sönderfall och resulterar i att atomen förvandlas till ett grundämne med färre protoner. Båda typerna av beta-sönderfall producerar elektriskt laddade partiklar som är mycket lätta och snabba.
Även om dessa omvandlingar frigör energi i form av massa, kan de också lämna kvarvarande kärna i ett ”exciterat” tillstånd, där den har mer än sin minsta mängd energi. Den kommer därför att förlora denna extra energi genom att sända ut en gammastrålning – en mycket högfrekvent form av elektromagnetisk strålning. Gammastrålar har ingen vikt och färdas med ljusets hastighet.
Vissa tunga kärnor kan, istället för att avge alfapartiklar, faktiskt delas isär, vilket frigör mycket energi, en process som kallas kärnklyvning. Det kan uppstå spontant i vissa isotoper av tunga grundämnen, såsom uran-235. Processen frigör även neutroner. Förutom att ske spontant kan fission orsakas av en tung kärna som absorberar en neutron. Om tillräckligt med klyvbart material samlas kan en kedjereaktion äga rum där neutroner som produceras av klyvning gör att andra kärnor splittras, vilket frigör fler neutroner och så vidare.
du använder
Den mest kända användningen av radioaktivitet är kanske i kärnkraftverk och i kärnvapen. De första atomvapnen använde sig av en skenande kedjereaktion för att frigöra en enorm mängd energi i form av intensiv värme, ljus och joniserande strålning. Även om moderna kärnvapen främst använder fusion för att frigöra energi, initieras detta fortfarande av en fissionsreaktion. Kärnkraftverk använder noggrant kontrollerad klyvning för att producera värmen för att driva ångturbiner som genererar elektricitet.
Inom medicin kan radioaktivitet användas på ett riktat sätt för att förstöra cancerväxter. Eftersom det är lätt att upptäcka, används det också för att spåra framsteg och upptag av läkemedel av organ, eller för att kontrollera att de fungerar korrekt. Radioaktiva isotoper används ofta för att datera prover av material. Organiska ämnen kan dateras genom att mäta mängden kol-14 de innehåller, medan åldern på ett bergprov kan bestämmas genom att jämföra mängden av olika radioaktiva isotoper som finns. Denna teknik har gjort det möjligt för forskare att mäta jordens ålder.
Hälsoeffekter
I hälsosammanhang tenderar alla utsläpp från sönderfallande atomkärnor, vare sig de är partiklar eller EMR, att beskrivas som strålning, och de är alla potentiellt farliga. Dessa utsläpp är antingen joniserande i sig eller interagerar med materia i kroppen på ett sätt som producerar joniserande strålning. Det betyder att de kan ta bort elektroner från atomer och förvandla dem till positivt laddade joner. Dessa kan sedan reagera med andra atomer i en molekyl, eller i angränsande molekyler, och orsaka kemiska förändringar som kan döda celler eller orsaka cancer, särskilt om strålning har interagerat med DNA.
Vilken typ av strålning som är farligast för människor beror på omständigheterna under vilka den påträffas. Alfa-partiklar kan bara färdas en kort sträcka genom luften och kan inte penetrera genom det yttre hudlagret. Om de kommer i kontakt med levande vävnad är de dock den farligaste formen av strålning. Detta kan hända om något som avger alfastrålning sväljs eller andas in.
Betastrålning kan penetrera huden, men stoppas av ett tunt lager metall, som aluminiumfolie. Neutroner och gammastrålning är mycket mer genomträngande och tjock avskärmning krävs för att skydda hälsan. Eftersom den mesta gammastrålningen passerar rakt igenom kroppen är det vanligtvis mindre sannolikt att den orsakar sjukdom vid låga nivåer, men är fortfarande en mycket allvarlig fara. Om material, inklusive levande vävnad, absorberar neutroner kan de själva bli radioaktiva.
Exponering för skadlig strålning mäts i allmänhet i termer av mängden energi som absorberas av det exponerade materialet, ett mått som kan tillämpas på alla former av strålning och alla material, även om det är vanligast i samband med människors hälsa. SI-enheten för exponering är den grå, där en grå motsvarar en joule energi som absorberas per kilogram materia. I USA används dock ofta en annan enhet – rad, som motsvarar 0.01 grå.
Eftersom olika typer av radioaktivitet beter sig på olika sätt används ett annat mått, sievert, för att ge en bättre uppfattning om de sannolika hälsoeffekterna av en given dos. Den beräknas genom att multiplicera dosen i grått med en kvalitetsfaktor som är specifik för den specifika typen av strålning. Till exempel är kvalitetsfaktorn för gammastrålning 1, men värdet för alfapartiklar är 20. Därför skulle exponering av levande vävnad för 0.1 grå av alfapartiklar resultera i en dos på 2.0 sievert, och skulle förväntas ha tjugo gånger den biologiska effekten som en grå av gammastrålning. En dos på fyra till fem sieverts, mottagen under en kort tidsperiod, medför 50 % risk för dödsfall inom 30 dagar.