Kapitel 1: Atomfysik
Kapitel 1: Atomfysik
Kapitel 1: Atomfysik
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
KAPITEL 1
<strong>Atomfysik</strong><br />
ATOMER OG ANDRE SMÅTING<br />
RADIOAKTIVITET<br />
RADIOAKTIVITET I BRUG<br />
ENERGI FRA KERNEN<br />
CAFE KOSMOS: RADIOAKTIVITET OG DIN KROP<br />
To vandrere fandt i 1991 et lig, der var dukket op under en<br />
smeltet gletsjer i Alperne. Ismanden, eller Ötzi som liget kaldes<br />
efter findestedet i Ötztal, var født for 5300 år siden nær byen<br />
Velturno i Italien. Som voksen levede Ötzi 50 km længere mod<br />
nord. Ötzi blev dræbt. Ramt af en pil i skulderen. Kort tid efter<br />
dækkede sneen hans krop, indtil han i 1991 blev fundet.<br />
Ötzi er verdens ældste mumie.<br />
Ötzis levesteder, alder og dødsårsag kendes fra undersøgelser<br />
af atomerne i hans tænder, af radioaktiviteten i hans krop og fra<br />
røntgenscanninger. <strong>Atomfysik</strong> kan også bruges i arkæologien.<br />
Hvor stort er et atom?<br />
Hvad er neutroner og protoner?<br />
Hvad har lys med atomer at gøre?<br />
Hvad er radioaktivitet?<br />
Hvorfor er stråling fra radioaktive stoffer farlig?<br />
7
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Tier-potenser<br />
Præfiks Størrelse Tier-potens Forkortelse<br />
giga 1000000000 10 9<br />
mega 1000000 10 6<br />
kilo 1000 10 3<br />
hekto 100 10 2<br />
deci 10 –1<br />
centi 10 –2<br />
milli 10 –3<br />
mikro 10 –6<br />
nano 10 –9<br />
1<br />
10<br />
1<br />
100<br />
1<br />
1000<br />
1<br />
1000000<br />
1<br />
1000000000<br />
G<br />
M<br />
k<br />
h<br />
d<br />
c<br />
m<br />
µ (my)<br />
n<br />
Atomer og andre småting<br />
For mere end 2400 år siden påstod den græske tænker<br />
Demokrit, at når man blev ved med at halvere et stof, måtte<br />
man til sidst komme til en så lille mængde, at den ikke kunne<br />
deles yderligere. Demokrit kaldte denne lille mængde for et<br />
atom. Det græske ord a-tomos kan oversættes som ikke-delelig.<br />
Halverer man rumfanget af en 1 cm 3 stor terning, og halverer<br />
man den derpå to gange mere, får man en terning med siden<br />
5 mm. Bliver man ved med at halvere ca. 70 gange, ville der kun<br />
være et enkelt atom tilbage. Nu kan terningen ikke halveres<br />
mere, for et atom er den mindste del af alle grundstoffer.<br />
Atomer er meget små. De har en diameter, der er mellem<br />
0,000 000 0001 m og 0,000 000 0004 m, dvs. lidt over 10 –10 m,<br />
eller få milliontedele af en millimeter. Atomer har en størrelse<br />
mellem 1 og 4 nanometer, se side 114.<br />
Elektronen opdages<br />
I 1897 opdagede englænderen Joseph Thomson, at atomer<br />
alligevel kunne deles, dvs. at atomerne indeholdt endnu mindre<br />
dele. Joseph Thomson udførte eksperimenter med en<br />
elektrisk strøm, som blev sendt gennem luft med et meget lavt<br />
tryk. Ved eksperimenterne så han en lysende stråle, en såkaldt<br />
katodestråle, der viste, hvor den elektriske strøm løb. Mange<br />
fysikere arbejdede med disse stråler, men Thomson var den<br />
første, der kunne afbøje strålerne både med magneter og med<br />
elektriske ladninger.<br />
Thomson opdagede, at katodestrålerne blev afbøjet over<br />
1000 gange kraftigere end stråler af hydrogen-ioner. Han<br />
kunne ved disse eksperimenter vise, at atomer består af noget<br />
tungt, der er positivt ladet, og noget let, der er negativt ladet.<br />
De negative partikler i atomet blev senere kaldt elektroner.<br />
Thomson mente, at de negativt ladede elektroner og den positivt<br />
ladede del af atomet var blandet sammen. Elektronerne lå<br />
som rosinerne i en rosinbolle. Det skulle snart efter vise sig at<br />
være en forkert model.<br />
Atomkernens størrelse<br />
Englænderen Ernest Rutherford opdagede i 1911, at atomet<br />
havde en meget lille kerne. Rutherford og hans medarbejdere<br />
8
sendte nogle meget små og hurtige partikler ind mod et tyndt<br />
folie af guld. Langt de fleste af disse ”projektiler” gik lige gennem<br />
foliet. De ramte ikke noget på vejen. Men til forskernes<br />
store overraskelse blev enkelte partikler sendt tilbage. Det svarede<br />
til, at man skød en granat mod et stykke papir og derpå<br />
fik granaten sendt tilbage i hovedet.<br />
Partiklerne havde i atomet ramt noget, der var meget småt<br />
og tungt. Ud fra denne opdagelse kunne Rutherford beregne,<br />
at atomet havde en kerne, der var ca. 1000 gange mindre end<br />
selve atomet.<br />
Et atom består altså af en lille kerne omgivet af en sky af<br />
elektroner. Elektronerne har en negativ elektrisk ladning,<br />
mens atomkernen er positivt ladet. Atomet holdes sammen af<br />
den elektriske tiltrækning. Elektronernes samlede ladning er<br />
lige så stor som atomkernens ladning, så hele atomet er uden<br />
elektrisk ladning.<br />
Næsten hele atomets masse, mere end 99,9 %, findes i kernen.<br />
At atomets størrelse er lidt over 10 –10 m eller 0,1 nanometer,<br />
vidste forskerne allerede i 1900. Men det kom som en<br />
stor overraskelse, at der inde midt i atomet er en langt mindre<br />
kerne.<br />
Kopiark 1.1<br />
Rosinbollemodellen<br />
Negativ elektron<br />
Positiv kerne<br />
Negative elektroner fordelt<br />
over hele atomet<br />
Rutherfordmodellen<br />
0,000 07 nanometer<br />
0,2 nanometer<br />
9<br />
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Thomson og elektronen<br />
Joseph John Thomson, engelsk fysiker (1856-1940).<br />
Thomson er elektronens opdager. I 1897<br />
viste han, at der i atomet er en negativt ladet<br />
partikel med en masse, der er mindre end en<br />
tusindedel af hele atomets masse.<br />
Rutherford og atomkernen<br />
Ernest Rutherford, engelsk fysiker (1871-1937).<br />
Rutherford fik i 1908 Nobelprisen i kemi.<br />
I 1911 opdagede han, at atomkernen er<br />
langt mindre end atomet.
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Bohr og elektronerne<br />
Niels Bohr, dansk fysiker (1885-1962).<br />
Niels Bohr indså i 1913, at elektronerne<br />
befinder sig i skaller omkring atomkernen.<br />
Når en elektron bevæger sig fra en skal til<br />
en anden, der er nærmere ved kernen,<br />
udsendes lys. Dette lys har en farve, som<br />
afhænger af hvilke skaller, elektronerne<br />
springer mellem.<br />
Bohrmodellen<br />
0,2 nanometer<br />
Negativ<br />
elektron<br />
Positiv kerne<br />
0,000 07 nanometer<br />
Thomson mente, at elektronerne var fordelt<br />
over hele atomet. Bohr påstod, at elektronerne<br />
kun kunne være i bestemte afstande<br />
fra kernen.<br />
Elektronspring laver lys<br />
Kemi handler om grundstoffer, kemiske forbindelser og stoffers<br />
reaktioner med hinanden. Når fx et fyrfadslys brænder,<br />
sker der en kemisk proces, hvor atomerne bindes sammen på en<br />
ny måde. Kemiske processer ændrer ikke de grundstoffer, der<br />
findes ved starten af processen. Grundstofferne kobles “bare”<br />
sammen på en ny måde ved hjælp af elektronerne. Kemiske processer<br />
foregår så at sige uden på atomerne.<br />
Elektronerne har ikke kun betydning for de kemiske bindinger.<br />
Elektronerne er også skyld i, at der opstår lys. Den<br />
opdagelse blev gjort af danskeren Niels Bohr i 1913.<br />
I 1911 var atomkernens størrelse kendt. Ingen kunne forstå,<br />
at den elektriske tiltrækning mellem den positivt ladede<br />
atomkerne og de negative elektroner ikke fik elektronerne til<br />
bevæge sig i en spiralbane ind mod kernen. Niels Bohr fik så<br />
en genial ide: Elektronerne kan kun bevæge sig i kugleskaller<br />
rundt om kernen. Når en elektron bevæger sig fra en skal til<br />
en anden, der ligger tættere på kernen, udsendes der lys.<br />
Lysets farve hænger sammen med forskellen i energi mellem<br />
de forskellige baner.<br />
Når en elektron falder ned i en bane tættere på kernen,<br />
udsendes en lille “lyspakke”. Den kaldes en foton. Det er den<br />
mindste mængde lys, der eksisterer.<br />
Lys som fingeraftryk<br />
Alle atomer i et bestemt grundstof har elektronskallerne liggende<br />
i samme afstande fra kernen. Derfor kan elektronerne<br />
kun foretage nogle bestemte spring, så farverne af lyset vil være<br />
de samme fra alle atomerne. Farven af det udsendte lys er derfor<br />
en slags fingeraftryk af det pågældende grundstof. Hvert<br />
grundstof udsender bestemte farver, når det bliver varmet op.<br />
Det vidste man inden Bohrs opdagelse, men Bohr var den første,<br />
der kunne forklare fænomenet.<br />
Grundstof nr. to i det periodiske system, helium, blev opdaget<br />
ved hjælp af farven af det udsendte lys. I 1868 fandt man en<br />
bestemt gul farve i lyset fra Solen. Ingen af de grundstoffer,<br />
man på det tidspunkt kendte, lyste med netop denne farve. Der<br />
måtte altså være et grundstof på Solen, som ikke fandtes på<br />
Jorden. Først 16 år senere fandt man helium på Jorden.<br />
Kopiark 1.2<br />
10
EKSPERIMENT<br />
Kvantefysik<br />
Elektronspring laver farver<br />
Elektroner er ikke altid små partikler. Elektroner kan også være<br />
bølger. Elektroner og andre atomare partikler har flere underlige<br />
egenskaber. De kan være mange steder på samme tid. Det er<br />
noget, der ikke kan fattes ud fra normale erfaringer.<br />
Atomernes verden beskrives i den såkaldte kvantefysik. Et<br />
kvant betyder i fysik en lille størrelse. I atomernes verden kan<br />
alle partikler også opfattes som små bølgepakker, men man ved<br />
ikke sikkert, hvor denne pakke er. Man kan kun finde en sandsynlighed<br />
for, at den er et bestemt sted.<br />
<strong>Atomfysik</strong>kens partikler kan heller ikke spærres inde. For os<br />
kan en høj mur være umulig at komme over. Men atomare partikler<br />
har en bestemt sandsynlighed for at komme over på den<br />
side af muren, der skulle være umulig at nå. På tilsvarende måde<br />
kan en partikel samtidig gå gennem to huller i en skærm. I atomernes<br />
miniverden gælder mærkelige love, der er svære at forstå.<br />
Niels Bohr har sagt: “Hvis man kan sætte sig ind i kvantemekanik<br />
uden at blive svimmel, har man ikke forstået noget af det.”<br />
11<br />
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Hvert grundstof udsender ganske bestemte<br />
farver, når det bliver varmet op. Det er derfor<br />
muligt af farverne at bestemme de grundstoffer,<br />
der er til stede.<br />
Et optisk gitter spreder lyset på samme måde<br />
som et glasprisme. Se på en almindelig elpære,<br />
et lysstofrør og en lysdiode gennem gitret.<br />
Fugt en vatrondel med sprit. Læg vattet på en<br />
mursten på en bakke. Sæt bakken i stinkskabet.<br />
Drys lidt køkkensalt, NaCl, på vattet. Sæt ild til<br />
vattet. Se på farven af flammen både direkte og<br />
gennem et optisk gitter. Der kommer en tydelig<br />
gul farve fra natrium, når køkkensalt opvarmes.<br />
Gentag eksperimentet med CaCO3, KCl, CuCl2, LiCl og SrCl2. I 2009 er verdensrekorden i stangspring 6,14 m.<br />
Den rekord er ikke forbedret i 15 år. Men i<br />
kvantemekanikkens verden ville en dygtig<br />
stangspringer ikke vide, om han kom over fire<br />
eller otte meter, når han havde sat af fra jorden.<br />
Alt ville være muligt. For en atomar partikel er<br />
der en lille sandsynlighed for, at den kommer<br />
over otte meter, også selv om den ikke har<br />
energi nok.
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Antal neutroner og protoner<br />
i atomkernen<br />
14<br />
C<br />
6<br />
Grundstofsymbol<br />
Antal protoner i atomkernen<br />
Atomkernen i carbon-14 har seks protoner<br />
og otte neutroner. Der er altså i alt<br />
14 partikler i atomkernen.<br />
Nyttige oplysninger<br />
Et atom består af en atomkerne omgivet af<br />
elektroner.<br />
Når en elektron springer fra en skal til en<br />
anden, der er nærmere kernen, udsendes lys<br />
med en bestemt farve.<br />
Atomkernen indeholder positivt ladede<br />
protoner og neutrale neutroner.<br />
Antallet af protoner i et atom er det samme<br />
som grundstoffets nummer i det periodiske<br />
system.<br />
Atomerne i grundstofs isotoper har<br />
samme antal protoner, men forskelligt antal<br />
neutroner i atomkernen.<br />
Protoner og neutroner<br />
I atomkernen er der er to slags partikler, protoner og neutroner.<br />
Neutronen har ingen ladning. Protonen har en positiv<br />
ladning, der er lige så stor som elektronens negative ladning.<br />
Antallet af protoner i et bestemt grundstofs atomkerne er det<br />
samme som stoffets nummer i det periodiske system. Der er<br />
altså én proton i en hydrogenkerne, to protoner i en heliumkerne<br />
og 92 protoner i en urankerne.<br />
Protoner og neutroner har næsten samme masse. Massen<br />
er meget lille, kun 1,7 · 10 –27 kg. Det kan skrives som 0,0…017 kg,<br />
hvor prikkerne skal erstattes af 24 nuller. Da det er ubekvemt<br />
at arbejde med så små tal, benytter atomfysikere en anden<br />
masseenhed end kilogram. De benytter en atomar masseenhed,<br />
der forkortet skrives u. Både protoner og neutroner<br />
har en masse tæt ved 1 u. Elektronens masse er meget mindre,<br />
bare 0,0005 u. Det er 1/2000 af protonens masse.<br />
Isotoper<br />
I et bestemt grundstofs kerne kan der være et forskelligt antal<br />
neutroner. Atomer med samme antal protoner, men med et<br />
forskelligt antal neutroner, kaldes grundstoffets isotoper.<br />
Isotoperne af et bestemt grundstof har forskellige masser.<br />
Grundstof nr. 1, hydrogen, har altid en enkelt proton i<br />
atomkernen. Atomer af hydrogen kan findes både uden neutroner,<br />
med en og med to neutroner i atomkernen. Der findes<br />
altså tre forskellige hydrogen-isotoper. Hydrogen har grundstofsymbolet<br />
H. Det mest almindelige hydrogen betegnes 1 1H.<br />
Det nederste 1-tal er antallet af protoner i kernen. Det øverste<br />
1-tal er det samlede antal partikler i kernen. Hydrogen-isotopen<br />
2 1H, der kaldes deuterium, har altså to partikler i kernen, en<br />
neutron og en proton.<br />
I kemiske processer er der ingen forskel på de to isotoper.<br />
Når de reagerer med oxygen, dannes vand, H2O. I almindeligt<br />
vand indeholder 99,985 % af molekylerne den lette hydrogenisotop.<br />
Men vand indeholder ganske lidt, 0,015 %, tungt vand,<br />
med isotopen deuterium.<br />
Massen af 1 mL almindeligt vand er præcis 1 gram, men<br />
samme mængde tungt vand med to deuterium-isotoper i molekylet<br />
har massen 1,11 g.<br />
Kopiark 1.3 og 1.4<br />
12
Radioaktivitet<br />
I 1895 havde Wilhelm Röntgen opdaget røntgenstrålerne. I de<br />
næste tyve år fik forskerne en ny forståelse af atomernes småtingsverden.<br />
Den ny forståelse er fx årsag til, at vi i dag kan<br />
sende rumsonder ud i verdensrummet, kan bruge mobiltelefon<br />
og udefra “se”, om en kuffert i lufthavnskontrollen indeholder<br />
sprængstoffer eller narkotika. En af denne periodes<br />
store opdagelser var de radioaktive stoffer.<br />
Stråler fra uran<br />
Den franske fysiker Henri Becquerel undersøgte i 1896 om et<br />
uransalt udsendte røntgenstråler, når det blev belyst af Solen.<br />
For at undersøge strålingen blev stoffet anbragt nogle timer i<br />
sollys. Uransaltet lå oven på en fotografisk film, der var pakket<br />
ind, så sollyset ikke kunne ramme den. Det viste sig, at den<br />
indpakkede film blev sværtet af stråler fra saltet. Det så altså<br />
ud, som om saltet udsendte røntgenstråling.<br />
Det var overskyet 26. og 27. februar 1896, så film og uransalt<br />
havde kun ligget i sollys i meget kort tid. Resten af tiden<br />
lå saltet oven på filmen i en skuffe. Becquerel havde forventet<br />
en ganske svag påvirkning af filmen, men da den blev fremkaldt,<br />
var den kraftigt sværtet. Becquerel gentog forsøget med<br />
film og uransalt i skuffen. Samme resultat. Efter mange<br />
målinger kunne han konkludere, at der kom en ny og ukendt<br />
stråling fra uran.<br />
Marie Curie og radium<br />
I 1897, kort efter at Becquerel havde opdaget den mystiske<br />
stråling fra grundstoffet uran, begyndte Marie Curie i Paris at<br />
undersøge strålingen. Hun kaldte den radioaktivitet. Ordet<br />
radio stammer fra latin og betyder stråle. Hun opdagede, at<br />
nogle mineraler udsendte langt mere stråling end det, der<br />
kom fra uran.<br />
Marie Curie indså, at hun havde fundet et mineral, der<br />
indeholdt små mængder af et nyt og ukendt grundstof.<br />
Sammen med sin mand begyndte hun arbejdet for at finde det<br />
ny grundstof. Men Curie fandt to nye grundstoffer, radium<br />
og polonium.<br />
Ud fra 1 ton af uranmineralet begblende var Curie i stand<br />
13<br />
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Radioaktiviteten opdages<br />
Henri Becquerel, fransk fysiker (1852-1908).<br />
Becquerel opdagede i 1896, at uran udsendte<br />
en ny type stråling. Han kunne ikke forklare,<br />
hvad strålingen var, men i dag ved vi, at det<br />
er stråling fra radioaktive stoffer.<br />
Nye grundstoffer<br />
Marie Curie, polsk/fransk fysiker/kemiker<br />
(1867-1934).<br />
Sammen med sin mand, Pierre Curie, fandt<br />
hun i 1901 to nye radioaktive stoffer, radium<br />
og polonium. Hun indførte navnet radioaktivitet.<br />
Marie Curie er den eneste, der har<br />
fået nobelpriser både i fysik og kemi.
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
α<br />
Magnet<br />
Radium<br />
Alfastråling<br />
γ<br />
Hul<br />
Bly<br />
Alfastråling, der består af positive heliumkerner<br />
afbøjes af et magnetfelt. De negativt<br />
ladede betapartikler afbøjes i den modsatte<br />
retning. Gammastråling påvirkes ikke af<br />
magnetfelter.<br />
241 237 4<br />
Am → Np + He<br />
95 93 2<br />
Americium-241 henfalder til neptunium-237 ved<br />
udsendelse af en alfapartikel. Halveringstiden<br />
er 458 år.<br />
Betastråling<br />
90 90 0<br />
Sr → Y + e<br />
38 39 -1<br />
β<br />
Alfapartikel<br />
Betapartikel<br />
Strontium-90 henfalder til yttrium-90 ved<br />
udsendelse af en betapartikel. Halveringstiden<br />
er 29 år.<br />
Gammastråling<br />
137 137<br />
Cs* → Cs + γ<br />
55 55<br />
Gammastråling<br />
Caesium henfalder fra en energirig<br />
tilstand ved udsendelse af gammastråling.<br />
Halveringstiden er 30 år.<br />
til at udvinde 1/10 gram af det nye grundstof, radium. Stoffet<br />
udsendte en meget stærk stråling. Det var selvlysende og blev<br />
opvarmet af sig selv pga. den kraftige energiomdannelse.<br />
Det var helt uforståeligt for datidens fysikere. Energien<br />
kunne ikke bare komme af sig selv. Løsningen på dette problem<br />
var overraskende. Strålingen kom fra de radioaktive atomers<br />
kerner. Energien opstod, når de radioaktive grundstoffer<br />
ændredes til nye grundstoffer. Denne grundstofændring var<br />
helt uforståelig, da alle kendte kemiske processer hidtil havde<br />
vist, at grundstoffer ikke kunne omdannes.<br />
Tre slags stråling<br />
Der findes tre typer stråling fra radioaktive stoffer, alfa-, betaog<br />
gammastråling. Alfa, beta og gamma er de tre første bogstaver,<br />
α, β og γ, i det græske alfabet.<br />
Alfastråling har en kort rækkevidde. Strålingen stoppes af<br />
fem centimeter luft eller et stykke papir. Alfastråling er partikler<br />
med to protoner og to neutroner. Partiklerne er altså<br />
atomkerner af grundstoffet helium. Når den radioaktive<br />
atomkerne mister to protoner, bliver den omdannet til et nyt<br />
grundstof med et atomnummer, der er to mindre.<br />
Betastråling har en længere rækkevidde end alfastråling.<br />
Strålingen kan bevæge sig mange centimeter i luft og trænge<br />
gennem metalfolier med en tykkelse på en halv millimeter.<br />
Betastråling består af elektroner, der kommer fra kernen.<br />
Kernen indeholder ikke elektroner, men de opstår, når en neutron<br />
omdannes til en proton og en elektron. Når kernen får en<br />
proton mere, bliver atomet omdannet til et nyt grundstof<br />
med et atomnummer, der er én større.<br />
Gammastråling har den største rækkevidde. Strålingen<br />
kan trænge gennem metalplader og bevæge sig langt i luft. Lys<br />
opstår, når elektroner falder fra en skal ned til en anden.<br />
Gammastråling opstår på tilsvarende måde, når der sker en<br />
energiændring i atomkernen. Gammastråling er elektromagnetisk<br />
stråling ligesom lys, radiobølger og røntgenstråling.<br />
Kopiark 1.5<br />
Halveringstid<br />
Når et stof er radioaktivt, bliver atomerne omdannet. Der vil<br />
derfor være færre og færre af de radioaktive atomer tilbage.<br />
14
Halveringstiden er den tid, der går, indtil halvdelen af atomerne<br />
i stoffet er omdannet. Når der er gået to halveringstider,<br />
er der kun en fjerdedel af atomerne tilbage. Efter tre halveringstider<br />
er en ottendedel tilbage.<br />
Halveringstider kan være meget forskellige. Der findes atomer,<br />
hvor halveringstiden er mindre end en tusindedel sekund.<br />
Andre stoffer har meget lang halveringstid. Der findes stoffer<br />
med en halveringstid, der er længere end den tid, Jorden har<br />
eksisteret. Stoffer med så lang halveringstid udsender kun<br />
ganske lidt stråling, mens de kortlivede udsender meget.<br />
Kopiark 1.6 og 1.7<br />
Hvorfor er nogle isotoper radioaktive?<br />
I et bestemt grundstofs atomer er der altid samme antal protoner<br />
i atomkernerne. Men i de forskellige isotoper kan der<br />
være stor forskel på antallet af neutroner. Hvis der er mange<br />
neutroner i en kerne, kan den blive ustabil. Den udsender så<br />
en betapartikel, hvorved en neutron omdannes til en proton.<br />
Der bliver på den måde dannet en mere stabil kerne.<br />
Hvis der omvendt er få neutroner i kernen, vil frastødningskræfterne<br />
mellem de positive protoner bevirke, at kernen<br />
kan blive mere stabil ved udsendelse af en alfapartikel.<br />
Når der er udsendt en alfa- eller en betapartikel, vil kernen<br />
tit være gamma-aktiv. Efter yderligere henfald dannes til sidst<br />
en stabil kerne.<br />
Ioniserende stråling<br />
Strålingen fra radioaktive stoffer ioniserer de stoffer, der bliver<br />
ramt. At strålingen ioniserer, betyder, at der bliver ”slået”<br />
elektroner ud af de ramte atomer, der herved bliver til positive<br />
ioner. Bindingerne mellem atomerne i et molekyle kan også<br />
blive ødelagt. Denne ioniserende effekt har både gode og dårlige<br />
konsekvenser.<br />
Allerede tidligt efter opdagelsen af de radioaktive stoffer<br />
blev man klar over, at strålingen kunne dræbe kræftceller. At<br />
strålingen også kan skade sunde celler, opdagede man først<br />
senere. Marie Curie fik ødelagt sine hænder efter i mange år at<br />
have rørt ved radioaktive stoffer. Hun døde af en blodsygdom,<br />
der med stor sandsynlighed opstod på grund af den kraftige<br />
stråling, som hun havde været udsat for.<br />
15<br />
Antal atomer<br />
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
0 T ½ 2 T ½ 3 T ½<br />
Antallet af radioaktive atomer er halveret,<br />
når der er gået en halveringstid.<br />
Efter to halveringstider er antallet faldet<br />
til en fjerdedel.<br />
Radioaktive stoffer<br />
skal markeres<br />
med et gult<br />
fareskilt.<br />
Tid
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Halveringstid og terninger<br />
Kaster man en terning, er sandsynligheden en sjettedel<br />
for at få en sekser. På samme måde har de enkelte<br />
atomer i et radioaktivt stof en bestemt sandsynlighed for<br />
at udsende stråling og derved henfalde til et andet stof.<br />
Hver gang der udsendes stråling, bliver der mindre af<br />
det radioaktive stof.<br />
Kast 100 terninger. Fjern alle seksere. De stables til<br />
en søjle. Skriv på tavlen, hvor mange terninger der er<br />
tilbage. Kast så de resterende terninger. Fjern igen sekserne,<br />
der stables til en ny søjle. Skriv igen, hvor mange<br />
terninger der er tilbage. Bliv ved, indtil der er mindre<br />
end 25 terninger tilbage.<br />
Undersøg, hvor mange omgange der skal slås, før<br />
halvdelen og før tre fjerdedele af terningerne er fjernet.<br />
Hvad er ”halveringstiden for terningerne”? Gentag<br />
eksperimentet nogle gange. Er ”halveringstiden” den<br />
samme hver gang?<br />
Gentag eksperimentet, men denne gang fjernes de<br />
terninger, der viser 1 eller 2. Find igen ”halveringstiden”.<br />
Elektroner<br />
Let gennemtrængeligt vindue<br />
α-partikel<br />
– – –<br />
+ + +<br />
– – – –<br />
Geigertæller<br />
Metalcylinder<br />
Metalstang<br />
Når en alfa- eller betapartikel kommer ind<br />
i geigertælleren, ioniseres luften.<br />
De negative elektroner trækkes over mod<br />
den positive stang i midten af røret.<br />
Geigertælleren<br />
Den ioniserende virkning af stråling udnyttes i de instrumenter,<br />
der bruges til at måle størrelsen af strålingen. En geigertæller<br />
er et lille rør, hvor lufttrykket er lavt, ca. en tiendedel<br />
atmosfære. I enden af røret er et tyndt folie, som strålingen<br />
kan passere. I røret findes en metalcylinder med en tynd stang<br />
i midten. Der er en spændingsforskel mellem stang og cylinder.<br />
Når strålingen kommer ind i røret, ioniseres luften. Der dannes<br />
elektroner. Spændingsforskellen mellem tråd og cylinder<br />
giver disse elektroner ekstra fart, så de kan ionisere flere luftmolekyler.<br />
Med en følsom impulstæller kan man måle den lille<br />
ændring i spændingsforskellen, der kommer, når elektronerne<br />
rammer tråden. Det kan høres som tilfældige klik, når en<br />
højttaler er tilsluttet. Tælleren kaldes en geigertæller efter<br />
opfinderen Hans Geiger, der lavede de første tællere i 1908.<br />
Kopiark 1.8, 1.9 og 1.10<br />
16<br />
EKSPERIMENT
Baggrundsstråling<br />
En geigertæller viser, at der er ioniserende stråling, også selv<br />
om skolens radioaktive kilder er langt væk. Der er nemlig<br />
radioaktive stoffer overalt. Der kommer stråling fra radioaktive<br />
stoffer i jorden. Der er således normalt flere kilogram uran<br />
i den øverste meter af jorden i en almindelig parcelhusgrund.<br />
Radon, en radioaktiv gas, strømmer op fra undergrunden de<br />
fleste steder i Danmark. Fra verdensrummet bliver Jorden til<br />
stadighed bombarderet af atomare partikler, der kan få geigertællere<br />
til at reagere.<br />
Denne stråling kaldes baggrundsstrålingen, fordi den hele<br />
tiden er til stede. Vi kan ikke undgå baggrundsstrålingen. I<br />
Danmark er baggrundsstrålingen højest på Bornholm, fordi<br />
klipperne i undergrunden indeholder mere radioaktivt materiale<br />
end muldjorden andre steder i Danmark. I mange huse<br />
er strålingsniveauet ret højt pga. små opstrømmende mængder<br />
af radon.<br />
Kopiark 1.11 og 1.12<br />
E=mc 2 , fysikkens mest kendte formel<br />
Kernefysikere bruger store, meget energikrævende apparater<br />
til at undersøge, om der er andre partikler inde i kernens protoner<br />
og neutroner. Ved at få partikler til at støde sammen<br />
med en fart lige under lysets fart, kan kernefysikere smadre<br />
kernepartiklerne. På den måde har man opdaget, at der er<br />
mange mindre partikler i kernepartiklerne.<br />
En af de spændende partikler er positronen. Det er en partikel<br />
med samme masse som elektronen, men med en positiv<br />
ladning, altså en positiv elektron. Når en positiv positron støder<br />
ind i en negativ elektron, forsvinder de begge. Selv om de<br />
begge har en masse, er der ingen masse tilbage efter deres<br />
sammenstød. Stoffet er forsvundet. Der er blevet til energi i<br />
form af gammastråling.<br />
Denne forsvinden er en følge af Albert Einsteins relativitetsteori.<br />
Et af relativitetsteoriens resultater er den berømte<br />
formel E = mc2 . Her er E energien, m massen og c lysets fart.<br />
Ved hjælp af denne formel kan man bestemme, hvor meget<br />
energi der dannes, når en masse forsvinder. Det er den formel,<br />
der forklarer, hvordan energien i kernekraftværker og atombomber<br />
opstår.<br />
17<br />
Nyttige oplysninger<br />
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Der findes tre typer stråling fra radioaktive<br />
stoffer, alfa-, beta- og gammastråling.<br />
Alfastråling er positivt ladede heliumkerner.<br />
Betastråling er negativt ladede elektroner.<br />
Gammastråling er elektromagnetisk stråling<br />
udsendt fra atomkernen.<br />
Efter et alfa- eller betahenfald omdannes<br />
atomkernen til et nyt grundstof.<br />
Når der er gået en halveringstid, er der kun<br />
den halve mængde af det radioaktive stof<br />
tilbage.<br />
Albert Einstein, tysk/amerikansk fysiker<br />
(1879-1955).<br />
Einstein er 1900-tallets mest berømte fysiker.<br />
Hans største opdagelse er relativitetsteorien,<br />
der fx forklarer, hvorfor lysets fart er den største<br />
fart, noget legeme kan få. Hans teori beskriver<br />
også, at tiden går langsommere, når man<br />
bevæger sig meget hurtigt.
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
234 230<br />
92U 90Th<br />
+ He<br />
4<br />
2<br />
226<br />
88Ra<br />
222<br />
86Rn<br />
218<br />
84Po<br />
+ He<br />
4<br />
2<br />
+ 4<br />
2<br />
214<br />
82Pb<br />
He<br />
+ He<br />
4<br />
2<br />
+ He<br />
4<br />
2<br />
Radon<br />
Uran-238 henfalder til bly-214 i fem trin ved<br />
i hvert trin at udsende en alfapartikel. Et af<br />
disse henfaldsprodukter er grundstoffet<br />
radon, Rn, der er en luftart. Da der overalt<br />
er uran i undergrunden, kan radon sive op<br />
gennem jorden. Hvis denne luftart trænger<br />
ind i kældre, der ikke er tilstrækkeligt<br />
udluftet, kan koncentrationen af radon og<br />
radons henfaldsprodukter blive så høj, at<br />
det kan være sundhedsfarligt.<br />
Radioaktivitet i brug<br />
Stråling fra radioaktive stoffer er farlig i store mængder, men<br />
ganske små mængder skader næppe. Radioaktive stoffer kan<br />
derfor uden større risiko bruges til mange praktiske formål,<br />
bl.a. ved undersøgelser på sygehuse.<br />
Virker nyrerne?<br />
Indtil 1937 var der et hul på plads nummer 43 i det periodiske<br />
system. Ingen kunne finde grundstof nr. 43. Årsagen til<br />
den tomme plads viste sig at være, at det manglende stof var<br />
radioaktivt, så alle de atomer af stoffet, der fandtes, da<br />
Solsystemet blev dannet, nu var forsvundet. I dag kan man<br />
kunstigt fremstille en isotop af dette grundstof, technetium,<br />
men stoffet forsvinder hurtigt. Halveringstiden er på seks<br />
timer.<br />
Technetium bruges meget ved medicinske undersøgelser.<br />
Skal man finde ud af, hvor hurtigt nyrerne udskiller et<br />
bestemt stof, kan man kemisk binde lidt technetium til stoffet.<br />
Patienten får en indsprøjtning eller drikker en opløsning<br />
af det radioaktive stof. Med en tæller måler man, hvor hurtigt<br />
stoffet forsvinder fra nyrerne.<br />
Skal man foretage en undersøgelse af knoglesvulster, kan<br />
technetium bindes til et andet stof, der efter indsprøjtning<br />
samler sig i knoglevævet. I svulsterne dannes nyt væv, og her<br />
samles store mængder af det indsprøjtede stof. Ved nu at måle<br />
mængden af stråling i de forskellige dele af kroppen, kan man<br />
finde de steder, hvor der er en kræftsvulst i knoglerne.<br />
Hvor gammel er ismanden? Kulstof-14-metoden<br />
14 Carbon-isotopen, 6 C, der normalt kaldes carbon-14 eller kulstof-14,<br />
har en halveringstid på 5730 år. Carbon-14-atomerne<br />
dannes højt oppe i atmosfæren, når stråling fra Solen rammer<br />
luften. De dannede carbon-14-atomer fordeler sig på få år i<br />
hele atmosfæren. Ved fotosyntesen optages denne carbon-isotop<br />
i planterne. Når dyr æder planterne, optages isotopen i<br />
dyrenes celler. På den måde ender carbon-14 i alle celler i planter<br />
og dyr. Selv om der kun dannes omkring 5 kg af denne isotop<br />
hvert år, er det nok til, at den kan bruges ved bestemmelse<br />
af arkæologiske genstandes alder.<br />
18
EKSPERIMENT<br />
Radioaktivt radon i kælderen<br />
Når et træ eller dyr dør, vil der ikke blive optaget mere carbon-14.<br />
Mængden af carbon-14 i den døde organisme vil nu<br />
mindskes, når de radioaktive carbon-14-atomer omdannes. Ved<br />
at måle indholdet af carbon-14 i en genstand er det derfor<br />
muligt at foretage aldersbestemmelser op til omkring 50 000 år.<br />
Selv om et menneske kun indeholder ca. 10 milliardtedele<br />
gram af carbon-14, er målemetoderne så følsomme, at man<br />
med en ganske lille prøve er i stand til at foretage en præcis<br />
aldersbestemmelse. Det er med denne metode, kulstof-14metoden,<br />
at ismandens alder er blevet bestemt til 5300 år.<br />
Solsystemets alder<br />
Solsystemet blev antagelig dannet for 4,567 milliarder år siden.<br />
Det ved man, fordi der ikke er fundet noget materiale, der har<br />
en højere alder. Der er fundet mineraler, der er 4,4 milliarder år<br />
gamle, og der er fundet meteoritter, der er endnu ældre. Men de<br />
ældste meteoritter er 4,567 milliarder år gamle. Heller ikke sten<br />
fra Månen er ældre. Derfor mener man i dag, at Solen, Jorden<br />
og planeterne har en alder på 4,567 milliarder år.<br />
Ved denne aldersbestemmelse er der ikke brugt carbon-14,<br />
men andre isotoper med en meget lang halveringstid.<br />
19<br />
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Hvis der siver radon fra undergrunden ind i skolens<br />
kælder, vil støvet i lokalet indeholde små<br />
mængder af de stoffer, radon henfalder til.<br />
Anbringes et par lag gaze på mundstykket af en<br />
støvsuger, er det muligt at opsamle noget af<br />
dette støv.<br />
Vælg et af skolens kælderrum, hvor der sjældent<br />
luftes ud. Luften fra dette rum suges gennem<br />
et stykke gaze i ca. en halv time. Sug også<br />
luften i et klasselokale gennem gaze i en halv<br />
time. Med en geigertæller undersøges tælletallene<br />
fra de to stykker gaze.<br />
Radon fra undergrunden er den største kilde til<br />
radioaktiv forurening i huse i Danmark. Det er<br />
vigtigt, at fundamenterne forsegles, så radon<br />
ikke kan trænge ind i boligen.<br />
Nyttige oplysninger<br />
Alderen af arkæologiske genstande kan<br />
bestemmes ud fra indholdet af carbon-14.<br />
Radioaktive stoffer benyttes på hospitaler<br />
til undersøgelse og behandling af mange<br />
sygdomme.
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Neutron<br />
Uran<br />
Krypton Barium<br />
Atombomben<br />
Tre neutroner<br />
Når en urankerne rammes af en neutron,<br />
kan den fx deles i en barium- og en kryptonkerne.<br />
Ved processen dannes også tre<br />
neutroner, der kan starte en ny fission i en<br />
anden urankerne.<br />
Efter opdagelsen af fissionen indså fysikerne,<br />
at denne proces kunne bruges til en<br />
bombe af uhørt styrke. Der startede nu et<br />
kapløb mellem fysikere fra 2. verdenskrigs<br />
to modstandere. USA var hurtigst. I 1945<br />
kastede USA den første atombombe over<br />
den japanske by Hiroshima, hvor ca. 140 000<br />
omkom pga. eksplosionen. Bomben havde<br />
en styrke, som om 15 000 ton almindeligt<br />
sprængstof var blevet benyttet. Billedet<br />
viser Hiroshima efter eksplosionen.<br />
Energi fra kernen<br />
Ved en kemisk proces, som fx en forbrænding, frigives energi.<br />
Den opstår, når de enkelte grundstoffer forbindes med hinanden<br />
til nye kemiske forbindelser. Ved kerneprocesser dannes<br />
derimod nye grundstoffer. Hvis de nye grundstoffer har<br />
en lavere masse end de oprindelige, frigives meget store energimængder.<br />
Denne metode til frembringelse af energi blev<br />
brugt i de atombomber, der blev kastet over Japan i 1945. Og<br />
metoden benyttes i mange af vore nabolande til elproduktion<br />
i kernekraftværker, der også kaldes atomkraftværker.<br />
I atombomber og kernekraftværker frigives energi, når en<br />
stor atomkerne går i to stykker. Stykkerne bliver til to nye<br />
grundstoffer, der udsendes med stor fart. Ved denne proces<br />
forsvinder der masse, som omdannes til energi.<br />
Fission<br />
I 1938 undersøgte fysikere, hvad der sker, når en neutron rammer<br />
kernen af et grundstof. I næsten alle tilfælde blev der dannet<br />
en anden isotop af grundstoffet. Da turen kom til uran,<br />
opdagede de tyske kemikere Hahn og Strassmann, at der blev<br />
dannet et helt andet stof, nemlig barium. Det kunne ikke<br />
passe, så den kemiske analyse af det bestrålede stof blev gentaget<br />
flere gange. Til sidst måtte de give op: “Der dannes barium<br />
- men vi forstår det ikke!”<br />
To fysikere, Lise Meitner og Otto Frisch, der var gæster ved<br />
Niels Bohr Institutet i København, fandt ud af, hvorfor der<br />
dannedes barium. Kernen med den ekstra neutron spaltes i to<br />
dele. De foreslog at kalde processen fission (spaltning). Hurtigt<br />
blev denne fission kendt blandt flere landes fysikere.<br />
Det viste sig, at der samtidig med spaltningen af urankernen<br />
blev udsendt to eller tre neutroner. Hvis disse neutroner<br />
rammer andre urankerner lige efter den første fission, vil der<br />
udsendes mange flere neutroner. De kan starte en kædeproces,<br />
der hurtigt får flere og flere urankerner til at spaltes.<br />
Processen kan i løbet kort tid udvikle en ufattelig stor energi.<br />
Kernekraft<br />
I mange lande, bl.a. Frankrig, Belgien, Sverige og Tyskland,<br />
produceres en stor del af el-energien på kernekraftværker. I<br />
20
Opbygning af et kernekraftværk<br />
2009 er der i hele verden omkring 450 kernekraftværker. Her<br />
kommer energien ikke fra en forbrænding, men fra fissionsprocessen.<br />
Det er samme proces som i atombomberne, blot<br />
sker spaltningen af uran-atomerne på kernekraftværkerne<br />
langsomt og på en kontrolleret måde.<br />
Når atomkernen spaltes, frigøres en stor energimængde.<br />
Spaltning af 1 kg uran frigør en energi, der er mere end to millioner<br />
gange større end energien ved forbrænding af 1 kg carbon.<br />
Energien kommer, fordi lidt af massen forsvinder ved processen.<br />
Einsteins berømte formel, E = mc 2 , viser, at der er en<br />
sammenhæng mellem energien, E, og den forsvundne masse, m.<br />
Kernekraftværker<br />
Kontrolstang<br />
Dampgenerator<br />
Reflektor<br />
Brændselsstang<br />
Reaktortank<br />
Reaktorkerne<br />
Pumpe<br />
I reaktoren i kernekraftværket på billedet findes omkring<br />
40000 lange, tynde metalrør, der indeholder urandioxid, UO 2.<br />
Rørene er lavet af en stærk zirconiumlegering, så brændslet<br />
ikke kan komme ud til omgivelserne. Omkring 50 rør er samlet<br />
i et brændselselement. Brændselselementerne befinder sig<br />
i en tryktank, hvor vand under højt tryk strømmer forbi.<br />
Afstanden mellem brændselselementerne er så lille, at der<br />
kan foregå en kædereaktion. Det betyder, at der netop dannes<br />
så mange neutroner ved uran-atomernes spaltning, at de<br />
næste urankerner kan spaltes.<br />
21<br />
Damp<br />
Strålingsafskærmning<br />
af beton<br />
Fødevandspumpe<br />
Dampturbine Elgenerator<br />
Fødevand<br />
Kernekraftværk<br />
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Kondensator<br />
Kølevand<br />
100 km syd for grænsen mellem Danmark og<br />
Tyskland, ligger kernekraftværket Brokdorf.<br />
Det producerer en elektrisk effekt på næsten<br />
1500 megawatt. Til sammenligning bruger<br />
hele Danmark en effekt omkring 5000 MW.<br />
Energien fra kraftværket dannes i en reaktor,<br />
der indeholder ca. 100 ton uranholdigt<br />
brændsel.
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Energi fra uran<br />
I en reaktor kan 1 kilogram uran som<br />
brændsel give en energimængde på<br />
81 · 1012 joule, hvor 1 kg carbon ved forbrænding<br />
giver 2 millioner gange mindre<br />
energi. Energien fra de 1000 gram uran<br />
opstår, fordi uran-atomerne omdannes til<br />
andre grundstoffer, som samlet har en<br />
masse tæt på 999 gram. Der forsvinder en<br />
masse på kun 0,9 gram. Under normal<br />
drift omdannes ca. 2 gram uran hver dag<br />
i en stor reaktor.<br />
Einsteins formel E=mc2 , viser, at der<br />
opstår energi, E, når der forsvinder masse,<br />
m. Symbolet c er lysets fart, 3 · 108 m/s.<br />
Med 0,9 g forsvundet stof findes E = mc 2 =<br />
(0,0009 kg) · (3 · 108 m/s) 2 = 81 · 1012 joule.<br />
Nyttige oplysninger<br />
En fission sker, når en urankerne rammes<br />
af en neutron og derpå spaltes til to mindre<br />
atomkerner.<br />
Ved en fission dannes meget store mængder<br />
energi.<br />
Kernekraftværker udnytter fission.<br />
Mellem brændselselementerne er der kontrolstænger. Når<br />
en neutron rammer en kontrolstang, fanges neutronen, så<br />
den ikke kan deltage i kædeprocessen. Ved at trække kontrolstængerne<br />
ud eller ind kan mængden af frie neutroner reguleres.<br />
På denne måde styres kædeprocessen.<br />
Den dannede energi ved fissionen opvarmer vandet, som<br />
bruges til at producere damp i et andet kredsløb med lavere<br />
tryk. Dampen driver nogle turbiner og generatorer, der producerer<br />
elektricitet. Denne del af kernekraftværket virker som<br />
et helt almindeligt kraftværk.<br />
Der er gjort meget for at undgå udslip i tilfælde af uheld.<br />
Reaktorens tryktank er lavet af stål med en tykkelse på 25 cm.<br />
Bygningen omkring reaktoren har tykke betonvægge beklædt<br />
med stål på indersiden. Desuden findes en række filtre, som<br />
kan tilbageholde radioaktive stoffer, hvis der ved en fejl skulle<br />
slippe noget ud af selve reaktortanken.<br />
Kopiark 1.13 og 1.14<br />
Affald fra kernekraftværker<br />
Der er en række problemer ved udnyttelse af kernereaktorer.<br />
De grundstoffer, der dannes ved fissionen, er stærkt radioaktive.<br />
Desuden skaber neutronbestrålingen af uran nogle stoffer<br />
med en meget lang halveringstid. Derfor skal det brugte<br />
kernebrændsel isoleres fra omgivelserne i mange år. Affaldet<br />
er farligt, men til gengæld er mængden ikke stor. Et års drift<br />
af et kernekraftværk medfører nogle få kubikmeter radioaktivt<br />
materiale.<br />
Når et brændselselement har været brugt i omkring fire år,<br />
er uranindholdet blevet for lavt til, at processen kan fortsætte.<br />
Elementet skal udskiftes. De brugte brændselselementer indeholder<br />
stærkt radioaktive stoffer. Det meste, 95 %, kan bruges<br />
som brændsel i særlige reaktorer.<br />
I nogle lande, bl.a. Frankrig og England, bliver affaldet<br />
behandlet kemisk, så de farligste stoffer fjernes. Disse stoffer<br />
skal deponeres i flere hundrede år. I andre lande, bl.a. Sverige,<br />
Finland og USA, deponeres alt affaldet et sted, hvor stoffet<br />
ikke forventes at komme op til overfladen i mange hundrede<br />
år. De radioaktive stoffer smeltes ind i glas. I Sverige anbringes<br />
affaldet 500 m under overfladen i et område med grundfjeld.<br />
22
EKSPERIMENT<br />
Kædereaktion<br />
Er kernekraft farlig?<br />
Ja, kernekraft er farlig. Men det er alle andre former for energiproduktion<br />
også. Skal man tage stilling til brug af kernekraft<br />
må fordele og ulemper vejes op mod hinanden. Hvad er<br />
værst for samfundet: Risikoen for et udslip af radioaktivt<br />
materiale, der vil forårsage mange kræftdødsfald, eller en fortsat<br />
brug af fossile brændstoffer med udledning af carbondioxid<br />
til atmosfæren og brug af naturresurser, der bedre<br />
kunne bruges til andre formål? Det er et svært spørgsmål, for<br />
der skal sammenlignes forhold, som ikke umiddelbart er<br />
nemme at sammenligne.<br />
Et radioaktivt udslip har en meget lille sandsynlighed for<br />
at ske, men konsekvenserne kan blive store. Den fortsatte<br />
brug af fossile brændstoffer vil ændre atmosfærens egenskaber<br />
og bidrage til risikoen for krige, når oliefelter og kulminer<br />
er ved at være tomme. Det bliver et vanskeligt problem at tage<br />
stilling til.<br />
23<br />
KAPITEL 1 · ATOMFYSIK<br />
Kædereaktionsapparatet med tændstikker giver<br />
et indtryk af processen i en reaktor. En brændende<br />
tændstik et sted i apparatet vil sætte ild<br />
til sine to nabotændstikker. Med nogle metalstifter<br />
er det muligt, som med kontrolstænger i<br />
en reaktor, at bremse kædeprocessen.<br />
Kædereaktionsapparatet anbringes i et forsøgsstativ<br />
og fyldes med tændstikker. Anbring seks<br />
stifter i apparatet. Tænd en af tændstikkerne.<br />
Hvor længe varer det, inden den sidste tændstik<br />
tændes? Gentag eksperimentet med 12 stifter.
Når stråling fra radioaktive stoffer<br />
rammer kroppens atomer, dannes<br />
der ioner. De kemiske bindinger i<br />
molekylerne rives over. Disse<br />
ændringer i kroppens celler kan<br />
være skadelige. Hvis strålingen<br />
rammer og ødelægger cellernes<br />
DNA, kan den beskadigede DNAstreng<br />
ikke længere fungere efter<br />
hensigten. Det kan få alvorlige<br />
konsekvenser. Hvis strålingen er<br />
meget kraftig, vil den være dræbende.<br />
Hvis strålingen er kraftig,<br />
CAFE KOSMOS<br />
RADIOAKTIVITET<br />
OG DIN KROP<br />
Radioaktive stoffer skal opbevares sikkert. Affald fra<br />
kernekraftværker skal gemmes i mere end tusind år.<br />
Hvorfor er stråling fra radioaktive stoffer farlig? Hvad<br />
sker i din krop, når du udsættes for ioniserende stråling?<br />
I en strålekanon kan<br />
en farlig svulst dræbes med<br />
ioniserende stråling.<br />
men uden at være dræbende, er<br />
risikoen for senere at få en alvorlig<br />
kræftsygdom blevet forøget. Men<br />
hvor farlig er strålingen sammenlignet<br />
med andre af de farer, vi<br />
ellers er udsat for?<br />
STRÅLINGENS STYRKE<br />
Skadevirkningen fra den ioniserende<br />
stråling afhænger især af<br />
den energi, der afsættes i kroppen,<br />
når strålingen bremses. Men ska-<br />
24<br />
den afhænger også af bestrålingstypen,<br />
og hvor kroppen bestråles.<br />
Bestråling af kønsorganerne er<br />
meget farligere end bestråling af<br />
fx fødderne.<br />
Man måler en strålings skadevirkning<br />
i enheden sievert, der er opkaldt<br />
efter den svenske fysiker Rolf<br />
Sievert. Enheden forkortes Sv. En<br />
sievert er en stor enhed, derfor<br />
bruger man ofte enheden millisievert.<br />
En millisievert, der forkortes<br />
mSv, er en tusindedel sievert.<br />
Vi udsættes alle for stråling. En<br />
dansker får i gennemsnit ca. 3 mSv<br />
pr. år. For en vestjyde er dosis<br />
lavere, men bor man på Bornholm<br />
kan dosis være højere. Bor man i et<br />
hus, hvor der siver radon ind i<br />
kælderen, kan dosis blive en del<br />
højere. Ved flyvning udsættes man<br />
for meget stråling. I den højde,<br />
hvor passagerfly bevæger sig, er<br />
strålingen næsten 100 gange<br />
højere end ved jordoverfladen.<br />
Disse ca. 3 mSv pr. år er ikke en farlig<br />
dosis. Personer, der arbejder<br />
steder, hvor der er risiko for stråling,<br />
fx hospitalspersonale ved røntgenanlæg,<br />
må ikke få en dosis, der<br />
er over 20 mSv/år. Den dødelige<br />
dosis ved kortvarig bestråling er<br />
omkring 4 Sv, dvs. 4000 mSv.<br />
BESTRÅLING AF KROPPEN<br />
Vi har alle kalium i kroppen. En af<br />
kaliums isotoper er radioaktiv. Vi<br />
får derfor alle en årlig strålingsdosis<br />
på omkring 0,4 mSv fra de<br />
radioaktive stoffer i kroppen. Jorden<br />
under os og himlen over os<br />
giver også en bestråling. Når der i<br />
en periode er kraftig aktivitet på<br />
Solen, modtager vi en øget stråling.
I rumstationen udsættes astronauterne for stor bestråling.<br />
De største bidrag til bestrålingen af<br />
kroppen kommer fra røntgenundersøgelser<br />
og fra udstrømmende<br />
radon fra jorden. Et røntgenbillede<br />
hos tandlægen giver en dosis på<br />
omkring 0,03 mSv, men en større<br />
røntgenundersøgelse kan give en<br />
dosis, der er lige så stor som den<br />
samlede årlige dosis fra alle andre<br />
strålekilder.<br />
Store doser gives til kræftsyge<br />
patienter. Med strålekanoner kan<br />
man sigte på en kræftsvulst og give<br />
den en så stor dosis, at kræftcellerne<br />
dør. Desværre vil det omliggende<br />
væv også blive beskadiget.<br />
I 1986 skete en alvorlig ulykke på et<br />
kernekraftværk i Tjernobyl i Rusland.<br />
Der skete en fejlbetjening, så<br />
reaktoren blev kraftigt opvarmet<br />
og sprang i luften. 32 personer<br />
døde. De fleste pga. den bestråling<br />
CAFE KOSMOS<br />
de fik under brandslukningen og<br />
det følgende redningsarbejde. Det<br />
radioaktive stof, der slap ud ved<br />
eksplosionen, bevirker, at mange<br />
senere vil dø af kræftsygdomme.<br />
Der er ikke meget viden om konsekvenserne<br />
af små strålingsdoser.<br />
Det er et område, hvor der ikke kan<br />
udføres eksperimenter. Selv om<br />
man kender de doser, en række<br />
personer har modtaget, er det ikke<br />
muligt at finde ud af, om strålingen<br />
giver en øget kræftrisiko. Da<br />
ca. 25 000 danskere hvert år rammes<br />
af en kræftform, er det ikke<br />
muligt at se, om det er 1, 10 eller<br />
100 tilfælde, der skyldes en tidligere<br />
bestråling.<br />
RISIKO OG SANDSYNLIGHED<br />
Der er stor nervøsitet for konsekvenserne<br />
af bestråling fra radio-<br />
25<br />
aktive stoffer. En årsag kan være<br />
angsten for en gentagelse af de<br />
frygtelige situationer ved de to<br />
atombombeeksplosioner i Japan i<br />
1945. Skal man vurdere risikoen for<br />
en bestemt hændelse, må man<br />
både se på sandsynligheden for, at<br />
den sker, og på konsekvenserne af<br />
hændelsen. Ved bestråling i<br />
forbindelse med kernekraftulykker<br />
kan konsekvenserne blive meget<br />
store, men sandsynligheden for at<br />
en ulykke sker er meget lille.<br />
Skal man undgå skader på sin krop,<br />
er det vigtigere at undgå tobak,<br />
alkohol, stoffer og fed mad. Her<br />
findes en veldokumenteret viden<br />
om de skadelige konsekvenser. Der<br />
er således bred enighed om, at<br />
tobaksrygning er årsag til omkring<br />
12000 kræfttilfælde hvert år. Men<br />
om kroppen har modtaget 3 eller<br />
5 mSv hvert år kan ikke opdages i<br />
sygestatistikkerne.<br />
Personer, der i deres arbejde har<br />
en risiko for at blive påvirket af<br />
ioniserende stråling, skal bære et<br />
dosimeter på kroppen. Filmen i<br />
dosimetret vil efter fremkaldelse vise<br />
størrelsen af den stråling, personen<br />
har modtaget.
Der findes tre typer stråling<br />
fra radioaktive stoffer, alfa-,<br />
beta- og gammastråling.<br />
Alfastråling er positivt ladede<br />
heliumkerner.<br />
Betastråling er negativt ladede<br />
elektroner.<br />
Gammastråling er elektromagnetisk<br />
stråling udsendt fra<br />
kernen.<br />
Efter et alfa- eller betahenfald<br />
omdannes atomet til et nyt<br />
grundstof.<br />
Når der er gået en halveringstid,<br />
er der kun den halve<br />
mængde af det radioaktive<br />
stof tilbage.<br />
DET VED DU NU OM ATOMFYSIK<br />
ATOMER OG ANDRE SMÅTING<br />
Et atom består af en atomkerne<br />
omgivet af elektroner.<br />
Når en elektron springer fra en<br />
skal til en anden, der er<br />
nærmere kernen, udsendes lys<br />
med en bestemt farve.<br />
Atomkernen indeholder positivt<br />
ladede protoner og neutrale<br />
neutroner.<br />
RADIOAKTIVITET RADIOAKTIVITET I BRUG<br />
Alderen af arkæologiske genstande<br />
kan bestemmes ud fra<br />
indholdet af carbon-14.<br />
Radioaktive stoffer benyttes på<br />
hospitaler til undersøgelse og<br />
behandling af mange sygdomme.<br />
26<br />
Antallet af protoner i et atom<br />
er det samme som grundstoffets<br />
nummer i det periodiske<br />
system.<br />
Atomerne i et grundstofs<br />
isotoper har samme antal<br />
protoner, men forskelligt antal<br />
neutroner i atomkernen.<br />
ENERGI FRA KERNEN<br />
En fission sker, når en<br />
urankerne rammes af en<br />
neutron og derpå spaltes til<br />
to mindre atomkerner.<br />
Ved en fission dannes meget<br />
store mængder energi.<br />
Kernekraftværker udnytter<br />
fission.
KAN DU HUSKE?<br />
Hvad er forskellen på protoner<br />
og neutroner?<br />
Hvad hedder de tre former for<br />
radioaktivitet?<br />
Hvad sker der, når en elektron<br />
falder ind i en bane, der er<br />
tættere på atomkernen?<br />
Hvad er tungest, en neutron<br />
eller en elektron?<br />
Hvad er tungt vand?<br />
Hvad er et radioaktivt stofs<br />
halveringstid?<br />
PRØV DIG SELV<br />
Hvad er forskellen på<br />
isotoperne af et grundstof?<br />
14<br />
Hvad betyder tallet 14 i 6 C?<br />
Hvad er carbon-14-metoden?<br />
Hvor mange protoner er<br />
der i et aluminium-atom?<br />
UDFORDRING<br />
Beskriv, hvad der sker i en<br />
kernereaktor.<br />
Hvor mange neutroner er<br />
19 der i 9 F?<br />
27<br />
FORSTÅR DU?<br />
Hvad er forskellen på<br />
processerne i en atombombe og<br />
i en kernereaktor?<br />
Hvorfor dannes der ikke et nyt<br />
grundstof, når der udsendes<br />
gammastråling?