Atomfysik ATOMER OG ANDRE SMÅTING RADIOAKTIVITET RADIOAKTIVITET I BRUG ENERGI FRA KERNEN CAFE KOSMOS: RADIOAKTIVITET OG DIN KROP

KAPITEL 1

Atomfysik ATOMER OG ANDRE SMÅTING RADIOAKTIVITET RADIOAKTIVITET I BRUG ENERGI FRA KERNEN CAFE KOSMOS: RADIOAKTIVITET OG DIN KROP To vandrere fandt i 1991 et lig, der var dukket op under en smeltet gletsjer i Alperne. Ismanden, eller Ötzi som liget kaldes efter findestedet i Ötztal, var født for 5300 år siden nær byen Velturno i Italien. Som voksen levede Ötzi 50 km længere mod nord. Ötzi blev dræbt. Ramt af en pil i skulderen. Kort tid efter dækkede sneen hans krop, indtil han i 1991 blev fundet. Ötzi er verdens ældste mumie. Ötzis levesteder, alder og dødsårsag kendes fra undersøgelser af atomerne i hans tænder, af radioaktiviteten i hans krop og fra røntgenscanninger. Atomfysik kan også bruges i arkæologien. Hvor stort er et atom? Hvad er neutroner og protoner? Hvad har lys med atomer at gøre? Hvad er radioaktivitet? Hvorfor er stråling fra radioaktive stoffer farlig? 7

Atomer og andre småting For mere end 2400 år siden påstod den græske tænker Demokrit, at når man blev ved med at halvere et stof, måtte man til sidst komme til en så lille mængde, at den ikke kunne deles yderligere. Demokrit kaldte denne lille mængde for et atom. Det græske ord a-tomos kan oversættes som ikke-delelig. Halverer man rumfanget af en 1 cm 3 stor terning, og halverer man den derpå to gange mere, får man en terning med siden 5 mm. Bliver man ved med at halvere ca. 70 gange, ville der kun være et enkelt atom tilbage. Nu kan terningen ikke halveres mere, for et atom er den mindste del af alle grundstoffer. Atomer er meget små. De har en diameter, der er mellem 0,000 000 0001 m og 0,000 000 0004 m, dvs. lidt over 10 10 m, eller få milliontedele af en millimeter. Atomer har en størrelse mellem 1 og 4 nanometer, se side 114. Tier-potenser Præfiks Størrelse Tier-potens Forkortelse giga 1000000000 10 9 G mega 1000000 10 6 M kilo 1000 10 3 k hekto 100 10 2 h deci 1 10 10 1 d centi 1 100 10 2 c milli 1 1000 10 3 m mikro 1 1000000 10 6 µ (my) nano 1 1000000000 10 9 n Elektronen opdages I 1897 opdagede englænderen Joseph Thomson, at atomer alligevel kunne deles, dvs. at atomerne indeholdt endnu mindre dele. Joseph Thomson udførte eksperimenter med en elektrisk strøm, som blev sendt gennem luft med et meget lavt tryk. Ved eksperimenterne så han en lysende stråle, en såkaldt katodestråle, der viste, hvor den elektriske strøm løb. Mange fysikere arbejdede med disse stråler, men Thomson var den første, der kunne afbøje strålerne både med magneter og med elektriske ladninger. Thomson opdagede, at katodestrålerne blev afbøjet over 1000 gange kraftigere end stråler af hydrogen-ioner. Han kunne ved disse eksperimenter vise, at atomer består af noget tungt, der er positivt ladet, og noget let, der er negativt ladet. De negative partikler i atomet blev senere kaldt elektroner. Thomson mente, at de negativt ladede elektroner og den positivt ladede del af atomet var blandet sammen. Elektronerne lå som rosinerne i en rosinbolle. Det skulle snart efter vise sig at være en forkert model. Atomkernens størrelse Englænderen Ernest Rutherford opdagede i 1911, at atomet havde en meget lille kerne. Rutherford og hans medarbejdere 8

sendte nogle meget små og hurtige partikler ind mod et tyndt folie af guld. Langt de fleste af disse projektiler gik lige gennem foliet. De ramte ikke noget på vejen. Men til forskernes store overraskelse blev enkelte partikler sendt tilbage. Det svarede til, at man skød en granat mod et stykke papir og derpå fik granaten sendt tilbage i hovedet. Partiklerne havde i atomet ramt noget, der var meget småt og tungt. Ud fra denne opdagelse kunne Rutherford beregne, at atomet havde en kerne, der var ca. 1000 gange mindre end selve atomet. Et atom består altså af en lille kerne omgivet af en sky af elektroner. Elektronerne har en negativ elektrisk ladning, mens atomkernen er positivt ladet. Atomet holdes sammen af den elektriske tiltrækning. Elektronernes samlede ladning er lige så stor som atomkernens ladning, så hele atomet er uden elektrisk ladning. Næsten hele atomets masse, mere end 99,9 %, findes i kernen. At atomets størrelse er lidt over 10 10 m eller 0,1 nanometer, vidste forskerne allerede i 1900. Men det kom som en stor overraskelse, at der inde midt i atomet er en langt mindre kerne. Kopiark 1.1 Thomson og elektronen Joseph John Thomson, engelsk fysiker (1856-1940). Thomson er elektronens opdager. I 1897 viste han, at der i atomet er en negativt ladet partikel med en masse, der er mindre end en tusindedel af hele atomets masse. Rosinbollemodellen Negative elektroner fordelt over hele atomet Rutherfordmodellen Positiv kerne Negativ elektron Rutherford og atomkernen Ernest Rutherford, engelsk fysiker (1871-1937). 0,000 07 nanometer 0,2 nanometer Rutherford fik i 1908 Nobelprisen i kemi. I 1911 opdagede han, at atomkernen er langt mindre end atomet. 9

Bohr og elektronerne Niels Bohr, dansk fysiker (1885-1962). Niels Bohr indså i 1913, at elektronerne befinder sig i skaller omkring atomkernen. Når en elektron bevæger sig fra en skal til en anden, der er nærmere ved kernen, udsendes lys. Dette lys har en farve, som afhænger af hvilke skaller, elektronerne springer mellem. Bohrmodellen 0,2 nanometer Negativ elektron Positiv kerne 0,000 07 nanometer Thomson mente, at elektronerne var fordelt over hele atomet. Bohr påstod, at elektronerne kun kunne være i bestemte afstande fra kernen. Elektronspring laver lys Kemi handler om grundstoffer, kemiske forbindelser og stoffers reaktioner med hinanden. Når fx et fyrfadslys brænder, sker der en kemisk proces, hvor atomerne bindes sammen på en ny måde. Kemiske processer ændrer ikke de grundstoffer, der findes ved starten af processen. Grundstofferne kobles bare sammen på en ny måde ved hjælp af elektronerne. Kemiske processer foregår så at sige uden på atomerne. Elektronerne har ikke kun betydning for de kemiske bindinger. Elektronerne er også skyld i, at der opstår lys. Den opdagelse blev gjort af danskeren Niels Bohr i 1913. I 1911 var atomkernens størrelse kendt. Ingen kunne forstå, at den elektriske tiltrækning mellem den positivt ladede atomkerne og de negative elektroner ikke fik elektronerne til bevæge sig i en spiralbane ind mod kernen. Niels Bohr fik så en genial ide: Elektronerne kan kun bevæge sig i kugleskaller rundt om kernen. Når en elektron bevæger sig fra en skal til en anden, der ligger tættere på kernen, udsendes der lys. Lysets farve hænger sammen med forskellen i energi mellem de forskellige baner. Når en elektron falder ned i en bane tættere på kernen, udsendes en lille lyspakke. Den kaldes en foton. Det er den mindste mængde lys, der eksisterer. Lys som fingeraftryk Alle atomer i et bestemt grundstof har elektronskallerne liggende i samme afstande fra kernen. Derfor kan elektronerne kun foretage nogle bestemte spring, så farverne af lyset vil være de samme fra alle atomerne. Farven af det udsendte lys er derfor en slags fingeraftryk af det pågældende grundstof. Hvert grundstof udsender bestemte farver, når det bliver varmet op. Det vidste man inden Bohrs opdagelse, men Bohr var den første, der kunne forklare fænomenet. Grundstof nr. to i det periodiske system, helium, blev opdaget ved hjælp af farven af det udsendte lys. I 1868 fandt man en bestemt gul farve i lyset fra Solen. Ingen af de grundstoffer, man på det tidspunkt kendte, lyste med netop denne farve. Der måtte altså være et grundstof på Solen, som ikke fandtes på Jorden. Først 16 år senere fandt man helium på Jorden. Kopiark 1.2 10

EKSPERIMENT Elektronspring laver farver Hvert grundstof udsender ganske bestemte farver, når det bliver varmet op. Det er derfor muligt af farverne at bestemme de grundstoffer, der er til stede. Et optisk gitter spreder lyset på samme måde som et glasprisme. Se på en almindelig elpære, et lysstofrør og en lysdiode gennem gitret. Fugt en vatrondel med sprit. Læg vattet på en mursten på en bakke. Sæt bakken i stinkskabet. Drys lidt køkkensalt, NaCl, på vattet. Sæt ild til vattet. Se på farven af flammen både direkte og gennem et optisk gitter. Der kommer en tydelig gul farve fra natrium, når køkkensalt opvarmes. Gentag eksperimentet med CaCO 3, KCl, CuCl 2, LiCl og SrCl 2. Kvantefysik Elektroner er ikke altid små partikler. Elektroner kan også være bølger. Elektroner og andre atomare partikler har flere underlige egenskaber. De kan være mange steder på samme tid. Det er noget, der ikke kan fattes ud fra normale erfaringer. Atomernes verden beskrives i den såkaldte kvantefysik. Et kvant betyder i fysik en lille størrelse. I atomernes verden kan alle partikler også opfattes som små bølgepakker, men man ved ikke sikkert, hvor denne pakke er. Man kan kun finde en sandsynlighed for, at den er et bestemt sted. Atomfysikkens partikler kan heller ikke spærres inde. For os kan en høj mur være umulig at komme over. Men atomare partikler har en bestemt sandsynlighed for at komme over på den side af muren, der skulle være umulig at nå. På tilsvarende måde kan en partikel samtidig gå gennem to huller i en skærm. I atomernes miniverden gælder mærkelige love, der er svære at forstå. Niels Bohr har sagt: Hvis man kan sætte sig ind i kvantemekanik uden at blive svimmel, har man ikke forstået noget af det. I 2009 er verdensrekorden i stangspring 6,14 m. Den rekord er ikke forbedret i 15 år. Men i kvantemekanikkens verden ville en dygtig stangspringer ikke vide, om han kom over fire eller otte meter, når han havde sat af fra jorden. Alt ville være muligt. For en atomar partikel er der en lille sandsynlighed for, at den kommer over otte meter, også selv om den ikke har energi nok. 11

Antal neutroner og protoner i atomkernen 14 C 6 Grundstofsymbol Antal protoner i atomkernen Atomkernen i carbon-14 har seks protoner og otte neutroner. Der er altså i alt 14 partikler i atomkernen. Nyttige oplysninger Et atom består af en atomkerne omgivet af elektroner. Når en elektron springer fra en skal til en anden, der er nærmere kernen, udsendes lys med en bestemt farve. Atomkernen indeholder positivt ladede protoner og neutrale neutroner. Antallet af protoner i et atom er det samme som grundstoffets nummer i det periodiske system. Atomerne i grundstofs isotoper har samme antal protoner, men forskelligt antal neutroner i atomkernen. Protoner og neutroner I atomkernen er der er to slags partikler, protoner og neutroner. Neutronen har ingen ladning. Protonen har en positiv ladning, der er lige så stor som elektronens negative ladning. Antallet af protoner i et bestemt grundstofs atomkerne er det samme som stoffets nummer i det periodiske system. Der er altså én proton i en hydrogenkerne, to protoner i en heliumkerne og 92 protoner i en urankerne. Protoner og neutroner har næsten samme masse. Massen er meget lille, kun 1,7 10 27 kg. Det kan skrives som 0,0 017 kg, hvor prikkerne skal erstattes af 24 nuller. Da det er ubekvemt at arbejde med så små tal, benytter atomfysikere en anden masseenhed end kilogram. De benytter en atomar masseenhed, der forkortet skrives u. Både protoner og neutroner har en masse tæt ved 1 u. Elektronens masse er meget mindre, bare 0,0005 u. Det er 1/2000 af protonens masse. Isotoper I et bestemt grundstofs kerne kan der være et forskelligt antal neutroner. Atomer med samme antal protoner, men med et forskelligt antal neutroner, kaldes grundstoffets isotoper. Isotoperne af et bestemt grundstof har forskellige masser. Grundstof nr. 1, hydrogen, har altid en enkelt proton i atomkernen. Atomer af hydrogen kan findes både uden neutroner, med en og med to neutroner i atomkernen. Der findes altså tre forskellige hydrogen-isotoper. Hydrogen har grundstofsymbolet H. Det mest almindelige hydrogen betegnes 1 1H. Det nederste 1-tal er antallet af protoner i kernen. Det øverste 1-tal er det samlede antal partikler i kernen. Hydrogen-isotopen 2 1H, der kaldes deuterium, har altså to partikler i kernen, en neutron og en proton. I kemiske processer er der ingen forskel på de to isotoper. Når de reagerer med oxygen, dannes vand, H 2 O. I almindeligt vand indeholder 99,985 % af molekylerne den lette hydrogenisotop. Men vand indeholder ganske lidt, 0,015 %, tungt vand, med isotopen deuterium. Massen af 1 ml almindeligt vand er præcis 1 gram, men samme mængde tungt vand med to deuterium-isotoper i molekylet har massen 1,11 g. Kopiark 1.3 og 1.4 12

Radioaktivitet I 1895 havde Wilhelm Röntgen opdaget røntgenstrålerne. I de næste tyve år fik forskerne en ny forståelse af atomernes småtingsverden. Den ny forståelse er fx årsag til, at vi i dag kan sende rumsonder ud i verdensrummet, kan bruge mobiltelefon og udefra se, om en kuffert i lufthavnskontrollen indeholder sprængstoffer eller narkotika. En af denne periodes store opdagelser var de radioaktive stoffer. Stråler fra uran Den franske fysiker Henri Becquerel undersøgte i 1896 om et uransalt udsendte røntgenstråler, når det blev belyst af Solen. For at undersøge strålingen blev stoffet anbragt nogle timer i sollys. Uransaltet lå oven på en fotografisk film, der var pakket ind, så sollyset ikke kunne ramme den. Det viste sig, at den indpakkede film blev sværtet af stråler fra saltet. Det så altså ud, som om saltet udsendte røntgenstråling. Det var overskyet 26. og 27. februar 1896, så film og uransalt havde kun ligget i sollys i meget kort tid. Resten af tiden lå saltet oven på filmen i en skuffe. Becquerel havde forventet en ganske svag påvirkning af filmen, men da den blev fremkaldt, var den kraftigt sværtet. Becquerel gentog forsøget med film og uransalt i skuffen. Samme resultat. Efter mange målinger kunne han konkludere, at der kom en ny og ukendt stråling fra uran. Marie Curie og radium I 1897, kort efter at Becquerel havde opdaget den mystiske stråling fra grundstoffet uran, begyndte Marie Curie i Paris at undersøge strålingen. Hun kaldte den radioaktivitet. Ordet radio stammer fra latin og betyder stråle. Hun opdagede, at nogle mineraler udsendte langt mere stråling end det, der kom fra uran. Marie Curie indså, at hun havde fundet et mineral, der indeholdt små mængder af et nyt og ukendt grundstof. Sammen med sin mand begyndte hun arbejdet for at finde det ny grundstof. Men Curie fandt to nye grundstoffer, radium og polonium. Ud fra 1 ton af uranmineralet begblende var Curie i stand Radioaktiviteten opdages Henri Becquerel, fransk fysiker (1852-1908). Becquerel opdagede i 1896, at uran udsendte en ny type stråling. Han kunne ikke forklare, hvad strålingen var, men i dag ved vi, at det er stråling fra radioaktive stoffer. Nye grundstoffer Marie Curie, polsk/fransk fysiker/kemiker (1867-1934). Sammen med sin mand, Pierre Curie, fandt hun i 1901 to nye radioaktive stoffer, radium og polonium. Hun indførte navnet radioaktivitet. Marie Curie er den eneste, der har fået nobelpriser både i fysik og kemi. 13

α Magnet Radium Alfastråling γ Hul Bly Alfastråling, der består af positive heliumkerner afbøjes af et magnetfelt. De negativt ladede betapartikler afbøjes i den modsatte retning. Gammastråling påvirkes ikke af magnetfelter. 241 237 4 Am Np + He 95 93 2 Americium-241 henfalder til neptunium-237 ved udsendelse af en alfapartikel. Halveringstiden er 458 år. Betastråling 90 90 0 Sr Y + e 38 39-1 β Alfapartikel Betapartikel Strontium-90 henfalder til yttrium-90 ved udsendelse af en betapartikel. Halveringstiden er 29 år. Gammastråling 137 137 Cs* 55 55 Cs + γ Gammastråling Caesium henfalder fra en energirig tilstand ved udsendelse af gammastråling. Halveringstiden er 30 år. til at udvinde 1/10 gram af det nye grundstof, radium. Stoffet udsendte en meget stærk stråling. Det var selvlysende og blev opvarmet af sig selv pga. den kraftige energiomdannelse. Det var helt uforståeligt for datidens fysikere. Energien kunne ikke bare komme af sig selv. Løsningen på dette problem var overraskende. Strålingen kom fra de radioaktive atomers kerner. Energien opstod, når de radioaktive grundstoffer ændredes til nye grundstoffer. Denne grundstofændring var helt uforståelig, da alle kendte kemiske processer hidtil havde vist, at grundstoffer ikke kunne omdannes. Tre slags stråling Der findes tre typer stråling fra radioaktive stoffer, alfa-, betaog gammastråling. Alfa, beta og gamma er de tre første bogstaver, α, β og γ, i det græske alfabet. Alfastråling har en kort rækkevidde. Strålingen stoppes af fem centimeter luft eller et stykke papir. Alfastråling er partikler med to protoner og to neutroner. Partiklerne er altså atomkerner af grundstoffet helium. Når den radioaktive atomkerne mister to protoner, bliver den omdannet til et nyt grundstof med et atomnummer, der er to mindre. Betastråling har en længere rækkevidde end alfastråling. Strålingen kan bevæge sig mange centimeter i luft og trænge gennem metalfolier med en tykkelse på en halv millimeter. Betastråling består af elektroner, der kommer fra kernen. Kernen indeholder ikke elektroner, men de opstår, når en neutron omdannes til en proton og en elektron. Når kernen får en proton mere, bliver atomet omdannet til et nyt grundstof med et atomnummer, der er én større. Gammastråling har den største rækkevidde. Strålingen kan trænge gennem metalplader og bevæge sig langt i luft. Lys opstår, når elektroner falder fra en skal ned til en anden. Gammastråling opstår på tilsvarende måde, når der sker en energiændring i atomkernen. Gammastråling er elektromagnetisk stråling ligesom lys, radiobølger og røntgenstråling. Kopiark 1.5 Halveringstid Når et stof er radioaktivt, bliver atomerne omdannet. Der vil derfor være færre og færre af de radioaktive atomer tilbage. 14

Halveringstiden er den tid, der går, indtil halvdelen af atomerne i stoffet er omdannet. Når der er gået to halveringstider, er der kun en fjerdedel af atomerne tilbage. Efter tre halveringstider er en ottendedel tilbage. Halveringstider kan være meget forskellige. Der findes atomer, hvor halveringstiden er mindre end en tusindedel sekund. Andre stoffer har meget lang halveringstid. Der findes stoffer med en halveringstid, der er længere end den tid, Jorden har eksisteret. Stoffer med så lang halveringstid udsender kun ganske lidt stråling, mens de kortlivede udsender meget. Kopiark 1.6 og 1.7 Antal atomer Tid Hvorfor er nogle isotoper radioaktive? I et bestemt grundstofs atomer er der altid samme antal protoner i atomkernerne. Men i de forskellige isotoper kan der være stor forskel på antallet af neutroner. Hvis der er mange neutroner i en kerne, kan den blive ustabil. Den udsender så en betapartikel, hvorved en neutron omdannes til en proton. Der bliver på den måde dannet en mere stabil kerne. Hvis der omvendt er få neutroner i kernen, vil frastødningskræfterne mellem de positive protoner bevirke, at kernen kan blive mere stabil ved udsendelse af en alfapartikel. Når der er udsendt en alfa- eller en betapartikel, vil kernen tit være gamma-aktiv. Efter yderligere henfald dannes til sidst en stabil kerne. 0 T ½ 2 T ½ 3 T ½ Antallet af radioaktive atomer er halveret, når der er gået en halveringstid. Efter to halveringstider er antallet faldet til en fjerdedel. Radioaktive stoffer skal markeres med et gult fareskilt. Ioniserende stråling Strålingen fra radioaktive stoffer ioniserer de stoffer, der bliver ramt. At strålingen ioniserer, betyder, at der bliver slået elektroner ud af de ramte atomer, der herved bliver til positive ioner. Bindingerne mellem atomerne i et molekyle kan også blive ødelagt. Denne ioniserende effekt har både gode og dårlige konsekvenser. Allerede tidligt efter opdagelsen af de radioaktive stoffer blev man klar over, at strålingen kunne dræbe kræftceller. At strålingen også kan skade sunde celler, opdagede man først senere. Marie Curie fik ødelagt sine hænder efter i mange år at have rørt ved radioaktive stoffer. Hun døde af en blodsygdom, der med stor sandsynlighed opstod på grund af den kraftige stråling, som hun havde været udsat for. 15

Halveringstid og terninger Kaster man en terning, er sandsynligheden en sjettedel for at få en sekser. På samme måde har de enkelte atomer i et radioaktivt stof en bestemt sandsynlighed for at udsende stråling og derved henfalde til et andet stof. Hver gang der udsendes stråling, bliver der mindre af det radioaktive stof. EKSPERIMENT Kast 100 terninger. Fjern alle seksere. De stables til en søjle. Skriv på tavlen, hvor mange terninger der er tilbage. Kast så de resterende terninger. Fjern igen sekserne, der stables til en ny søjle. Skriv igen, hvor mange terninger der er tilbage. Bliv ved, indtil der er mindre end 25 terninger tilbage. Undersøg, hvor mange omgange der skal slås, før halvdelen og før tre fjerdedele af terningerne er fjernet. Hvad er halveringstiden for terningerne? Gentag eksperimentet nogle gange. Er halveringstiden den samme hver gang? Gentag eksperimentet, men denne gang fjernes de terninger, der viser 1 eller 2. Find igen halveringstiden. Elektroner Let gennemtrængeligt vindue α-partikel + + + Geigertæller Metalcylinder Metalstang Når en alfa- eller betapartikel kommer ind i geigertælleren, ioniseres luften. De negative elektroner trækkes over mod den positive stang i midten af røret. Geigertælleren Den ioniserende virkning af stråling udnyttes i de instrumenter, der bruges til at måle størrelsen af strålingen. En geigertæller er et lille rør, hvor lufttrykket er lavt, ca. en tiendedel atmosfære. I enden af røret er et tyndt folie, som strålingen kan passere. I røret findes en metalcylinder med en tynd stang i midten. Der er en spændingsforskel mellem stang og cylinder. Når strålingen kommer ind i røret, ioniseres luften. Der dannes elektroner. Spændingsforskellen mellem tråd og cylinder giver disse elektroner ekstra fart, så de kan ionisere flere luftmolekyler. Med en følsom impulstæller kan man måle den lille ændring i spændingsforskellen, der kommer, når elektronerne rammer tråden. Det kan høres som tilfældige klik, når en højttaler er tilsluttet. Tælleren kaldes en geigertæller efter opfinderen Hans Geiger, der lavede de første tællere i 1908. Kopiark 1.8, 1.9 og 1.10 16

Baggrundsstråling En geigertæller viser, at der er ioniserende stråling, også selv om skolens radioaktive kilder er langt væk. Der er nemlig radioaktive stoffer overalt. Der kommer stråling fra radioaktive stoffer i jorden. Der er således normalt flere kilogram uran i den øverste meter af jorden i en almindelig parcelhusgrund. Radon, en radioaktiv gas, strømmer op fra undergrunden de fleste steder i Danmark. Fra verdensrummet bliver Jorden til stadighed bombarderet af atomare partikler, der kan få geigertællere til at reagere. Denne stråling kaldes baggrundsstrålingen, fordi den hele tiden er til stede. Vi kan ikke undgå baggrundsstrålingen. I Danmark er baggrundsstrålingen højest på Bornholm, fordi klipperne i undergrunden indeholder mere radioaktivt materiale end muldjorden andre steder i Danmark. I mange huse er strålingsniveauet ret højt pga. små opstrømmende mængder af radon. Kopiark 1.11 og 1.12 E=mc 2, fysikkens mest kendte formel Kernefysikere bruger store, meget energikrævende apparater til at undersøge, om der er andre partikler inde i kernens protoner og neutroner. Ved at få partikler til at støde sammen med en fart lige under lysets fart, kan kernefysikere smadre kernepartiklerne. På den måde har man opdaget, at der er mange mindre partikler i kernepartiklerne. En af de spændende partikler er positronen. Det er en partikel med samme masse som elektronen, men med en positiv ladning, altså en positiv elektron. Når en positiv positron støder ind i en negativ elektron, forsvinder de begge. Selv om de begge har en masse, er der ingen masse tilbage efter deres sammenstød. Stoffet er forsvundet. Der er blevet til energi i form af gammastråling. Denne forsvinden er en følge af Albert Einsteins relativitetsteori. Et af relativitetsteoriens resultater er den berømte formel E = mc 2. Her er E energien, m massen og c lysets fart. Ved hjælp af denne formel kan man bestemme, hvor meget energi der dannes, når en masse forsvinder. Det er den formel, der forklarer, hvordan energien i kernekraftværker og atombomber opstår. Nyttige oplysninger Der findes tre typer stråling fra radioaktive stoffer, alfa-, beta- og gammastråling. Alfastråling er positivt ladede heliumkerner. Betastråling er negativt ladede elektroner. Gammastråling er elektromagnetisk stråling udsendt fra atomkernen. Efter et alfa- eller betahenfald omdannes atomkernen til et nyt grundstof. Når der er gået en halveringstid, er der kun den halve mængde af det radioaktive stof tilbage. Albert Einstein, tysk/amerikansk fysiker (1879-1955). Einstein er 1900-tallets mest berømte fysiker. Hans største opdagelse er relativitetsteorien, der fx forklarer, hvorfor lysets fart er den største fart, noget legeme kan få. Hans teori beskriver også, at tiden går langsommere, når man bevæger sig meget hurtigt. 17

Radioaktivitet i brug 234 92U 230 90Th + 4 2He 226 88Ra + 4 2He 222 86Rn + 4 2He 218 84Po + 4 2He 214 Pb + 4 2He 82 Radon Uran-238 henfalder til bly-214 i fem trin ved i hvert trin at udsende en alfapartikel. Et af disse henfaldsprodukter er grundstoffet radon, Rn, der er en luftart. Da der overalt er uran i undergrunden, kan radon sive op gennem jorden. Hvis denne luftart trænger ind i kældre, der ikke er tilstrækkeligt udluftet, kan koncentrationen af radon og radons henfaldsprodukter blive så høj, at det kan være sundhedsfarligt. Stråling fra radioaktive stoffer er farlig i store mængder, men ganske små mængder skader næppe. Radioaktive stoffer kan derfor uden større risiko bruges til mange praktiske formål, bl.a. ved undersøgelser på sygehuse. Virker nyrerne? Indtil 1937 var der et hul på plads nummer 43 i det periodiske system. Ingen kunne finde grundstof nr. 43. Årsagen til den tomme plads viste sig at være, at det manglende stof var radioaktivt, så alle de atomer af stoffet, der fandtes, da Solsystemet blev dannet, nu var forsvundet. I dag kan man kunstigt fremstille en isotop af dette grundstof, technetium, men stoffet forsvinder hurtigt. Halveringstiden er på seks timer. Technetium bruges meget ved medicinske undersøgelser. Skal man finde ud af, hvor hurtigt nyrerne udskiller et bestemt stof, kan man kemisk binde lidt technetium til stoffet. Patienten får en indsprøjtning eller drikker en opløsning af det radioaktive stof. Med en tæller måler man, hvor hurtigt stoffet forsvinder fra nyrerne. Skal man foretage en undersøgelse af knoglesvulster, kan technetium bindes til et andet stof, der efter indsprøjtning samler sig i knoglevævet. I svulsterne dannes nyt væv, og her samles store mængder af det indsprøjtede stof. Ved nu at måle mængden af stråling i de forskellige dele af kroppen, kan man finde de steder, hvor der er en kræftsvulst i knoglerne. Hvor gammel er ismanden? Kulstof-14-metoden 14 Carbon-isotopen, 6 C, der normalt kaldes carbon-14 eller kulstof-14, har en halveringstid på 5730 år. Carbon-14-atomerne dannes højt oppe i atmosfæren, når stråling fra Solen rammer luften. De dannede carbon-14-atomer fordeler sig på få år i hele atmosfæren. Ved fotosyntesen optages denne carbon-isotop i planterne. Når dyr æder planterne, optages isotopen i dyrenes celler. På den måde ender carbon-14 i alle celler i planter og dyr. Selv om der kun dannes omkring 5 kg af denne isotop hvert år, er det nok til, at den kan bruges ved bestemmelse af arkæologiske genstandes alder. 18

EKSPERIMENT Radioaktivt radon i kælderen Hvis der siver radon fra undergrunden ind i skolens kælder, vil støvet i lokalet indeholde små mængder af de stoffer, radon henfalder til. Anbringes et par lag gaze på mundstykket af en støvsuger, er det muligt at opsamle noget af dette støv. Vælg et af skolens kælderrum, hvor der sjældent luftes ud. Luften fra dette rum suges gennem et stykke gaze i ca. en halv time. Sug også luften i et klasselokale gennem gaze i en halv time. Med en geigertæller undersøges tælletallene fra de to stykker gaze. Radon fra undergrunden er den største kilde til radioaktiv forurening i huse i Danmark. Det er vigtigt, at fundamenterne forsegles, så radon ikke kan trænge ind i boligen. Når et træ eller dyr dør, vil der ikke blive optaget mere carbon-14. Mængden af carbon-14 i den døde organisme vil nu mindskes, når de radioaktive carbon-14-atomer omdannes. Ved at måle indholdet af carbon-14 i en genstand er det derfor muligt at foretage aldersbestemmelser op til omkring 50 000 år. Selv om et menneske kun indeholder ca. 10 milliardtedele gram af carbon-14, er målemetoderne så følsomme, at man med en ganske lille prøve er i stand til at foretage en præcis aldersbestemmelse. Det er med denne metode, kulstof-14- metoden, at ismandens alder er blevet bestemt til 5300 år. Nyttige oplysninger Alderen af arkæologiske genstande kan bestemmes ud fra indholdet af carbon-14. Radioaktive stoffer benyttes på hospitaler til undersøgelse og behandling af mange sygdomme. Solsystemets alder Solsystemet blev antagelig dannet for 4,567 milliarder år siden. Det ved man, fordi der ikke er fundet noget materiale, der har en højere alder. Der er fundet mineraler, der er 4,4 milliarder år gamle, og der er fundet meteoritter, der er endnu ældre. Men de ældste meteoritter er 4,567 milliarder år gamle. Heller ikke sten fra Månen er ældre. Derfor mener man i dag, at Solen, Jorden og planeterne har en alder på 4,567 milliarder år. Ved denne aldersbestemmelse er der ikke brugt carbon-14, men andre isotoper med en meget lang halveringstid. 19

Neutron Uran Krypton Barium Tre neutroner Når en urankerne rammes af en neutron, kan den fx deles i en barium- og en kryptonkerne. Ved processen dannes også tre neutroner, der kan starte en ny fission i en anden urankerne. Atombomben Efter opdagelsen af fissionen indså fysikerne, at denne proces kunne bruges til en bombe af uhørt styrke. Der startede nu et kapløb mellem fysikere fra 2. verdenskrigs to modstandere. USA var hurtigst. I 1945 kastede USA den første atombombe over den japanske by Hiroshima, hvor ca. 140 000 omkom pga. eksplosionen. Bomben havde en styrke, som om 15 000 ton almindeligt sprængstof var blevet benyttet. Billedet viser Hiroshima efter eksplosionen. Energi fra kernen Ved en kemisk proces, som fx en forbrænding, frigives energi. Den opstår, når de enkelte grundstoffer forbindes med hinanden til nye kemiske forbindelser. Ved kerneprocesser dannes derimod nye grundstoffer. Hvis de nye grundstoffer har en lavere masse end de oprindelige, frigives meget store energimængder. Denne metode til frembringelse af energi blev brugt i de atombomber, der blev kastet over Japan i 1945. Og metoden benyttes i mange af vore nabolande til elproduktion i kernekraftværker, der også kaldes atomkraftværker. I atombomber og kernekraftværker frigives energi, når en stor atomkerne går i to stykker. Stykkerne bliver til to nye grundstoffer, der udsendes med stor fart. Ved denne proces forsvinder der masse, som omdannes til energi. Fission I 1938 undersøgte fysikere, hvad der sker, når en neutron rammer kernen af et grundstof. I næsten alle tilfælde blev der dannet en anden isotop af grundstoffet. Da turen kom til uran, opdagede de tyske kemikere Hahn og Strassmann, at der blev dannet et helt andet stof, nemlig barium. Det kunne ikke passe, så den kemiske analyse af det bestrålede stof blev gentaget flere gange. Til sidst måtte de give op: Der dannes barium - men vi forstår det ikke! To fysikere, Lise Meitner og Otto Frisch, der var gæster ved Niels Bohr Institutet i København, fandt ud af, hvorfor der dannedes barium. Kernen med den ekstra neutron spaltes i to dele. De foreslog at kalde processen fission (spaltning). Hurtigt blev denne fission kendt blandt flere landes fysikere. Det viste sig, at der samtidig med spaltningen af urankernen blev udsendt to eller tre neutroner. Hvis disse neutroner rammer andre urankerner lige efter den første fission, vil der udsendes mange flere neutroner. De kan starte en kædeproces, der hurtigt får flere og flere urankerner til at spaltes. Processen kan i løbet kort tid udvikle en ufattelig stor energi. Kernekraft I mange lande, bl.a. Frankrig, Belgien, Sverige og Tyskland, produceres en stor del af el-energien på kernekraftværker. I 20

Opbygning af et kernekraftværk Dampturbine Elgenerator Damp Kontrolstang Dampgenerator Strålingsafskærmning af beton Kondensator Reflektor Brændselsstang Reaktortank Reaktorkerne Pumpe Fødevandspumpe Fødevand Kølevand 2009 er der i hele verden omkring 450 kernekraftværker. Her kommer energien ikke fra en forbrænding, men fra fissionsprocessen. Det er samme proces som i atombomberne, blot sker spaltningen af uran-atomerne på kernekraftværkerne langsomt og på en kontrolleret måde. Når atomkernen spaltes, frigøres en stor energimængde. Spaltning af 1 kg uran frigør en energi, der er mere end to millioner gange større end energien ved forbrænding af 1 kg carbon. Energien kommer, fordi lidt af massen forsvinder ved processen. Einsteins berømte formel, E = mc 2, viser, at der er en sammenhæng mellem energien, E, og den forsvundne masse, m. Kernekraftværker I reaktoren i kernekraftværket på billedet findes omkring 40000 lange, tynde metalrør, der indeholder urandioxid, UO 2. Rørene er lavet af en stærk zirconiumlegering, så brændslet ikke kan komme ud til omgivelserne. Omkring 50 rør er samlet i et brændselselement. Brændselselementerne befinder sig i en tryktank, hvor vand under højt tryk strømmer forbi. Afstanden mellem brændselselementerne er så lille, at der kan foregå en kædereaktion. Det betyder, at der netop dannes så mange neutroner ved uran-atomernes spaltning, at de næste urankerner kan spaltes. Kernekraftværk 100 km syd for grænsen mellem Danmark og Tyskland, ligger kernekraftværket Brokdorf. Det producerer en elektrisk effekt på næsten 1500 megawatt. Til sammenligning bruger hele Danmark en effekt omkring 5000 MW. Energien fra kraftværket dannes i en reaktor, der indeholder ca. 100 ton uranholdigt brændsel. 21

Energi fra uran I en reaktor kan 1 kilogram uran som brændsel give en energimængde på 81 10 12 joule, hvor 1 kg carbon ved forbrænding giver 2 millioner gange mindre energi. Energien fra de 1000 gram uran opstår, fordi uran-atomerne omdannes til andre grundstoffer, som samlet har en masse tæt på 999 gram. Der forsvinder en masse på kun 0,9 gram. Under normal drift omdannes ca. 2 gram uran hver dag i en stor reaktor. Einsteins formel E=mc 2, viser, at der opstår energi, E, når der forsvinder masse, m. Symbolet c er lysets fart, 3 10 8 m/s. Med 0,9 g forsvundet stof findes E = mc 2 = (0,0009 kg) (3 10 8 m/s) 2 = 81 10 12 joule. Nyttige oplysninger En fission sker, når en urankerne rammes af en neutron og derpå spaltes til to mindre atomkerner. Ved en fission dannes meget store mængder energi. Kernekraftværker udnytter fission. Mellem brændselselementerne er der kontrolstænger. Når en neutron rammer en kontrolstang, fanges neutronen, så den ikke kan deltage i kædeprocessen. Ved at trække kontrolstængerne ud eller ind kan mængden af frie neutroner reguleres. På denne måde styres kædeprocessen. Den dannede energi ved fissionen opvarmer vandet, som bruges til at producere damp i et andet kredsløb med lavere tryk. Dampen driver nogle turbiner og generatorer, der producerer elektricitet. Denne del af kernekraftværket virker som et helt almindeligt kraftværk. Der er gjort meget for at undgå udslip i tilfælde af uheld. Reaktorens tryktank er lavet af stål med en tykkelse på 25 cm. Bygningen omkring reaktoren har tykke betonvægge beklædt med stål på indersiden. Desuden findes en række filtre, som kan tilbageholde radioaktive stoffer, hvis der ved en fejl skulle slippe noget ud af selve reaktortanken. Kopiark 1.13 og 1.14 Affald fra kernekraftværker Der er en række problemer ved udnyttelse af kernereaktorer. De grundstoffer, der dannes ved fissionen, er stærkt radioaktive. Desuden skaber neutronbestrålingen af uran nogle stoffer med en meget lang halveringstid. Derfor skal det brugte kernebrændsel isoleres fra omgivelserne i mange år. Affaldet er farligt, men til gengæld er mængden ikke stor. Et års drift af et kernekraftværk medfører nogle få kubikmeter radioaktivt materiale. Når et brændselselement har været brugt i omkring fire år, er uranindholdet blevet for lavt til, at processen kan fortsætte. Elementet skal udskiftes. De brugte brændselselementer indeholder stærkt radioaktive stoffer. Det meste, 95 %, kan bruges som brændsel i særlige reaktorer. I nogle lande, bl.a. Frankrig og England, bliver affaldet behandlet kemisk, så de farligste stoffer fjernes. Disse stoffer skal deponeres i flere hundrede år. I andre lande, bl.a. Sverige, Finland og USA, deponeres alt affaldet et sted, hvor stoffet ikke forventes at komme op til overfladen i mange hundrede år. De radioaktive stoffer smeltes ind i glas. I Sverige anbringes affaldet 500 m under overfladen i et område med grundfjeld. 22

EKSPERIMENT Kædereaktion Kædereaktionsapparatet med tændstikker giver et indtryk af processen i en reaktor. En brændende tændstik et sted i apparatet vil sætte ild til sine to nabotændstikker. Med nogle metalstifter er det muligt, som med kontrolstænger i en reaktor, at bremse kædeprocessen. Kædereaktionsapparatet anbringes i et forsøgsstativ og fyldes med tændstikker. Anbring seks stifter i apparatet. Tænd en af tændstikkerne. Hvor længe varer det, inden den sidste tændstik tændes? Gentag eksperimentet med 12 stifter. Er kernekraft farlig? Ja, kernekraft er farlig. Men det er alle andre former for energiproduktion også. Skal man tage stilling til brug af kernekraft må fordele og ulemper vejes op mod hinanden. Hvad er værst for samfundet: Risikoen for et udslip af radioaktivt materiale, der vil forårsage mange kræftdødsfald, eller en fortsat brug af fossile brændstoffer med udledning af carbondioxid til atmosfæren og brug af naturresurser, der bedre kunne bruges til andre formål? Det er et svært spørgsmål, for der skal sammenlignes forhold, som ikke umiddelbart er nemme at sammenligne. Et radioaktivt udslip har en meget lille sandsynlighed for at ske, men konsekvenserne kan blive store. Den fortsatte brug af fossile brændstoffer vil ændre atmosfærens egenskaber og bidrage til risikoen for krige, når oliefelter og kulminer er ved at være tomme. Det bliver et vanskeligt problem at tage stilling til. 23

CAFE KOSMOS RADIOAKTIVITET OG DIN KROP Radioaktive stoffer skal opbevares sikkert. Affald fra kernekraftværker skal gemmes i mere end tusind år. Hvorfor er stråling fra radioaktive stoffer farlig? Hvad sker i din krop, når du udsættes for ioniserende stråling? I en strålekanon kan en farlig svulst dræbes med ioniserende stråling. Skadevirkningen fra den ioniserende stråling afhænger især af den energi, der afsættes i kroppen, når strålingen bremses. Men skaden afhænger også af bestrålingstypen, og hvor kroppen bestråles. Bestråling af kønsorganerne er meget farligere end bestråling af fx fødderne. Man måler en strålings skadevirkning i enheden sievert, der er opkaldt efter den svenske fysiker Rolf Sievert. Enheden forkortes Sv. En sievert er en stor enhed, derfor bruger man ofte enheden millisievert. En millisievert, der forkortes msv, er en tusindedel sievert. Vi udsættes alle for stråling. En dansker får i gennemsnit ca. 3 msv pr. år. For en vestjyde er dosis lavere, men bor man på Bornholm kan dosis være højere. Bor man i et hus, hvor der siver radon ind i kælderen, kan dosis blive en del højere. Ved flyvning udsættes man for meget stråling. I den højde, hvor passagerfly bevæger sig, er strålingen næsten 100 gange højere end ved jordoverfladen. Når stråling fra radioaktive stoffer rammer kroppens atomer, dannes der ioner. De kemiske bindinger i molekylerne rives over. Disse ændringer i kroppens celler kan være skadelige. Hvis strålingen rammer og ødelægger cellernes DNA, kan den beskadigede DNAstreng ikke længere fungere efter hensigten. Det kan få alvorlige konsekvenser. Hvis strålingen er meget kraftig, vil den være dræbende. Hvis strålingen er kraftig, men uden at være dræbende, er risikoen for senere at få en alvorlig kræftsygdom blevet forøget. Men hvor farlig er strålingen sammenlignet med andre af de farer, vi ellers er udsat for? STRÅLINGENS STYRKE 24 Disse ca. 3 msv pr. år er ikke en farlig dosis. Personer, der arbejder steder, hvor der er risiko for stråling, fx hospitalspersonale ved røntgenanlæg, må ikke få en dosis, der er over 20 msv/år. Den dødelige dosis ved kortvarig bestråling er omkring 4 Sv, dvs. 4000 msv. BESTRÅLING AF KROPPEN Vi har alle kalium i kroppen. En af kaliums isotoper er radioaktiv. Vi får derfor alle en årlig strålingsdosis på omkring 0,4 msv fra de radioaktive stoffer i kroppen. Jorden under os og himlen over os giver også en bestråling. Når der i en periode er kraftig aktivitet på Solen, modtager vi en øget stråling.

CAFE KOSMOS Der er stor nervøsitet for konsekvenserne af bestråling fra radioaktive stoffer. En årsag kan være angsten for en gentagelse af de frygtelige situationer ved de to atombombeeksplosioner i Japan i 1945. Skal man vurdere risikoen for en bestemt hændelse, må man både se på sandsynligheden for, at den sker, og på konsekvenserne af hændelsen. Ved bestråling i forbindelse med kernekraftulykker kan konsekvenserne blive meget store, men sandsynligheden for at en ulykke sker er meget lille. I rumstationen udsættes astronauterne for stor bestråling. De største bidrag til bestrålingen af kroppen kommer fra røntgenundersøgelser og fra udstrømmende radon fra jorden. Et røntgenbillede hos tandlægen giver en dosis på omkring 0,03 msv, men en større røntgenundersøgelse kan give en dosis, der er lige så stor som den samlede årlige dosis fra alle andre strålekilder. Store doser gives til kræftsyge patienter. Med strålekanoner kan man sigte på en kræftsvulst og give den en så stor dosis, at kræftcellerne dør. Desværre vil det omliggende væv også blive beskadiget. I 1986 skete en alvorlig ulykke på et kernekraftværk i Tjernobyl i Rusland. Der skete en fejlbetjening, så reaktoren blev kraftigt opvarmet og sprang i luften. 32 personer døde. De fleste pga. den bestråling de fik under brandslukningen og det følgende redningsarbejde. Det radioaktive stof, der slap ud ved eksplosionen, bevirker, at mange senere vil dø af kræftsygdomme. Der er ikke meget viden om konsekvenserne af små strålingsdoser. Det er et område, hvor der ikke kan udføres eksperimenter. Selv om man kender de doser, en række personer har modtaget, er det ikke muligt at finde ud af, om strålingen giver en øget kræftrisiko. Da ca. 25 000 danskere hvert år rammes af en kræftform, er det ikke muligt at se, om det er 1, 10 eller 100 tilfælde, der skyldes en tidligere bestråling. RISIKO OG SANDSYNLIGHED Skal man undgå skader på sin krop, er det vigtigere at undgå tobak, alkohol, stoffer og fed mad. Her findes en veldokumenteret viden om de skadelige konsekvenser. Der er således bred enighed om, at tobaksrygning er årsag til omkring 12000 kræfttilfælde hvert år. Men om kroppen har modtaget 3 eller 5 msv hvert år kan ikke opdages i sygestatistikkerne. Personer, der i deres arbejde har en risiko for at blive påvirket af ioniserende stråling, skal bære et dosimeter på kroppen. Filmen i dosimetret vil efter fremkaldelse vise størrelsen af den stråling, personen har modtaget. 25

DET VED DU NU OM ATOMFYSIK ATOMER OG ANDRE SMÅTING Et atom består af en atomkerne omgivet af elektroner. Når en elektron springer fra en skal til en anden, der er nærmere kernen, udsendes lys med en bestemt farve. Atomkernen indeholder positivt ladede protoner og neutrale neutroner. Antallet af protoner i et atom er det samme som grundstoffets nummer i det periodiske system. Atomerne i et grundstofs isotoper har samme antal protoner, men forskelligt antal neutroner i atomkernen. RADIOAKTIVITET RADIOAKTIVITET I BRUG Alderen af arkæologiske genstande kan bestemmes ud fra indholdet af carbon-14. Radioaktive stoffer benyttes på hospitaler til undersøgelse og behandling af mange sygdomme. ENERGI FRA KERNEN Der findes tre typer stråling fra radioaktive stoffer, alfa-, beta- og gammastråling. Alfastråling er positivt ladede heliumkerner. Betastråling er negativt ladede elektroner. Gammastråling er elektromagnetisk stråling udsendt fra kernen. Efter et alfa- eller betahenfald omdannes atomet til et nyt grundstof. Når der er gået en halveringstid, er der kun den halve mængde af det radioaktive stof tilbage. 26 En fission sker, når en urankerne rammes af en neutron og derpå spaltes til to mindre atomkerner. Ved en fission dannes meget store mængder energi. Kernekraftværker udnytter fission.

PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvad er forskellen på isotoperne af et grundstof? 14 Hvad betyder tallet 14 i 6 C? Hvad er carbon-14-metoden? Hvor mange protoner er der i et aluminium-atom? Hvad er forskellen på protoner og neutroner? Hvad hedder de tre former for radioaktivitet? Hvad sker der, når en elektron falder ind i en bane, der er tættere på atomkernen? Hvad er tungest, en neutron eller en elektron? Hvad er tungt vand? Hvad er et radioaktivt stofs halveringstid? UDFORDRING Beskriv, hvad der sker i en kernereaktor. Hvor mange neutroner er 19 der i 9 F? Hvad er forskellen på processerne i en atombombe og i en kernereaktor? Hvorfor dannes der ikke et nyt grundstof, når der udsendes gammastråling? 27