Ti fundamentale punkter 9. klasse elever skal lære om stråling Stråling er et af de emner som bedst viser sammenhængen mellem den fysiske og den kemiske del af faget fysik/kemi, såvel som den teoretiske og den eksperimentelle del, de faglige og de virkeligheds-tilknyttede dele og de tværfaglige og de etiske dele af faget. Eleverne får mulighed for at tage stilling til politiske, praktiske og - til det bredere samfund - aktuelle spørgsmål. I. Atomer, partikler og atom modeller En forståelse af atomer og den viden mennesker har tilegnet sig om de partikler som bestemmer hver atoms egenskaber er fundamentet til alt andet i både fysik og kemi. Alt stof i universet - gasser, væsker og faststoffer - er opbygget af atomer. Atomer bevarer deres "identitet" under kemiske reaktioner. Et atom består af en ekstremt lille kerne med en positiv ladning fra en eller flere protoner, omringede af en sky af elektroner med negative ladninger. I virkeligheden er atomet for det meste tomrum. Omkring 500 år FVT foreslog den græske filosof Leucippus og hans elev Democritus at alt stof var lavet af små partikler, eller atomer, som ikke kunne deles mere. I over 2000 år var deres idéer enten ukendte eller, i bedste tilfælde, ikke udviklet videre. Op til for omkring 60 år siden, troede fysikere at alle atomer var sammensat af kun de tre partikler: protoner, elektroner og neutroner. Med opfindelsen af acceleratoren begyndte kernefysik at blomstre og i dag tales der om over 50 partikler i atomteorier. II. Det periodiske system og grundstoffernes egenskaber De fleste stoffer vi møder i hverdagslivet er kemiske forbindelser, ikke grundstoffer. Men alle stoffer kan nedbrydes til grundstoffer gennem kemiske eller fysiske processer. For eksempel, vand kan spaltes til hydrogen og oxygen (brint og ilt) når elektrisk strøm passerer igennem vandet. Grundstofferne har bestemte egenskaber, og kemiske forbindelser har ikke nødvendigvis de samme egenskaber som deres komponenter. Et grundstofs atomnummer er det, der skiller det grundstof fra alle andre grundstoffer. Atomnumret er det antal protoner der er i kernen. For eksempel, alle atomer som kun har seks proton er carbonatomer og har atomnummer 6, lige meget hvor mange elektroner eller neutroner atomet har. Atommassenumret findes ved at addere antallet af neutronerne til antallet af protonerne. Isotoper er atomer med det samme atomnummer, dvs. af det samme grundstof, som har forskellige antal neutroner i kernen. Alle isotoper af et grundstof har næsten ens kemiske egenskaber. De fleste grundstoffer i det periodiske system har flere isotoper, og atommassenumret for et grundstof er det som passer til den relative proportion af isotoperne af dette atom der findes i naturen. Atomkernen kan rumme mere end 200 kernepartikler og de "lette" atomkerner har nogenlunde lige mange protoner og neutroner, mens de "tunge" atomkerner har flest neutroner. Alle grundstoffer tungere end uran er lavet i laboratorier. Man ser ofte bort fra elektronens masse, da den kun er 1/1836 af protonens og neutronens masse. Både protonernes og neutronernes masse kaldes for 1 u og kernens (og atomets) atommasse er lige med antallet af protoner + antallet af neutroner. Enheden u bliver brugt i stedet for gram, da tallene for atomernes masse i gram bliver alt for små og upraktiske. Et mol er det antal atomer som der skal til, før atommassen kan regnes i gram, i stedet for amu. For alle atomer, er et mol 6,02 10 23 stykker, og hvis man vil arbejde med et mol af hvad som helst molekyle (f.eks. C 6 H 12 0 6 ) kan man bruge det periodiske system til at regne massen af 1
molekylet ud i gram. Begrebet mol er en nødvendig del af målearbejde med emnerne i kemiske reaktioner, syre og baser, osv., men er også en del af forbindelsen mellem den uhyre lille verden af atomer og den synlige verden hvor gram og liter kan måles. III. Isotoper, nuklider, henfald og halveringstid Et hvilket som helst grundstof kan have mange forskellige udgaver, som kaldes isotoper, og som afviger fra hinanden i forhold til antallet af neutroner i kernen. Fra de 112 kendte grundstoffer findes der 270 stabile isotoper og over 3000 ustabile isotoper (radioisotoper). Isotoperne af et grundstof har de samme kemiske egenskaber, men forskellige masser og kernekræfter. Den gennemsnitlige kernekraft mellem hver kernepartikel bestemmer hvor stabil kernen er. Jo stærkere kernekræfter, jo mere stabil er atomkernen. I tilfældet af radioisotoper, er der tale om halveringstid, dvs., den tid der er gået når halvdelen af alle ustabile isotoper i et bestemt grundstof er henfaldet (blevet til en mere stabil udgave). Der findes isotoper over alt, fordi mange isotoper i naturen har en halveringstid længere end jordens alder. 238 U (Uran-238) har en halveringstid på 4,5 milliard år, så den er en isotop som forekommer tit i naturen. Andre isotoper har så kort halveringstid at de må produceres i laboratorier til forskning eller brug. For eksempel, 60 Co (Cobalt-60) bliver brugt i strålingsbehandling af patienter med kræft, men skal produceres i en reaktor og har en halveringstid på 5,3 år. I nogen tilfælde eksisterer der flere end en form for isotopen. Disse former har det samme antal protoner og neutroner, men forskellige halveringstider. De hedder isomérer, og lige som isomérer af molekyler, er deres byggeklodser arrangeret på forskellig vis. Der findes en isomer af 60 Co med en halveringstid på 10 minutter. Isotoperne "prøver" at henfalde til mere stabile nuklider. Det kan ske gennem almindeligt betahenfald (en neutron "skyder" en elektron ud af kernen og bliver til en proton). Beta+ henfald sker når en proton "skyder" en positron (anti-elektron) ud af kernen og bliver til en neutron. En fri elektron kan også fanges af en proton som bliver gendannet som neutron. Disse henfaldsformer afgiver også en neutrino. Nogle isomérer henfalder ved afgivelse af gammastråler (fotoner) eller 4 He heliumkerner (alfapartikler). Tunge grundstoffer kan også "finde på" at dele sig, hvilket hedder spontan fission. IV. Lysets egenskaber og former for stråling Lys er energi i form af elektromagnetisk stråling, og der er tale om både synlige og usynlige spektrer indenfor den del af stråling som kaldes lys. I begyndelsen af Universet var der meget lys som var meget mere energirigt end det vi kender til i dag, og meget koncentreret stof. Der er også flere former for elektromagnetisk stråling end lys: Form bølgelængde (λ) frekvens (hertz = bølger/sekund) gammastråling Mellem 10-15 og 10-10 meter mellem 10 23 og 10 19 røntgenstråling Mellem 10-11 og 10-9 meter mellem 10 20 og 10 17 ultraviolet lys Mellem 10-9 og 10-7 meter mellem 10 17 og 10 15 synligt lys Mellem 400 og 700 nm (nanometer mellem 4 10 14 og 7,5 10 14 er 10-9 meter) Infrarød lys Mellem 10-6 og 10-3 meter mellem 10 14 og 10 12 mikrobølger Mellem 10-4 og 10-1 meter mellem 10 12 og 10 9 radiobølger Mellem 10 cm og 100 km mellem 10 9 og 10.000 Det, der adskiller de forskellige former for stråling fra hinanden, er udelukkende deres frekvens og bølgelængde. Bølgelængden er afstanden mellem to bølgetoppe. Da alle elektromagnetiske bølger bevæger sig med lysets fart c = 300.000 km/s, er der et direkte forhold mellem bølge- 2
længden og frekvensen. Og kortere bølger med højere frekvens - røntgenstråling, for eksempel - er i besiddelse af en meget stor energimængde og er derfor meget gennemtrængende. Men selve de længste radiobølger har en høj frekvens (10.000 bølgetoppe passerer et fast punkt hver sekund, eller 10.000 bølger dannes hver sekund). Elektriske og magnetiske felter svinger vinkelret på lysets bevægelsesretning. Men lyset kan også opfattes som en strøm af partikler kaldet fotoner. Disse energi "klumper" kan i korte øjeblikke være en del af et atoms "energiregnskab". Fotoner er partikler, der både kan opstå og forsvinde. Når lys absorberes af en genstand, forsvinder fotonerne. Ligeledes, er der ikke nogen fotoner "gemte" i en 40 watt pæres kolde glødetråd, men når tråden er tilført energi, skabes der og udsendes ca. 4 10 19 fotoner per sekund. Når et atom bliver ramt af en foton, kan en elektron absorbere fotonen som ekstra energi. Derefter vil elektronen "rykke ud" eller "springe" til et højere energiniveau. Men straks slipper elektronen energien igen, i form af kvanter - fotoner, der passer præcis til det atom - og "falder" tilbage. Niels Bohr opdagede og forklarede nogle af de særlige egenskaber lys havde som partikler og kvanters forhold til det lys, eller liniespektre, som udsendes af alle grundstoffer når de har været udsat for den rigtige mængde energi. Elektronerne kan kun være i ganske bestemte skaller med bestemte energier, og hver grundstofs atomer har deres egne særlige liniespektre. Når elektronen befinder sig i den første (eller laveste mulig) orbital, siger man, at atomet befinder sig i grundtilstand. En elektron kan ikke af sig selv springe til andre orbitaler fordi det kræver tilførsel af energi enten fra fotoner, i form af kraftig opvarmning eller ved hjælp af elektrisk højspænding. Med sådan tilførsel siger man, at atomet bliver anslået. Derefter vil elektronen (af sig selv) springe til en orbital, der ligger længere inde, idet den overskydende energi afgives i form af stråling. Bølgelængden af den afgivne stråling afhænger af, hvor stor en portion energi der omsættes til stråling. Fotonerne i blåt lys har større energi end fotonerne i rødt lys (kortere bølgelængde = større fotonenergi), og det er årsagen til, at man i et mørkekammer kan have en rød pære tændt. Men tænder man blot en svag blå pære, har fotonerne energi nok til at ødelægge de molekyler i den fotografiske emulsion, som de rammer. Når bølgelængden bliver endnu kortere, og fotonerne bliver ultraviolette, indeholder de så meget energi, at de kan slå de molekyler, som menneskernes hud er opbygget af, i stykker. Vi bliver forbrændt eller skoldet. V. Universet, solen og baggrundsstråling Fusions reaktioner er kilden for de fleste stjerners energiproduktion. Fusion er en proces hvori to "lette" kerner bliver til en enkelt "tung" kerne. Et eksempel af en fusion reaktion brugt i kernevåben og forskning af fremtids kerneenergi-kilder er reaktionen mellem to forskellige brint isotoper som skaber et isotop af helium: 2 H + 3 H 4 He + n (n er fusionens energi). Denne reaktion frigør mere end en million gange så meget energi som vi får fra en typisk kemisk reaktion. Grunden til at så meget energi frigøres af fusion er fordi summen af de to kernemasser til sammen er mindre end summen af hver kernes masse for sig selv. Einsteins E=mc 2 forklarer at den masse som "forsvinder" bliver til energi. Fusion sker ikke under almindelige betingelser her på jorden da de to kerner er positivt ladede og frastøder hinanden. At bringe dem sammen kræver meget energi. Så meget energi er tilsted i stjernerne, og i vores egen Sol. Når en stjerne formes, er den en sammensætning af brint og helium som stammer fra "the Big Bang" - Universets skabelses- 3
proces. Hydrogen isotoper kolliderer i en stjerne og fusioner som en helium kerne. Over tiden kommer heliumkernerne til at blive presset sammen som andre grundstoffer. Disse reaktioner vil fortsætte indtil kernerne har en masse omkring den af jern (ca. 60 amu). Jernkerner har de mest stabile bindingskræfter. Nu bliver det "energimæssig uklogt" at skabe kerner med højere masse, og når en stjerne har omdannet en stor del af dens egen kerne til jern, er den tæt på sin egen "død". Nogle stjerner forsætter med energiproduktion indtil de bliver til en forholdsvis kold jernklump. Hvis stjernen er meget stor, kan den også lige pludselig blive til en supernova. Under disse ekstreme forhold, kan kernerne accelerere, opnå øgede energiniveauer, og skabe grundstoffer med højere masse end jern. De grundstoffer vi har på Jorden med højere atomnumre end jern er reststoffer fra supernova eksplosioner. Fission er den proces hvori en tung kerne spaltes i to lettere kerner. Det var denne proces amerikanerne brugte i den første atombombe og som stadig bruges i kernekraftværker. Siden Universet blev til for ca. 13.700.000.000 år siden har der været diverse astronomiske miljøer hvori elektroner, protoner og mere komplekse kerner, alle sammen med høj energi, bliver dannet. Disser partikler rejser gennem rummet og er det vi kalder for den kosmiske stråling. Jordens magnetfelt beskytter os en del, men nogle partikler rammer Jordens atmosfære og skaber andre partikler (pioner og muoner). Disse nye partikler mister energi jo mere stof de støder sammen med, så man kan måle mere kosmisk stråling og flere ioniserende partikler (partikler med energi nok til at slå en elektron løs fra et atom) jo højere op man kommer i atmosfæren. Da kosmisk stråling er meget gennemtrængende og kan påvirke cellernes genetiske materialer (dvs., skabe små ændringer i arveanlæggene), er der diskussion om hvor meget kosmisk stråling kan have igangsat udviklingen af livet på Jorden og ydet til livets mangfoldighed. Den stråling som vi hele tiden er udsat for - både fra verdensrummet, vores atmosfære og fra kilder på og under Jordens overflade - kaldes for baggrundsstråling. Den kosmiske stråling er i Danmark ansvarlig for ca. 7% af den samlede strålebelastning. (I andre lande med bjergområder kan virkningen være tydeligt større, og når man flyver i 10 km højde er den kosmiske stråling ca. 150 gange så intensiv som ved Jordens overflade.) Strålingsindvirkning på den danske befolkning i 1995 blev regnet til: Radon 50% // Medicin 25,5% // Fødevarer 9% // Terrestrisk stråling 8% (jorden, vores omgivelser, vores egne krop)// Kosmisk stråling 7% // Andet 0,5% (Tommy Gjøe m.fl. Orbit 2, s. 54) Radon er en radioaktiv luftart, som dannes i undergrunden. Herfra bevæger den sig op gennem jorden og siver ud i atmosfæren. Hvis der siver radon op i et hus, kan det ophobe sig i indeluften. Koncentrationen af radon kan stige så meget, at det øger risikoen for at få lungekræft. Radon udsender alfapartikler og henfalder til polonium. Radon er ikke særlig farlig, fordi det er en inaktiv luftart, men hvis der er en konstant tæthed af radon i luften, vil noget af det henfalde i lungerne. Polonium er også radioaktiv og binder sig til luftens vandmolekyler og støvpartikler. Når vi indånder luft med radioaktivt støv, afsættes noget af støvet i lungerne, således at lungevævet og det omliggende væv bliver udsat for stråling. Heldigvis mister støvet sin radioaktivitet i løbet af nogle timer og strålingen når normalt aldrig at blive så kraftig, at der sker alvorlige skader på vævet. Hvis man sørger for god udluftning mindst én gang i døgnet, vil strålingen fra byggematerialerne nedsættes væsentligt. I Danmark må der i en bolig højst være en radon mængde, der giver 200 Bq/m 3 (200 henfald i sekundet per m 3 ). 4
Aktiviteten, eller antallet af henfald per sekund, måles i becquerel. Hvis 10.000 af et stofs atomkerner henfalder på et sekund, siger man både at aktiviteten er 10 kbq og at man har 10 kbq af stoffet. Baggrundsstrålingen måles i mikrosievert (en milliontedel sievert = µsv) per år. Sievert er enheden for ækvivalent stråledosis som tager højde for både strålingstype (kvalitetsfaktor) og dosis (kvantitet af energi i joule/kilogram). Det meste af den menneskeskabte stråling kommer fra hospitalsbehandlinger, prøvesprængninger af atomvåben og uheld på kernekraftværker. Undergrunden og byggematerialer indeholder mineraler som kan indeholde radioaktivt uran og thorium. Målinger af baggrundsstråling på Bornholm, hvor undergrunden er granit, og på den sandede jord i Vestjylland, er meget forskellige da granit indeholder forholdsvis meget uran og thorium. I menneskekroppen er der naturligt to radioaktivt nuklider: kulstof-14 og kalium-40. Kulstof-14 dannes i atmosfæren, i virkelig små mængder, og deltager i kulstofs kredsløb. Så bliver det optaget i kroppen gennem maden. Vi har også kalium i vores krop fra maden vi spiser. Kun 0,0017% af kroppens kalium er kalium-40. Alligevel, viser undersøgelse at i almindelige situationer, omkring 20% af den naturlige baggrundsstråling som man bliver udsat for stammer fra ens egen krop. I forhold til deltagelse i det demokratiske samfund og samfundets debatter om sundhed, energi, miljø m.m. SKAL de videnskabelige fag i skolen støtte elevernes oplysning om og forskning i området "solen" og området "vort strålingsmiljø". VI. Opdagelser og opfindelser omkring ioniserende stråling Røntgenstrålerne blev opdaget allerede i 1895, da den tyske professor Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) eksperimenterede med elektriske udladningsrør, som han forbandt til en meget høj spænding. Han opdagede, at der fra disse udladningsrør udgik nogle usynlige stråler, som kunne få nogle krystaller til at lyse op og kunne trænge igennem sort lystæt papir og påvirke fotografiske film. Röntgen blev klar over, at disse "X" stråler, som han kaldte dem, kunne trænge gennem lette stoffer som papir og kød, mens de blev bremset af knogler og metal. Den franske videnskabsmand, Henri Becquerel, opdagede radioaktivitet i 1896. Han udforskede nogle salte af uran og fandt ud af, at de udgav stråling. Becquerels elev, Marie Curie, forskede med kemiske sammensætninger af både uran og thorium og opdagede at disse stoffer kunne ionisere gasser. Curie beskrev de stoffer som udsendte stråling og slog elektroner ud af atomer eller molekyler i gasserne som radioaktive. Marie Curie er bedste kendt for hendes opfindelser, sammen med sin mand Pierre, af et nyt grundstof som var meget mere radioaktivt end andre stoffer: radium. Becquerel og Pierre og Marie Curie fik nobelprisen i fysik i 1903 og Marie Curie fik nobelprisen i kemi i 1911. I 1897 opdagede J. J. Thomson at den stråling udsendte af katoden som dannede røntgenstråling var en elektron strøm. I sit laboratorium i Cambridge arbejdede Ernest Rutherford videre med radium og lavede de forsøg som viste strålings diverse egenskaber og fik nobelprisen i 1908 for hans arbejde med alfa- og betapartikler, men blev mest berømte for hans teori om atomets kerne i 1911. Niels Bohr (1885-1962) opdaterede vores model af atomets struktur som forklaring på atomernes konsekvente udsendelse af lys med bestemte bølgelængder. Han fik Nobel-prisen i 1922. Bohr ville forbedre Rutherfords model for hydrogenatomet. I stedet for at forestille sig, at hydrogens elektron kunne kredse i alle mulige afstande fra kernen, mente Bohr, at der kun var nogle bestemte baner (orbitaler), hvor et atoms elektroner kunne befinde sig. Bohrs kvanteteori 5
beskriver atomets orbitaler som skyområder hvori der er større eller mindre sandsynlighed for en elektron at befinde sig. Han beregnede, hvor meget energi der måtte være oplagret, når elektronen befandt sig i de forskellige baner. Der er to grunde til at beskæftige sig med opdagelser og opfindelser. Den én er for at øge forståelse af de processer som har ændret og udviklet vores verdensbillede og hvordan de nye idéer og teknikker blev imod taget og accepteret. Den anden er for at gøre fysik/kemi mere menneskeligt og inspirerende. Eleverne skal kunne forstå at der er nogen som har brændt for disse spørgsmål, har investeret sit liv og samtidigt har været bare en del af en større videnskabelig bevægelse. De skal kunne overskue nogen af de trin som førte til det "EUREKA!" og hvordan vi bruger den viden i dag. VII) Kilder til ioniserende stråling og egenskaber af α-, β- og γ-stråling Radioaktive stoffer udsender partikler med stor fart som kan gå tværs gennem atomer. Af og til støder partiklen ind i en elektron og slår den løs. Disse partikler/stråler kaldes ioniserende fordi de laver atomer om til positive ioner, ved at slå elektroner løs. Derudover, bliver den frie elektron senere indfanget af et andet atom, som bliver til en negativ ion. I 1899, opdagede Ernest Rutherford at uran-sammensætninger producerede tre slags stråling. Han beskrev de tre slags og udforskede dem efter deres evner til at trænge igennem andre stoffer, og kaldte dem for α-, β- og γ-stråling efter de første tre bogstavere af det græske alfabet. α-stråling standses af et styk papir, og Rutherford opdagede at den partikel var kernen af et helium atom, 4 H. β-partikler blev senere identificeret som elektroner med ekstrem fart og evnen til at trænge i gennem op til 6 mm aluminium. Rutherford fandt ud af, der skal en flere mm tyk bly plade til at standse γ-stråling, som er fotoner med høj energi. Udsendelse af en partikel hedder at henfalde. Da alfapartikler indeholder 2 protoner og 2 neutroner, må de stamme fra kernen af et atom. Kernen vil derfor efter et henfald have en anderledes masse og ladning end den oprindelige kerne. En ændring i kernens ladning betyder at det oprindelige atom er blevet til et andet grundstof. Kun igennem sådan henfald eller igennem kernereaktioner kan sådan en transmutation (det de gamle alkymister drømte om) ske. Massenumret af en helium kerne/alfapartikel er 4, så kernen af det atom som henfalder, har en masse 4 amu mindre end før. Atomnumret af partiklen er 2, så den "nye" atomkerne hører til det grundstof som findes to før det oprindelige atom. Alfa-henfald sker typisk med tunge kerner hvor de kernekræfter som holder protonerne sammen er svækkede. Inde i atomkernen slutter to protoner og to neutroner sig sammen til en heliumkerne, som under sin bevægelse i atomets kerne skubbes ud og frastødes af de tilbageblevne protoner. Alfapartiklen bliver derfor skudt ud fra kernen med stor fart. Noget af den oprindelige masse bliver lavet om til kinetisk energi (bevægelse af både alfapartiklen og det nye atom) og masserne af den nye kerne + alfapartiklen < massen af den gamle kerne. Alfapartiklens masse er på 4 amu, og dens fart er ca. 19.000 km/sek. Den forholdsvis store masse og den relativt lave fart bevirker, at alfapartiklen er meget ioniserende. Når en alfapartikel bevæger sig i luft, skaber den ca. 40.000 ioner på 1 cm. Betapartikler er elektroner, men ikke fra den elektronsky som findes udenfor kernen. De opstår i en proces hvori en neutron bliver lavet om til en proton og en elektron. Elektronen derefter bliver skudt ud fra kernen, fordi den har en negativ ladning or kan sammenlignes med en fodbold som man tvinger to meter under vandet og slipper. Massen af en kerne som udsender en betapartikel vil være næsten uændret, da elektronens masse er forholdsvis lille, så 6
massenumret er det samme som før. Men protontallet stiger med et, så der er tale om et nyt grundstof. β-partiklen bevæger sig med lysets fart på 300.000 km/sek. Den store fart bevirker, at β- partiklen kun skaber få ioner. En stabil kerne vil ikke tillade at en neutron henfalder, men en fri neutron eller en neutron der findes i en kerne med en overskud af neutroner kan henfalde. Alle atomkerner med mere end 83 protoner er radioaktive, fordi kernekræfterne ikke længere (i uendeligheden) kan opveje protonernes frastødning af hinanden. En atomkerne fra de første 82 grundstoffer er også ustabil, hvis den har for mange eller for få neutroner i forhold til antallet af protoner. Gammapartikler er fotoner, en slags elektromagnetisk stråling som opstår på grund af omfordeling af de elektriske ladninger inde i kernen. Forskellen mellem γ-strålings fotoner og de fotoner der udsendes af en elektriske pære er de meget kort bølgelængder af γ-stråling. Gamma-fotoner har også mere energi end røntgen-fotoner, og de er farligere. I de mere komplicerede kerner er der mange mulige konfigurationer af neutroner og protoner. γ-partikler udsendes når en kerne ændre konfigurationen, og hverken massenumret eller atomnumret bliver ændret. VIII) Måleudstyr og forsøgstyper som er væsentlige for folkeskolen Første skal vi undersøge lidt om de tre strålingskilder som man plejer at bruge i folkeskolen i Danmark. Kilderne er fremstillet på Forskningscenter Risø. På alfa-kilden står der Am-241 - kilden er en americium-isotop med 241 kernepartikler. Når Am-241 udsender en alfapartikel, dannes der neptunium-237. Denne alfakilde er ikke en ren alfakilde. Det kan nemlig ikke undgås, at den sammen med alfastråling udsender gammastråling. Men mens GM-røret registrerer samtlige alfapartikler, er røret kun i stand til at registrere ca. 10% af gammastrålingen. Det påvirker ikke så meget vores statistik med tælleren, men (sammen med baggrundsstråling) er det årsagen til, at vi ikke kan bremse strålingen fra alfakilden fuldstændigt med et stykke papir. Beta-kilden er strontium-isotopen Sr-90. Sr-90 henfalder til yttrium-90. Gamma-kilden er cæsium-isotopen, Cs-137. Når Cs-137 henfalder, udsender den først en betapartikel og der dannes barium-137. Den nye atomkerne har et overskud af energi, som den kan komme af med ved at udsende en gammapartikel. Her sker ingen grundstofændring. Når der er tale om en kerne med et energioverskud, skriver man (for eksempel) Ba*. Kerner som har lige kommet af med en alfapartikel kan også have et energioverskud, og udsende gammastråling. 137 Cs 137 Ba* + e - 137 Ba* 137 Ba + foton Styrken på kilderne står muligvis ikke i becquerel (Bq) men i µc (mikrocurie). Hvis der står 1 µc på alfa-kilden, betyder det at der i kilden sker 37.000 atomkerne-omdannelser per sekund - der udsendes altså 37.000 alfapartikler i sekund. Jo tungere de atomer er i et stof vi bruger som bremse, des flere elektroner der er som omkredser hver atom, og jo højere sandsynlighed der er for at de ioniserende partikler rammer en elektron. Hvad enten de rammer elektroner eller kerner, mister de energi over tiden, og bliver til almindelige helium kerner, frie elektroner, eller forsvinder (α-, β- og γ-stråling henholdsvis). 7
Mennesker har ingen sanser, der kan registrere de partikler, radioaktive stoffer udsender. Men i skolen kan læreren stille både modeller og forskellige slags udstyr til rådighed for at iagttage, måle og sammenligne. Geigertælleren består af et GM-rør og et tælleapparat. GM (Geiger- Müller)-røret er opfundet af Hans Geiger og består af et metalrør, som indeholder fortyndet luft. Midt i røret sidder en metaltråd eller pinde. I den ene ende af røret er der et tyndt vindue, som de ioniserende stråler kan trænge igennem. Når røret sluttes til en spændingskilde, bliver metaltråden positivt ladet, mens metalvæggene bliver negativt ladede. Når den ioniserende stråling trænger gennem vinduet, slår den elektroner løs fra luftens atomer, så der opstår positive ioner og frie elektroner. Da de frie elektroner bevæger sig hen mod den positive metaltråd og ionerne hen mod de negative metalvægge, opstår der et svagt strømstød. Der er tællerens rolle at forstærke de impulser og registrere dem som lyd eller tal. Når vi registrerer partiklerne med en geigertæller, tæller vi kun en meget lille del af dem, idet partiklerne sendes ud i tredimensioner (som en kugle) i alle retninger. Ligeså vigtigt at forstå er at sandsynligheden for, at ustabile atomkerner henfalder, kan ikke kontrolleres og resultaterne kan svinge meget. Derfor er det bedste med mange målinger á et minut, i stedet for få á 15 sekunder. IX) Anvendelse af ioniserende stråling og kerneenergi Jeg vil ikke herunder behandle emnerne kernekraft eller kernevåben, men de er emner som faktisk alle mennesker i verden skulle interessere sig for og er selvfølgelige med i ethvert forløb om stråling. I sundhedsvæsenet Røntgenstråler frembringes i et stærkt udpumpet udladningsrør, hvor man ved hjælp af en høj spænding på op til flere hundrede tusinde volt får de elektroner, som udsendes fra katoden, til at ramme anoden med enorm fart. Hvis røret for eksempel drives af en spænding på 150.000 volt, vil hver elektron være i besiddelse af en energimængde på 150.000 ev, som overføres til de atomer i anoden. En del eller hele denne energimængde afgives simultant fra anoden i form af røntgenstråling. Strålingen fra radioaktive stoffer er i stand til at ødelægge de celler, alt levende er opbygget af. Nu sker det imidlertid af og til, at nogle celler af en eller anden grund begynder at formere sig og danne svulster, som vokser. Man kalder sådanne svulster for kræftsvulster, og hvis man ikke får standset denne sygdom på et tidligt stadium, kan den bredde sig og medføre, at patienten dør. Ved behandlingen af sådanne og andre former for svulster har radioaktiv stråling været til stor hjælp, idet strålerne kan dræbe de syge celler. Men da strålerne jo også skader det raske væv, må man sørge for at give strålebehandling på en sådan måde, at det syge væv får så stor en dosis som mulig, mens det omgivende raske væv får så lidt stråling som mulig. Dette opnår man ved at dreje strålegiveren rundt om kroppen, så det er forskellige dele af det raske væv, der udsættes for stråling, mens svulsten hele tiden rammes. Lægerne kan også operere den radioaktive kilde ind i selve kræftsvulsten, så den modtager meget stråling, mens det sunde væv ikke modtager så meget. I forskning Med kulstof-14-metoden kan man datere fund, der er op til 50.000 år gamle. Kulstof-14 dannes i atmosfæren når protoner fra den kosmiske stråling støder ind i atomkerner i atmosfæren. Her 8
produceres der bl.a. frie neutroner. Hvis en fri neutron rammer et nitrogen atom, kan den slå en proton ud og selv blive ind i kernen. 14 N + neutron 14 C + proton I atmosfæren går kulstof-14 sammen med oxygen og danner CO 2. Ud af 1000 milliarder kulstof atomer er der kun ét atom, som er kulstof-14. Levende ting har alle en bestemt mængde kulstof-14 i sig som bliver optaget og udskilt på samme måde som andet kulstof. Efter døden standser optagelsen og mængden af kulstof-14 i kroppen aftager i takt med, at stoffet henfalder. Kulstof-14 har en halveringstid på ca. 5730 år. Hvis vi forestiller os at i de sidste 50.000 år har atmosfæren haft omkring den samme sammensætning og har været udsat for lige så meget kosmisk stråling som nu, kan vi bruge metoden. Når fysikerne skal bestemme Grauballemandens alder, behøver de kun lidt hår, da 1 mg kulstof er nok. I kulstofet finder de frem til mængden af kulstof-14. Derefter sammenligner de den fundne mængde med mængden af kulstof 14 i levende organismer. Radioaktive natrium ioner kan introduceres i kroppen i NaCl og kan bruges til at spore (trace) dyr, for eksempel myg, for at se hvor de vandre hen. Tracers bliver også brugt til at lære om planternes optagelse af ernæringsstof og om fotosyntese, eller til at følge med oliens rejse gennem mange 100 kilometers rør. I industrien Man kan konservere fødevarer ved at udsætte dem for ioniserende stråler. Når man bestråler fødevarer og apparatur, arbejder man med tre stråledoser. Stråledosis måles i gray, der forkortes Gy. Gray angiver hvor meget energi per masse (J/kg) der er afsat i stoffet. Ved lav dosis (<1 kgy) dør insekter, spiringen hæmmes og modningen forsinkes. Ved mellemstor dosis (1-10 kgy) reduceres bakterieantallet og holdbarheden forlænges. Ved høj dosis (10-50 kgy) er overfladerne steriliseret og virus bliver dræbt. Fødevarer bliver bestrålet af beta- eller gammakilder eller af røntgen- eller elektronstråling fra en accelerator. Bestrålede fødevarer bliver ikke radioaktive (i hvert fald, ikke mere end de var før), men der opstår kemisk aktive ioner og radikaler, som reagerer med nabomolekylerne. Derved kan der opstå nye kemiske forbindelser i varerne. Skeptiske eksperter er usikre på kroppens reaktion på de nye stoffer. Til forædling af planter er det meget brugt at bestråle frøene. På den måde fremkalder man ændringer i arvemassen, så der opstår mutanter med nye egenskaber. De fleste bygsorter er fremavlet ved bestråling af frø. Flyvemaskinernes brændstofbeholder bruger gammastråling fra americium-241 til at måle væskens højde i tanken. Når gamma-kilderen er malet på bunden af tanken og der er en geigertæller i toppen, vil der registreres flere henfald når tanken er ved at blive tom. Betastråler er med til at styre påfyldning, så der altid fyldes nøjagtig lige meget i beholderne. Når en dåse bliver fyldt, for eksempel, måler en geigertæller hele tiden, hvor meget stråling passerer gennem dåsen. Når dåsen er fyldt til mærket, hvor GM-røret er placeret, falder tælletallet, og en tilknyttet computer giver tappemaskinen besked om at standse påfyldningen. Med det samme princip, kan man måle materialetykkelse af papir, stålplader, osv. og sende besked til de computere som styrer valserne, der bestemmer tykkelsen. Betastråler bruges med nogle varer (f.eks. papir), og gamma med andre (f.eks. stålplader). Radioaktivt affald og ulykker er emner som er meget skræmmende og følelsesladede. Det er vigtigt at give plads til politiske og etiske diskussioner undervejs i forløbet, samt at snakke om anti-nuklear aktivisme og alternativer til atomkraft og atomvåben. Men der skal også sørges for 9
at der bliver præsenteret de væsentligste argumenter FOR kernekraftværker, data om arbejde med transmutation og genbrug af radioaktivt "affald", og forskning om mere og mere "ren energi." De roller forskellige lande spiller i debatten, økonomiske spørgsmål og FN's rolle i konflikter hvor der bruges radioaktive isotoper som våben kan alle sammen behandles. Sortering og transmutation er processer som sikrer at det radioaktive affald som kan bruges igen (for eksempel på kernekraftværker) bliver taget fra, og så meget som muligt af det, som ikke kan genbruges, bliver transformeret (nogen gang ved fission) til mindre skadeligt affald. X) Fare og sikkerhedsvejledning på introduktionsniveau, samt forurening og beskyttelse Radioaktiv forurening på det globale niveau drejer sig mest om tre radioaktive nuklider: 90 Sr 131 I 137 Cs Planterne optager jod og cæsium gennem deres overflade, mens strontium bliver optaget via rødderne. Da jod-131 har en kort halveringstid - 8 døgn - spiller den næsten udelukkende en rolle i forbindelse med frisk radioaktivt nedfald, og hvis det bliver optaget af et menneske, når kun at bestråle skjoldbruskkirtlen, hvor jod opbevares. Men 90 Sr og 137 Cs kan "vandre" fra planterne til dyr til mennesker, og ioniserer kroppen i længere tid. Strontium ligner calcium kemisk, og kan komme til at erstatte calcium i knoglerne. Derfra, rammer betastråler den følsomme knoglemarv. Cæsium ligner kalium kemisk, og derfor bliver fordelt i hele kroppen. Når man beskriver de radioaktive stoffers virkning på kroppen, tager man hensyn til strålingstypen. Den skadelige virkning afhænger bl.a. af, hvor mange ioner der dannes i kroppen, og hvor tæt eller spredt de dannes. Når levende væv bliver ramt af ioniserede stråler, dannes der ioner i cellerne som kan påvirke cellernes styring. Det kan føre til en situation, hvor cellerne begynder at dele sig vildt og ukontrolleret. Cellerne bliver til kræftceller. Hvis strålerne påvirke en kønscelle, kan der opstå genetiske skader i arvemassen. Man kan blive udsat for sterilitet eller får misdannede børn. Øjets hornhinde kan blive beskadiget af α-, β- og γ-stråling. Hvis kroppen bliver ramt udefra af ioniserende stråler, de mest gennemtrængende er de farligste: β- og γ-stråling. Gammastråler kan sagtens trænge ind til kroppens celler, men de er alligevel ikke så ioniserende som α- og β-stråling. Og mens alfastråler er næsten uskadelige uden for kroppen er de kraftigt ioniserende hvis de kan nå organer og celler ind i kroppen. Selvom de kilder brugte i folkeskolen er isotoper med forholdsvis lave aktivitetsniveauer, er det ikke ensbetydende med "ingen fare for mennesker". Der er nogle vejledende retningslinier som kan begrænse enhver form for uheld eller forurening: det er ikke tilladt at spise, drikke eller bruge kosmetik i laboratoriet det er ikke tilladt at bruge munden til at suge en-gangs handsker og laboratoriedragter skal tages på når man arbejder med isotoper i væskeform før man går fra laboratoriet skal man vaske hænderne med sæbe og bagefter måle med GMrøret for at sikre der ikke er radioaktivt "affald" på tøjet eller hænderne informer læreren med det samme hvis det er noget der bliver spildt eller nogen der kommer til skade (også små snitter) begrænse tiden med kilderne til et minimum alle radioaktive væsker skal opbevares i en dunke med etikette og ikke hældes i vasken alle radioaktive materialer skal opbevares kun i de anbefalede låste skaber, og ikke fjernes fra laboratoriet 1
Det er vigtigt at forstå at radioaktive atomkerner ikke ligger og stråler hele tiden. Én eneste gang kan en radioaktiv atomkerne udsende en ioniserende partikel og herved blive omdannet til en anden atomkerne eller den samme kerne i stabil tilstand. Det er også vigtigt at samle på betydningsfuldt data, når man alligevel skal arbejde med radioaktive kilder. Der er ingen grund til at spille tid med de forkerte opstillinger, forfalskede tællinger, eller for få data der ikke kan sammenlignes. (For eksempel, når man vil bevise at et stykke papir kan bremse alfapartikler, skal papiret være tæt foran GM-røret, ikke nødvendigvis tæt foran Risø kilden.) De kontrollerede forsøg læreren og eleverne laver er ikke farlige, især når man bruger både sund fornuft og systematiske arbejdsmetoder til at sikre at der ikke sker nogen ulykker. Der findes på Internettet mange lærerige og sjove hjemmesider med tilknyttet software hvori man kan bygge sin egne isotoper, hvilket giver eleverne en meget beder forståelse af processen som gør nogen nuklider af nogen atomer ustabile. Se for eksempel: http://www.pbs.org/wgbh/aso/tryit/atom/# http://vcourseware4.calstatela.edu/virtualdating/files/2.0_halflife.html http://www.colorado.edu/physics/2000/isotopes/radioactive_decay3.html 1