När atomkärnor sönderfaller skickar de ut strålning. Strålningen kan vara partiklar eller elektromagnetiska vågor. Vi kommer att beskriva de vanligaste: alfa-, beta- och gammastrålning. Alfa- och betastrålning är partiklar och gammastrålning är elektromagnetiska vågor. Strålningen överför energi utan att det behövs något medium. Det betyder att strålningsenergi kan överföras även i vakuum (som i rymden).

Strålningen kan ha väldigt hög energi. Så hög att den kan slå loss en eller flera elektroner när den träffar atomer. När en atom blir av med en elektron säger vi att den joniseras. Det bildas en jon som är mycket reaktiv eftersom den saknar en (eller flera) elektroner. Strålning som är tillräckligt energirik för att jonisera atomer kallas därför joniserande strålning.

Joniserande strålning kan skada atomer och molekyler. Om en levande varelse utsätts för en liten mängd joniserande strålning kan några få atomer eller molekyler joniseras. Det är ingen större fara. Celler dör och ersätts hela tiden i levande organismer. Men om en levande varelse utsätts för mycket joniserande strålning kan så pass många molekyler och celler påverkas att det blir farligt. Därför är hur mycket strålning en levande organism utsätts för avgörande för om det är farligt eller inte. Särskilt farligt blir det om celler skadas så att de börjar dela sig okontrollerat och sprida sig. Då kan det utvecklas till cancer.

Vi kan alltså få obotliga skador och cancer om vi utsätts för stark strålning. Samtidigt kan strålning användas för att rädda liv, bland annat vid behandling av cancer. Hur hänger det ihop?

Joniserande strålning har flera egenskaper som gör den användbar. Det kan handla om sterilisering av olika saker inom sjukvården, tillverkning av nya material eller behandling av sjukdomar. Genom att utsätta en cancertumör för höga strålningsnivåer under kort tid, och samtidigt se till att den omgivande kroppen får så lite strålning som möjligt, kan vi få tumören att krympa och till slut dö.

Ett annat användningsområde är att använda strålningen för att undersöka material. Ett exempel är en undersökning med röntgen. Material med olika densitet absorberar olika mycket strålning. Om vi bestrålar en arm med röntgenstrålning så går mindre strålning genom själva skelettet än genom den mjuka vävnaden. Det ser därför ut som om vi fotograferar skelettet. Röntgenundersökningar används också i industrin, bland annat för att leta efter sprickor i metallkonstruktioner.

Riktigt stora atomkärnor, som till exempel uran eller torium, är ofta instabila. De kan sönderfalla till stabilare kärnor genom att skicka ut en alfapartikel. Alfapartikeln består av två protoner och två neutroner.

Alfapartiklar är också stora och ganska tunga. Därför rör de sig inte så långt efter att atomkärnan har fallit sönder. Man säger att alfastrålningen har kort räckvidd. I luft når alfapartiklarna bara någon centimeter. Vill man stoppa alfastrålningen räcker det med till exempel ett papper som skydd.

Ändring vid alfasönderfall: Atomnumret minskar med två och masstalet med fyra.

Ett annat sätt för en kärna att bli mer stabil är om en neutron omvandlas till en proton och samtidigt sänder ut en elektron. Eller så kan en proton omvandlas till en neutron samtidigt som en positron sänds ut från kärnan. En positron är elektronens antipartikel . Positronen är väldigt lik elektronen men laddad istället för negativt. De här två typerna av radioaktiva sönderfall kallas för betasönderfall. Vilken typ av betasönderfall det är beror på vilken atomkärna det är som sönderfaller. Det beror på om det finns för många eller för få neutroner för att kärnan ska vara stabil.

Precis som vid alfasönderfall är det flera atomkärnor som sönderfaller samtidigt och därför skickas flera betapartiklar ut. Vi kallar de partiklarna för betastrålning. Partiklarna i betastrålning är mycket mindre än alfapartiklarna. Betastrålning kan färdas upp till några meter i luft. För att på ett effektivt sätt stoppa den räcker det med en tunn bit plast eller metall.

Ändring vid betasönderfall: Vid betasönderfall ändras inte masstalet, men atomnumret ändras. Atomnumret kommer att öka eller minska med ett, beroende på om det är betaplus- eller betaminus-sönderfall. Vid normalt betasönderfall omvandlas en neutron till en proton och en elektron (det skapas också en antineutrino). Elektronen far iväg med hög hastighet, det är det som vi kallar betastrålning.

Vid betaminus-sönderfall omvandlas istället en proton till en positron och en neutron.

I många fall är den kärna som bildas direkt efter ett alfa- eller betasönderfall fortfarande inte stabil. Kärnan kan fortsätta att sönderfalla vidare, men överskottsenergin kan också skickas ut som gammastrålning. Gammastrålning är elektromagnetisk strålning med mycket hög energi.

Gammastrålning har varken massa eller elektrisk laddning. Därför kan gammastrålning röra sig mycket långt. Gammastrålningen är därför mycket svårare att stoppa än alfa- och betastrålning. Gammastrålning kan till exempel passera flera centimeter bly.

Det tar olika lång tid för olika isotoper att sönderfalla. Vissa kärnor sönderfaller på några sekunder. För andra tar det flera tusen år. Men vi kan aldrig veta hur lång tid det tar för en ensam atomkärna att sönderfalla, det beror på slumpen. Ungefär som om du slår med en tärning - till slut kommer du att slå en sexa, men du vet inte om det blir på det första slaget eller kanske först på det tionde. Vad vi kan göra är att mäta hur lång tid det tar för hälften av ett stort antal kärnor att sönderfalla. Detta kallas för halveringstid. Vissa radioaktiva ämnen har mycket långa halveringstider.

Exempel: Tänk dig att du har 100 tärningar. Du slår alla samtidigt. En del av dem blir sexor, andra blir ettor, tvåor, treor, fyror eller femmor. Det är väldigt osannolikt att alla 100 tärningar skulle bli sexor på en enda gång. Gör nu så här: Plocka bort alla tärningar som blev sexor och lägg dem åt sidan. Slå sedan de tärningar som inte blev sexor en gång till. Då får du några nya sexor, som du också plockar bort.

Fortsätt på samma sätt: slå – plocka bort sexorna – slå igen.

Fundera: Hur många slag tror du att du behöver göra innan hälften av alla tärningarna har blivit sexor? Testa gärna tillsammans med dina kompisar och jämför era resultat! Det går bra att rita resultatet i grafritaren. Du får då en kurva där antalet tärningar som är kvar ändras med hur många gånger du slagit.

[Bild på resultat]

100 tärningar kan kanske upplevas som väldigt många. Men antalet atomer som det finns i en liten bit av ett material är otroligt mycket större. Ju fler partiklar vi har desto noggrannare blir våra mätningar.

I ett radioaktivt material har vi, istället för tärningar, ett mycket stort antal partiklar som sönderfaller. Vi kan mäta hur lång tid det tar för hälften av partiklarna att sönderfalla. Den här tiden kallar vi för halveringstid och den brukar betecknas med T1/2. Nu finns bara hälften kvar av de partiklar som kan sönderfalla. För att halvera antalet en gång till tar det lika lång tid igen. Så efter två halveringstider, 2xT1/2, har vi hälften av hälften av våra partiklar kvar. Det finns alltså kvar en fjärdedel, ¼, av de partiklar som kan sönderfalla. Varje gång tiden T1/2 har förflutit har antalet partiklar som finns kvar som kan sönderfalla halverats.

Om vi ritar upp hur många partiklar vi har kvar för olika tider ser vi en kurva som ser ut som en pulkabacke. Vi har färre och färre partiklar kvar, men det blir aldrig noll. För att det här ska stämma krävs det att vi har väldigt många partiklar. Det har vi för det mesta. Ett enda gram uran innehåller 25 10^20 atomer. Det är 25 följt av 20 nollor, ett så stort tal att det är svårt att tänka sig det.

Det upptäcktes tidigt att vissa typer av joniserande strålning går rakt igenom material som vanligt ljus inte går igenom. Alfapartiklar är stora och positivt laddade, de bromsas in väldigt snabbt. Betapartiklar har också en laddning, men de har mindre massa och kan tränga djupare in i ett material. Svårast att stoppa är röntgen- och gammastrålning. För att kunna stoppa röntgen- och gammastrålning behövs ett material som är tjockt eller som har hög densitet.

När man tar röntgenbilder hos tandläkaren använder man ett skydd av bly runt halsen för att skydda sköldkörteln mot strålningen. Idag utvecklas även blyfria material som skyddar, eftersom bly inte är bra för miljön. För betastrålning behövs inte bly utan det kan räcka med en glasskiva. Eftersom alfastrålning består av så stora partiklar behövs det bara ett pappersark eller att de färdas en bit i luften. Även molekylerna i luften kan nämligen absorbera strålningen.

Hur kan vi mäta något som vi varken kan se eller höra?

Eftersom joniserande strålning är så energirik att den kan göra atomer till joner kan vi mäta hur många joner som skapas. Den vanligaste mätaren är geigermätaren som används inom forskning, sjukvård, industri och strålskydd.

En geigermätare har oftast en display som visar strålningsnivån med siffror, och en högtalare där man kan “höra” strålningen. Så här funkar den:

Inuti mätaren finns ett metallrör fyllt med gas vid lågt tryck. Över röret ligger en elektrisk spänning. När joniserande strålning passerar genom röret slår den loss elektroner från gasmolekylerna. Dessa slår i sin tur loss fler elektroner, så att det skapas en kort elektrisk puls. Den elektriska pulsen kan mätaren registrera. Varje puls motsvarar alltså en träff av strålning.

Det är dessa pulser som hörs som klick i högtalaren. Få klick betyder låg strålning. Många klick betyder hög strålning och man hör hur mätaren knastrar.

[Film med geigermätare och olika produkter]

Geigermätaren räknar hur många pulser som registreras per sekund eller per minut. Det ger ett mått på hur intensiv strålningen är i omgivningen. Däremot kan mätaren inte avgöra exakt vilken typ av strålning det är eller varifrån den kommer — den visar bara hur mycket strålning som träffar sensorn.

För många radioaktiva ämnen räcker det inte med ett enda sönderfall för att omvandla den instabila kärnan till en stabil kärna. Det är istället vanligt att ett sönderfall följs av ett annat sönderfall i en så kallad sönderfallskedja. I sådana sönderfallskedjor finns andra radioaktiva ämnen som har betydligt kortare halveringstider än det ämne vi började med. Det är en anledning till att vi kan hitta ämnen med kort halveringstid i naturen.

Ofta är det så att när en radioaktiv isotop sönderfaller så blir resultatet en ny kärna som också är instabil. Sedan sönderfaller den kärnan, och så kan det fortsätta. Man får alltså en hel kedja av processer, tills man kommer till en atomkärna som är stabil. Det finns fyra olika sönderfallskedjor, en av dessa börjar med uran-isotopen uran-238.

Sönderfallskedjan som startar med uran-238 är 14 steg lång. Till slut stannar den med en stabil isotop av bly, Pb-206. I den här sönderfallskedjan hittar vi alla de tre vanliga sönderfallen, alfa, beta och gamma. Här pratar vi bara om betaminus-sönderfall, där en neutron omvandlas till en proton och en elektron. Det är för att betaplus-sönderfallet inte dyker upp i någon av sönderfallskedjorna.

Sönderfallskedjan för uran börjar med ett alfa-sönderfall då U-238 omvandlas till Th-234 (torium). Th-234 beta-sönderfaller sedan till Pa-234 (protaktinium) som sedan beta-sönderfaller till 234-U. Kedjan fortsätter tills vi når en stabil isotop av bly, Pb-206.

Läs mer: Det finns fyra sönderfallskedjor