Strålning på liv och död

 

Om du någon gång tagit en röntgenbild, till exempel hos tandläkaren eller om du brutit armen, så har du träffat på joniserande strålning. Du har säkert också hört talas om kärnkraftverk och den debatt som finns kring detta. Radioaktivitet och strålning kan verka skrämmande. Vi vet att vi kan få obotliga skador och cancer om vi utsätts för stark strålning. Samtidigt kan strålning användas för att rädda liv, bland annat vid cancerbehandling.

Radioaktivitet är när vissa, instabila atomkärnor omvandlas till stabila atomkärnor utan någon yttre påverkan. Den energi som frigörs vid denna omvandling skickas ut som strålning. Strålningens energi är så hög att den kan jonisera material som absorberar strålningen. Med jonisering menas att det bildas joner. Strålningen kallas därför joniserande strålning.

Vi har känt till joniserande strålning sedan slutet av 1800-talet

År 1895 upptäckte Wilhelm Röntgen en ny typ av strålning som bildades vid elektriska urladdningar i ett glasrör under vakuum. Strålningen kunde tränga igenom material som vanligt ljus inte kunde gå igenom. Röntgen kallade strålningen för X-strålning och det heter den fortfarande på engelska (X-rays). Röntgenstrålning kallas ofta för den viktigaste upptäckten inom medicinen och Röntgen fick det allra första nobelpriset i fysik, år 1901. Ungefär samtidigt upptäckte Henri Becquerel att salter av grundämnet uran gjorde fotografiska plåtar svarta. Fotografiska plåtar användes för att ta bilder i gamla tiders kameror. Uran skickar ut joniserande strålning som reagerar med den fotografiska plåten som då blir svart. Becquerel hade upptäckt radioaktiviteten och belönades med nobelpriset i fysik 1903.

Upptäckterna av röntgenstrålning och radioaktivitet väckte intresse hos andra forskare och snart var det många som forskade om radioaktivitet och joniserande strålning. Under de första 11 år som nobelpris i fysik och kemi delades ut var sex av pristagarna personer som forskade inom joniserande strålning och radioaktivitet. En av forskarna, Marie Curie, belönades med nobelpris i både fysik och kemi under denna period.

Atomer kan gå sönder

Atomkärnan innehåller positivt laddade protoner. Antalet protoner är lika med ordningsnumret, eller atomnumret, i det periodiska systemet. I kärnan finns också neutroner som inte har någon laddning. Neutronerna verkar som en stötdämpare som ser till att protonerna inte kommer för nära varandra. Ifall protonerna kommer för nära varandra gör deras lika laddning att de stöts bort, och att atomkärnan kan gå sönder. Instabila atomkärnor har ofta för många protoner i förhållande till neutroner eller tvärtom. 

 

Vissa isotoper kan därför vara stabila medan andra är instabila. I naturen hittar vi till exempel tre olika isotoper av grundämnet kol. Förutom sina sex protoner kan kol ha 6,7 eller 8 neutroner. En kolatom med sex protoner och åtta neutroner är radioaktiv och vi kallar denna för kol-14 eftersom den har 6 + 8 = 14 kärnpartiklar. Arkeologer har stor nytta av kol-14 eftersom det kan användas för att mäta hur gammalt ett kolinnehållande fynd är.

För att kärnan ska bli mer stabil kan en proton omvandlas till en neutron och samtidigt sända ut en positron. En annan möjlighet är att en neutron omvandlas till en proton och samtidigt sänds en elektron ut från kärnan.  Dessa typer av förändringar kallas för betasönderfall.

Väldigt tunga kärnor är ofta instabila och kan sönderfalla till stabilare kärnor genom att skicka ut en alfapartikel. Alfapartikeln består av två protoner och två neutroner.

I många fall är inte den kärna som bildas direkt efter ett beta- eller alfasönderfall tillräckligt stabil. Överskottsenergin kan då skickas ut som så kallad gammastrålning. Gammastrålning har väldigt hög energi.

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.

 

Halveringstiden är den tid det tar för en viss mängd av ett radioaktivt ämne att sönderfalla tills det bara är hälften kvar. Vissa radioaktiva ämnen har mycket långa halveringstider. I deras sönderfallskedjor finns andra radioaktiva ämnen som har betydligt kortare halveringstider. Det är en anledning till att vi också kan hitta ämnen med kort halveringstid i naturen.

Idag finns det 118 grundämnen. Många grundämnen kan bara framställas i laboratorium, i en kärnreaktor eller i en atombombsexplosion. Hur många är då naturliga? Det beror lite på hur man räknar visar det sig. Upp till grundämne 94, plutonium (Pu) är ett vanligt svar. De två sista, 94 och 93 (neptunium, Np) går inte att hitta i naturen idag. Däremot bildades de för miljarder år sedan i de så kallade "naturliga kärnreaktorer" som finns i Oklo-området i landet Gabon i Afrika. Uran i berget och grundvatten skapade samma förutsättningar som i en konstruerad kärnreaktor. Kedjereaktionerna fortgick under många tusen år. De bildade neptunium- och plutoniumatomerna finns inte kvar idag eftersom de fallit sönder och bildat lättare grundämnen.

Det går att klyva atomer

I början av 1900-talet visade forskare i Montreal i Kanada att torium, som har atomnummer 90, gick sönder och bildade radium, med atomnummer 88, samtidigt som joniserande strålning skickades ut. Den joniserande strålningen, eller radioaktiva strålningen som vi ofta säger, bestod av alfapartiklar. Alfapartiklar är heliumkärnor och består av två protoner och två neutroner. Atomen hade alltså minskat i atomnummer från 90 till 88 samtidigt som en partikel med atomnummer 2 skickats ut.

 

Liknande små förändringar i atomkärnan kunde uppnås genom att bombardera atomer med antingen alfapartiklar eller neutroner. Men att klyva atomkärnan i två mindre bitar ansågs otänkbart. Så när Enrico Fermi i Rom 1934 skickade neutroner mot torium- och uranprover, tolkades resultaten som att två nya och tyngre grundämnen bildats, med atomnummer 93 och 94. Så var det inte och upptäckten ifrågasattes av den tyska kemisten Ida Noddack. Istället hade kärnorna klyfts till två lättare atomer. Noddacks tolkning av Fermis experiment var den korrekta, men trots det fick Fermi nobelpriset i fysik 1938 för två nya grundämnen han faktiskt inte upptäckt.

När atomer klyvs frigörs energi

 

I en kärnreaktion kolliderar en atomkärna med en annan partikel. Då bildas en eller flera nya atomkärnor eller partiklar. De nya atomkärnor som bildas i en kärnreaktion är ofta radioaktiva. Den mest kända kärnreaktionen är fission. Fission kallas också för kärnklyvning. För att en sådan reaktion ska kunna ske behövs en väldigt tung atomkärna, till exempel uran. Om uran bombarderas med neutroner sönderdelas kärnan och ger två mindre atomkärnor. Samtidigt frigörs stora mängder energi. En del av denna energi skickas ut som strålning. I reaktionen skapas också flera neutroner. Dessa neutroner gör att nya uranatomer klyvs. Detta kallas för en kedjereaktion. Energin från kedjereaktionen kan användas för att värma vatten och generera elektricitet i ett kärnkraftverk.

 

Kedjereaktioner kan också användas i kärnvapen. I en kärnreaktor styrs kedjereaktionen så att den inte börjar gå snabbare och snabbare. I ett kärnvapen är det precis tvärtom. En snabb kedjereaktion ger en kraftig explosion. De ämnen som bildas vid fissionen är starkt radioaktiva.

Använt kärnbränsle måste hanteras väldigt varsamt och det tar 100 000-tals år innan strålningen avtagit tillräckligt mycket.

Det finns flera typer av joniserande strålning

Strålning är överföring av energi utan att det behövs något medium. Ett medium kan vara luft eller vatten. Det betyder att strålningsenergi kan överföras även i vakuum. Joniserande strålning har så hög energi att den kan jonisera materia den träffar. Röntgenstrålning och gammastrålning är exempel på joniserande strålning. Joniserande strålning kan också vara partiklar som rör sig snabbt och därför har väldigt hög energi. De vanligaste partiklarna är alfa- och betapartiklar från radioaktiva sönderfall.

Joniserande strålning kan absorberas i material

Forskarna upptäckte tidigt att vissa typer av joniserande strålning går rakt igenom material som vanligt ljus inte går igenom. För att kunna stoppa röntgenstrålning behövs ett material som är tjockt eller som har hög densitet. Energin i den joniserande strålningen överförs till materialets elektroner och skapar kemiska förändringar. Detta kallas för växelverkan mellan elektronerna och den joniserande strålningen. Alfapartiklar växelverkar effektivt med elektroner och bromsas därför väldigt snabbt. Betapartiklar växelverkar mindre effektivt och kan därför tränga djupare in i ett material. Gammastrålning och röntgenstrålning är mycket svåra att stoppa.

 

Om vi behöver skydda oss mot gammastrålning och röntgenstrålning bör vi använda ett material med hög densitet. Det skydd som man använder runt halsen för att skydda sköldkörteln när man röntgar tänderna hos tandläkaren innehåller bly. Idag utvecklas även blyfria material som skyddar mot strålning eftersom bly inte är bra för miljön. För betastrålning kan det räcka med en glasskiva och för alfastrålning behövs bara ett pappersark.

Strålning kan vara farlig

Eftersom strålningens energi absorberas av elektronerna i ett material sker reaktioner och nya ämnen bildas. Det gäller även när strålningen absorberas av våra kroppar. Energin från ett typiskt alfasönderfall räcker till för att jonisera mer än 300 000 atomer eller molekyler. Det betyder att varje sönderfall kan starta många kemiska reaktioner. Det kan leda till skador. Våra kroppar klarar av att hantera strålskador till en viss gräns. Över denna gräns kan skadorna bli bestående. Om vi utsätts för joniserande strålning under en längre tid ökar risken för vissa former av cancer. Det kan dock ta flera årtionden innan sjukdomen bryter ut.

I Sverige är det ganska vanligt att det finns radon i byggnader. Radon är en mellanprodukt i uranets sönderfallskedja. Berggrunden kan naturligt innehålla små mängder uran. Radon är en radioaktiv gas som vi andas in. Om det radioaktiva sönderfallet sker i våra lungor kan det ge skador. Som tur är kan vi ganska lätt minska mängden radon i våra hus genom att ventilera ut gasen.

Om vi utsätts för mycket strålning på kort tid kan vi drabbas av akuta skador. Huden kan rodna och vi kan få svårläkta sår som i värsta fall kan leda till amputation. Om hela kroppen utsätts för höga strålnivåer drabbas vi av illamående, kräkningar och diarré. Är nivåerna ännu högre finns en risk att dö. Risken för att utsättas för skadligt höga strålningsnivåer är dock ytterst liten.

Joniserande strålning är användbar

Joniserande strålning har flera egenskaper som gör den användbar. Ett användningsområde är att låta strålning påverka ett material. Det kan handla om sterilisering av sjukvårdsmaterial, tillverkning av nya material eller behandling av sjukdomar. Genom att utsätta en cancertumör för höga strålningsnivåer under kort tid och samtidigt se till att omgivande kroppsvävnad får så lite strålning som möjligt, kan vi få tumören att krympa och slutligen dö.

 

Ett annat användningsområde är att använda strålningen för att undersöka material. Ett exempel är en röntgenundersökning. Material med olika densitet absorberar olika mycket strålning. Om vi bestrålar en arm med röntgenstrålning och har en fotografisk plåt på andra sidan armen 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.

Röntgenstrålning kan också användas för att få detaljerad information om strukturen hos material. Genom att studera hur röntgenstrålningen sprids är det möjligt att ta reda på hur atomerna i en kristall sitter. Det går också att bestämma avstånd mellan atomer. Dessa tekniker utvecklas snabbt och för de mest avancerade tillämpningarna behövs så kallat synkrotronljus

MAX IV-laboratoriet som ligger utanför Lund är ett exempel på en anläggning som kan ge synkrotronljus. Det som skiljer synkrotronljus från vanlig röntgenstrålning är först och främst hur strålningen uppkommer. I synkrotronljuskällan bildas röntgenstrålningen när extremt snabba elektroner böjs av i ett magnetfält. I ett traditionellt röntgenrör uppkommer strålningen när relativt långsamma elektroner träffar ett fast material.

I närheten av MAX IV byggs också European Spallation Source (ESS). Spallation är en process där en tungmetall bombarderas med en protonstråle från en accelerator. Då bildas neutronstrålning. Neutronstrålningen kan användas på ungefär samma sätt som röntgen. Genom att titta på spridningen av neutroner kan forskarna dra slutsatser om ett materials struktur. Neutronspridning är bättre lämpat för organiska material som innehåller många väteatomer. Det betyder att det går att studera material som vatten och organiska ämnen som trä, plast och biologiskt material.

Quiz - Strålning på liv och död

Detta ämne har hög densitet och används för att stoppa gammastrålning.

I denna bildas röntgenstrålning när extremt snabba elektroner böjs av i ett magnetfält.

Vid denna typ av strålning skickas det ut partiklar som består av två protoner och två neutroner.

Denna strålning bildas då tungmetaller bombarderas med en protonstråle, så kallad spallation.

Denna radioaktiva gas är ganska vanlig i byggnader, men går att ventilera bort.

När används kol-14-metoden?

Vid denna typ av strålning omvandlas en proton till en neutron.

Denna strålning är den mest energirika.

Kol-12 och kol-14 är ett exempel på…

Vad kallas tiden det tar för en viss mängd av ett radioaktivt ämne att sönderfalla tills det bara är hälften kvar?

Upgifter - Strålning på liv och död

Förklara och beskriv
  1. Förklara vad en jon är.

  2. Varför fick Wilhelm Röntgen nobelpriset i fysik 1901?

  3. Varför fick Henri Becquerel nobelpriset i fysik 1903?

  4. Vad menas med att ett ämne är radioaktivt?

  5. Vad händer när ett grundämne “faller sönder”?

  6. Hur uppstår joniserande strålning?

  7. Vilken praktisk användning har vi av radioaktiv strålning?

  8. Vad är kol-12?

  9. Vad innebär kol-14-metoden?

  10. Vad är en alfapartikel?

  11. Titta i ett periodiskt system och förklara varför det är just ämnet radium som bildas när ämnet torium sönderfaller och skickar ut en alfapartikel.

  12. Förklara vad som avgör hur stabil en atomkärna är.

  13. Förklara skillnaden mellan de olika kol-isotoperna.

  14. Varför är kol-14 radioaktivt?

  15. Beskriv vad som händer vid ett alfasönderfall.

  16. Vad består en alfapartikel av?

  17. Beskriv vad som händer vid ett betasönderfall?

  18. Förklara varför det ofta bildas gammastrålning när ett ämne sönderfaller.

  19. Beskriv en sönderfallskedja.

  20. Förklara vad halveringstid innebär.

  21. Beskriv förloppet vid en kärnreaktion.

  22. Beskriv vad som händer vid fission.

  23. Förklara vad som händer vid en kedjereaktion.

  24. Beskriv hur ett kärnkraftverk omvandlar kärnenergi i uran till elektrisk energi.

  25. Vad innebär joniserande strålning?

  26. Hur kommer det sig att strålning kan överföras även i vakuum?

  27. Förklara varför det är enklare att stoppa alfastrålning än gammastrålning.

  28. Förklara vad som händer när strålning träffar ett material eller en kropp.

  29. Vad är radon?

  30. Beskriv hur joniserande strålning används inom sjukvården.

  31. På vilket sätt används strålning inom industrin?

  32. Vad innebär synkrotronljus?

Argumentera och resonera
  1. Varför tror du att Enrico Fermi fick nobelpriset 1938 trots att kemisten Ida Noddack ifrågasatte upptäckten?

  2. Vilka naturvetenskapliga argument finns för och emot följande påståenden?
    a) Kärnkraft är en ren energikälla och borde användas mer.
    b) Kärnkraft är osäkert och samtliga kärnkraftverk borde stängas.
    c) Det är bra att det finns länder som har kärnvapen.

Ta reda på
  1. Henri Becquerel har fått en enhet uppkallad efter sig. Vad mäts i enheten becquerel (Bq)?

  2. Ta reda på mer om forskarna som arbetade i början på 1900-talet och deras upptäckter inom röntgenstrålning och radioaktivitet.

  3. Ta reda på hur grundämnen bildas i supernovaexplosioner.

  4. Ta reda på var och hur använt kärnbränsle förvaras?

  5. Ta reda på varför det är viktigt att skydda sköldkörteln när du är hos tandläkare.

  6. Om en person plötsligt utsätts för höga doser av strålning kan personen drabbas av akut strålningssjuka. Ta reda på vad det innebär.

  7. Ta reda på mer om vad forskare arbetar med på Max IV-laboratoriet utanför Lund.

  8. Ta reda på mer om hur radioaktiv strålning används inom sjukvården.

  9. Ta rad på mer om hur kol-14-metoden fungerar.