Det forrige afsnit handlede om tingenes størrelse, især nanoskalaen, og hvad vi ved om atomer og molekyler. Nu hvor vi forstår atomernes opbygning, især kernens, kan vi se nærmere på nogle af de mere interessante ting, kernen kan gøre.
En af de største grene inden for kernefysikken er radioaktivitet, et naturligt fænomen hos visse kerner. Radioaktivitet findes overalt omkring os; i jorden, i rummet og endda i os selv. Vi udsættes hele tiden for stråling, ikke kun når vi skal røntgenfotograferes, så det er afgørende, at vi forstår, hvordan den virker.
I dette afsnit vil vi først se på opdagelsen af radioaktivitet og derefter på, hvad der forårsager den, og hvor den kommer fra, og til sidst på, hvordan den påvirker verden omkring os.

Radioaktiviteten blev opdaget i 1896 af Henri Becquerel, mens han arbejdede med røntgenstråler. Man troede, at materialer, der indeholdt uran, absorberede lys fra Solen og udsendte røntgenstråler. Becquerel havde planlagt et eksperiment, der skulle vise dette ved hjælp af en fotografisk plade, da man vidste, at røntgenstråler sværter den slags plader. På dagen for eksperimentet var himlen overskyet, så Becquerel gik ud fra, at eksperimentet var mislykket. Heldigvis besluttede han alligevel at fremkalde den fotografiske plade og opdagede, at stoffet havde udsendt stråling, selvom der ikke var nogen sol, hvilket modbeviste hans tidligere teori. Hans næste opgave var at finde ud af, om det var røntgenstråler eller en anden form for stråling. For at undersøge det anbragte han strålekilden i et vakuumkammer med et magnetfelt og en fotografisk plade, som vist på diagrammet. Man ved, at røntgenstråler er neutrale og derfor ikke kan afbøjes i magnetfelter. Efter fremkaldelsen viste den fotografiske plade imidlertid, at strålingen var blevet afbøjet af feltet. Da han prøvede med andre kilder, fandt han stråling, der blev afbøjet den modsatte vej eller slet ikke. Det viste, at der findes tre typer stråling, som udsendes af stof: neutral stråling og stråling med positiv eller negativ elektrisk ladning.

Skitse af Becquerels opstilling: (1) fotografisk plade, (2) kollimator, (3) radioaktivt materiale, (4) indsugning til vakuumpumpe, (5) magnetfelt. Billedkredit: Zoltán Elekes.

Mange forskere viede deres karriere til at udforske dette nye fænomen, blandt andre Marie og Pierre Curie, som opdagede de radioaktive grundstoffer polonium og radium. Rutherford, den forsker, som vi allerede har omtalt som manden bag opdagelsen af atomkernen, arbejdede også med radioaktivitet og undersøgte de forskellige typer kilder og deres egenskaber. Det var Rutherford, der fandt på navnene til de forskellige typer: alfa, beta og gamma, efter bogstaverne i det græske alfabet. Vi har allerede nævnt alfapartikler, da Rutherford brugte dem til at undersøge guldatomernes indre, men nu vil vi se nærmere på dem. Men først: Vi ved, at vi kan finde radioaktivitet i kilder som uranforbindelser, men hvor ellers finder man den, og hvad er den?

Vi ved, at visse grundstoffer er radioaktive, mens andre ikke er. Det tyder på, at radioaktiviteten opstår på atomart niveau, så vi må se på atomerne, især kernerne, for at forstå den bedre.
Der findes tre typer stråling fra radioaktive atomer: alfa-, beta- og gammastråling. Det er partikler eller energi, der udsendes fra atomets kerne, når kernen er ustabil – man kan også sige, at det er atomernes henfald på grund af ustabilitet.
Hvorfor er visse atomer så ustabile og andre ikke?
Det vil blive forklaret i et senere afsnit, men lad os for nu blot sige, at det skyldes antallet af nukleoner i kernen, især forholdet mellem protoner og neutroner. De forskellige typer stråling udsendes ved forskellige typer ustabilitet. Derfor udsender forskellige kilder forskellig stråling.  
Ustabilitet er ikke forbeholdt atomkerner. Frie neutroner henfalder med en gennemsnitlig levetid på omkring 15 minutter, og selv protoner kunne i sidste ende henfalde, men den halveringstid, teorien forudsiger i dette tilfælde, er 10³⁶ år! Så set med menneskelige øjne regnes protoner for at være stabile.
Nu hvor vi har en idé om, hvad strålingen egentlig er, kan vi se på, hvor vi finder den.

Radioaktivitet er ikke begrænset til de farlige grundstoffer, vi har talt om, som uran eller radium. De er de stærkeste kilder, vi kender, men radioaktivitet findes i meget mindre mængder mange andre steder. Den stråling, Becquerel fandt komme fra uran, kommer også fra sten, fra det ydre rum, fra den luft, vi indånder, det vand, vi drikker, havet, vi svømmer i, og vores egen krop.
Det overrasker dig måske at høre, at du og alle de mennesker, du kender, er radioaktive, og du tror måske endda, at det skyldes den moderne teknologiske verden, vi har skabt, med atomkraftværker, computere og medicinske røntgenbilleder – men så tager du fejl. Så længe der har været liv på Jorden, har alle planter og dyr været radioaktive. Det er en del af livets historie på jorden. Så lad os se nærmere på, hvor vi præcis har fundet radioaktivitet.

Jorden

Radioaktive grundstoffer findes overalt omkring os i jorden. Mange mineraler, især granit, indeholder nogle uranforbindelser. Faktisk er der omtrent lige så meget uran i jord og sten som metaller som tin, zink eller wolfram. Andre radioaktive stoffer er dog langt mere almindelige, som thorium, der er omkring tre gange så udbredt på Jorden som uran. I det nittende århundrede, lige før elektrisk lys afløste gaslyset, brugte man thoriumoxid til at få gaslamper til at lyse klart. I det 21. århundrede kan thorium meget vel blive brændsel i atomkraftværker.

Billedet viser, hvor meget uran der findes i sten. Det viser et lod på 10kg ved siden af tre tråde, der tilsammen vejer 30 milligram. Det er forholdet mellem uran og sten i jorden.
Vi kan altså påvise uran og andre radioaktive stoffer i sten, og denne stråling udgør en stor del af det, vi kalder baggrundsstrålingen. Det er den stråling, vi hele livet udsættes for fra vores omgivelser. Vores krop har måder at håndtere det på, som du vil finde ud af senere.

Kortet nedenfor viser baggrundsstrålingens niveau i dele af Vesteuropa (billedkredit: World Nuclear Association).
Forskellene skyldes for det meste de bjergarter, jorden består af i de enkelte lande. I det sydvestlige England består undergrunden for eksempel for det meste af granit, og derfor er baggrundsstrålingen i dette område højere end i det meste af resten af landet, hvor undergrunden består af kalksten. Dele af det centrale Frankrig har meget høje strålingsniveauer på grund af radongas fra klipperne. Ud over bjergarterne er der andre faktorer, der bidrager til den baggrundsstråling, vi udsættes for.

Rummet

I universet findes mange kilder til mange typer stråling, blandt andet radiogalakser med superluminale (tilsyneladende hurtigere end lyset) jetstråler, sorte huller og endda blot planeterne i vores eget solsystem. Astronomer bruger specialteleskoper til at lede efter disse typer stråling, som omfatter røntgen- og gammastråling. Disse kilder udsender i alle retninger, og selv strålingen fra objekter flere hundredtusinde lysår væk kan i sidste ende nå os. Det, vi registrerer som disse vildfarne strålingskilder, kaldes kosmisk stråling. Du vil faktisk måle mere kosmisk stråling, jo højere du kommer op. På toppen af bjerge registreres langt mere end ved havets overflade, da strålingen skal gennem mindre atmosfære.
Kosmisk stråling er svær at undslippe og er nogle gange til stor gene for forskerne. Indimellem er det nødvendigt at måle meget svag radioaktivitet. Det kan være, når man studerer meget svage, meget fjerne gammakilder, som kun udsender en lillebitte mængde i vores retning, eller endda når man studerer universets udvidelse og den mikrobølgestråling, der følger med.

Det ville være håbløst at måle meget svag radioaktivitet på jordoverfladen, da den ville blive fuldstændig overdøvet af den rigelige kosmiske stråling. Derfor er nogle eksperimenter placeret i dybe miner en kilometer eller halvanden under jorden – og man husker naturligvis altid at undgå granit med masser af uran. Et eksperiment, der kræver sådanne forholdsregler, er påvisningen af en type elementarpartikel, som dukker op senere, kaldet en neutrino.

Billedet til højre viser en neutrinodetektor, som er placeret 1,4 km under toppen af et bjerg i Italien.

Havvand

Når floder løber hen over sten og jord, fører de alle mulige slags opløste salte med sig i vandet. Med tiden, efterhånden som vandet fordamper i solen, koncentreres saltene. Da de fleste bjergarter indeholder lidt uran, er det ikke overraskende, at havene også indeholder uransalte. Det gør havet en smule radioaktivt, og ikke kun på grund af uranet; blandt andre stoffer findes der også ⁴⁰K (udtales kalium-40). Denne form for kalium er det vigtigste stof, der gør vores krop radioaktiv.
Havvand indeholder i gennemsnit omkring tre milligram uran pr. tusind liter, dvs. pr. kubikmeter. Det er måske ikke meget, men man siger, at hvis omkostningerne ved at udvinde uran fra havet kunne bringes ned på omkring en tiendedel af, hvad de er i dag, så ville man kunne udvinde uran fra havet med fortjeneste! Hvis de nuværende urankilder en dag bliver opbrugt, kunne atomkraftværkerne faktisk køre på uran udvundet af havvand.

I luften

Den luft, vi indånder, indeholder en lille mængde af en radioaktiv form for kulstof, kendt som ¹⁴C (udtales ‘kulstof-fjorten’; i nogle bøger vil du se ¹⁴C skrevet som kulstof-14). Kulstof-14-atomer dannes ved den kosmiske strålings vekselvirkninger i atmosfæren. Den kosmiske stråling gennemgår mange omdannelser, som blandt andet kan give termiske neutroner. Disse neutroner reagerer med kvælstof-14-atomerne i atmosfæren i en kernereaktion, hvor der dannes kulstof-14-atomer og protoner. Kulstofatomerne danner derefter kuldioxidmolekyler, som planterne optager fra luften for at fotosyntetisere og danne sukker og cellulose, og derved optager de kulstof-14. Det går så videre til os, når vi spiser planterne eller endda dyr, der har spist disse planter. At alle levende organismer optager kulstof-14, indtil den dag de dør, kan bruges til at datere rester af levende organismer, der har ligget i jorden i hundreder eller tusinder af år. Denne metode kræver, at man tænker over de radioaktive atomers halveringstid, som vi kommer ind på senere.

I os selv

Den mad, vi spiser, indeholder hver dag to eller tre gram kalium. Det betyder, at der for hvert kilo kropsvægt henfalder omkring 50 kaliumatomer og udsender radioaktive partikler i vores krop hvert sekund! Husk også, at når vi spiser planter (eller dyr, der har spist planter), optager vi kulstof-14-atomer, som også er radioaktive. Der vil også være spor af andre radioaktive grundstoffer, endda uran. Hvis du kommer til at sluge lidt havvand på stranden, får du en lillebitte mængde uran i dig, da alt havvand indeholder lidt uran.
Vi har allerede beskrevet, hvordan kosmisk stråling danner kulstof-14, som bruges til at danne kulhydrater, når det optages af planter og dermed af dyr og os selv. Kulstof-14 er derved kommet ind i fødekæden, og alle levende organismer kan blive udsat for det.

Store doser radioaktivitet kan være dødelige, og tusindvis af mennesker døde af stråling som følge af de atombomber, der blev kastet over Japan i 1945. Senere, i 1986, blev 28 mennesker dræbt af stråling, da atomkraftværket i Tjernobyl i Ukraine eksploderede. Du kan læse mere om disse emner i afsnittet Fordele og risici og i afsnittet om historie.
De strålingsmængder, man ved er skadelige for helbredet, er langt større end baggrundsstrålingen fra kosmisk stråling, sten osv. De af vores celler, der eventuelt bliver beskadiget af disse kilder, kan reparere sig selv, da kun få bliver beskadiget. Ved større strålingsdoser bliver et stort antal celler beskadiget, så de ikke kan repareres, og derfor kan det være farligt.
Vi ved, at planter og dyr har levet og udviklet sig med radioaktivitet i milliarder af år. Om radioaktivitet er farlig, afhænger altså af, hvor meget vi får. Selv for meget almindeligt salt kan slå mennesker ihjel, og derfor kan mennesker, der driver rundt på havet, dø af tørst! Som man siger: For meget af det gode er skidt.
Hvordan ved vi så, hvor meget stråling der er ‘for meget’? Først må vi forstå de forskellige typer stråling, og hvor farlig hver af dem er. Vi finder ud af, hvilket niveau strålingen skal have for at være farlig, i vores afsnit om aktivitet og vekselvirkning med stof.

I det forrige afsnit fandt vi ud af, hvad radioaktivitet egentlig er: Det er henfaldet af ustabile atomer og den efterfølgende udsendelse af en partikel eller energi. Nu vil vi se på, hvad der gør et atom ustabilt, og hvilke typer stråling der findes.

Isotoper

Vi ved, at atomer består af en kerne af protoner og neutroner med elektroner, der kredser om kernen. Vi ved også, at atomer er elektrisk neutrale, mens ioner, som har mistet eller fået ekstra elektroner, er ladede. Nøglen til at forstå radioaktivitet ligger i isotoper.
Vi har nævnt, at kulstof-14 er radioaktivt, mens almindeligt kulstof-12 ikke er. Hvordan adskiller kulstof-14 sig så fra kulstof-12? Forskellen ligger i deres kerner. For at begge atomer grundlæggende kan være kulstof, skal de have samme antal protoner, altså samme atomnummer. Det er det, der gør et grundstof til det, det er. Hvis vi ændrer antallet af elektroner i atomet, bliver atomet blot til en ion. Derfor må vi ændre antallet af neutroner. Vi siger derfor, at kulstof-14 er en isotop af kulstof-12, og at forskellen blot er, at det har to ekstra neutroner i kernen – altså en anden masse, men alt i alt det samme grundstof.
Der findes mange isotoper af hvert grundstof. Et kendt eksempel er deuterium, en isotop af brint med én neutron og én proton. Det kan bruges til at fremstille tungt vand, som har mange interessante anvendelser, blandt andet til påvisning af neutrinoer og som moderator i atomreaktorer.
Ustabile isotoper er ofte meget nyttige i medicinske procedurer og kan bruges sikkert på grund af deres korte levetid, før de henfalder. Et problem er, at disse stoffer ikke findes naturligt på Jorden og derfor skal fremstilles på hospitalerne i maskiner kaldet cyklotroner, som ved hjælp af elektromagneter accelererer atomer til ekstremt høje hastigheder i en cirkulær bane. Cyklotroner findes i mange forskellige størrelser, afhængigt af anvendelsen og den isotop, der skal produceres. I maskinerne kolliderer kerner med ladede partikler, og den nødvendige radioisotop dannes. Betegnelsen radioisotop bruges om isotoper, der er ustabile og radioaktive.
De mest stabile udgaver af grundstofferne er dem, vi angiver i det periodiske system, dvs. dem, vi finder i naturen, og som er mest almindelige. De er dog egentlig kun almindelige på grund af deres stabilitet; de ustabile isotoper er henfaldet til andre, mere stabile grundstoffer, så de stabile udgaver er tilbage. Hvad gør så én isotop mere stabil end en anden?

Stabilitet

I afsnittet om atomkerner nævnte vi kort, at nukleonerne holdes sammen af den stærke kernekraft, som overvinder den elektrostatiske frastødning mellem protonerne. Det er nøglen til at forstå kernernes stabilitet. Både neutroner og protoner påvirkes af den stærke kernekraft, men kun protonerne frastøder hinanden, så neutronerne styrker den kraft, der holder kernen sammen, uden at øge den elektrostatiske frastødning.
Efter det, vi lige har gennemgået, tror du måske, at jo flere neutroner en kerne har, desto mere stabil må den være. Men sådan er det ikke. Kerner er kun stabile inden for et bestemt interval af forholdet mellem neutroner og protoner, omkring 1-1,6. Uden for dette interval vil kernen være ustabil og henfalde. Kvælstof er for eksempel stabilt og har et forhold på 1: det har 7 neutroner og 7 protoner. I den anden ende af intervallet har bly, som også er stabilt, 82 protoner og 126 neutroner, altså et forhold på 1,54. Nedenfor ses en graf over stabilitetsområdet efter antallet af protoner og neutroner, hvor Z er antallet af protoner i en kerne, N er antallet af neutroner, A=Z+N er antallet af nukleoner, og de to kurver svarer til (1) stabile kerner, (2) linjen P=N. Grafkredit: Zoltán Elekes.

Grafen viser også tre henfaldsmekanismer, afhængigt af hvor kernen ligger på grafen. Hvis en kerne har for få protoner, vil den gennemgå betahenfald. Hvis den derimod har for få neutroner, vil den henfalde på den modsatte måde, ved positronhenfald (også kaldet beta-plus-henfald). Et alternativ hertil er en proces kaldet elektronindfangning, hvor kernen “opsluger” en elektron, hvorved man opnår det samme resultat som ved beta-plus-henfald. For meget massive kerner er det en fordel at miste masse ved henfaldet, da lettere kerner generelt er langt mere stabile, så disse kerner henfalder ved at udsende alfapartikler (to protoner og to neutroner). Når atomer har gennemgået beta- eller alfahenfald, har antallet af protoner i kernen ændret sig, og dermed har selve grundstoffet ændret sig; en proces, der kaldes transmutation. Du har måske hørt om alkymi, som forskere beskæftigede sig med, før vi forstod grundstofferne. Disse forskere forsøgte at forvandle andre stoffer til andre grundstoffer, især guld, hvilket grundlæggende er transmutation – og det er det, enhver ustabil kerne gør, nogle gange mange gange, før den bliver stabil. Hver af henfaldsmekanismerne vil blive beskrevet nærmere i næste afsnit.

Bindingsenergi

Et meget vigtigt begreb i kernefysikken er bindingsenergi. Der findes flere typer bindingsenergi, men til vores formål vil vi se på kernens bindingsenergi. Det er den mængde energi, man skal tilføre en kerne, for at nukleonerne kan overvinde deres tiltrækning og skilles ad i enkelte nukleoner. Bindingsenergien for en hel kerne er lavere end for summen af dens bestanddele, hvilket er en anden måde at se på, at kernen holdes sammen. Det er energimæssigt mere fordelagtigt (dvs. energien er lavere) for nukleonerne at danne og blive i kerner end at være adskilt. Et begreb inden for dette område er bindingsenergi pr. nukleon.

Der er en grænse for en kernes masse, hvor den stærke kernekraft ikke længere kan holde på de yderste nukleoner. Den største kerne, man kender, er urankernen, som har 238 nukleoner. Selv denne kerne er dog meget ustabil, da vi ved, at uran er radioaktivt, og derfor må den henfalde.
Alfahenfald gør det muligt for kernen at miste masse og blive mere stabil ved at udsende en alfapartikel, altså en heliumkerne. Den udsendende kerne mister fire nukleoner, to protoner og to neutroner, og gennemgår transmutation, fordi den mister protoner. Det er disse alfapartikler, der blev brugt i Rutherfords spredningseksperiment til at undersøge atomerne.
Som vi har nævnt, mindsker alfahenfald massen, men det er kun muligt, når bindingsenergien pr. nukleon ikke er på sit minimum, altså for grundstoffer med kerner, der er tungere end nikkel; i praksis er det dog kun observeret for de mest massive kerner, fra grundstoffet tellur og opefter. Alfahenfald er et eksempel på en proces, der kaldes ‘kvantetunnelering’. Atomets kerne skaber en potentialbrønd, som vist på diagrammet, der holder alfapartiklen, som allerede findes inde i kernen, fanget.

Partiklens energi skal være større end brøndens højde, for at partiklen kan undslippe kernen. Ifølge klassisk mekanik ville alfahenfald ikke kunne finde sted, da alfapartiklerne aldrig ville kunne forlade kernen. Kvantemekanikken tillader dog denne tunnelering, hvor der er en lille statistisk sandsynlighed for, at alfapartiklen kan befinde sig uden for brønden, og derfor kan den tunnelere gennem barrieren og dukke op uden for kernen.

En af de første egenskaber, man brugte til at skelne mellem strålingstyperne, var, hvor meget materiale strålingen kunne trænge igennem. Alfapartikler er tunge og har relativt lav hastighed, så de vekselvirker meget let med alle de partikler, de kommer i kontakt med. Det betyder, at de kun kan trænge igennem nogle få centimeter luft eller et tyndt stykke papir eller aluminium.
Der findes mange alfakilder, og en af de mest kendte er uran. Uran henfalder ved at udsende en alfapartikel (α) og omdannes til thorium, som vist i ligningen nedenfor:

²³⁸U → ²³⁴Th + α

Dette er kun det første trin i uranets henfald, da det skal igennem mange andre trin for at blive helt stabilt.