Det forrige avsnittet handlet om tingenes størrelse, særlig nanoskalaen, og om hva vi vet om atomer og molekyler. Nå som vi forstår hvordan atomene er bygd opp, særlig kjernen, kan vi se på noen av de mer interessante tingene kjernen kan gjøre.
En av de største grenene av kjernefysikken er radioaktivitet, et naturlig fenomen hos visse kjerner. Radioaktivitet finnes overalt rundt oss; i jorda, i verdensrommet og til og med i oss selv. Vi utsettes hele tiden for stråling, ikke bare når vi må røntgenfotograferes, så det er svært viktig at vi forstår hvordan den virker.
I dette avsnittet skal vi først se på oppdagelsen av radioaktivitet, deretter på hva som forårsaker den og hvor den kommer fra, og til slutt på hvordan den påvirker verden rundt oss.

Radioaktiviteten ble oppdaget i 1896 av Henri Becquerel mens han arbeidet med røntgenstråling. Man trodde at materialer som inneholdt uran, absorberte lys fra Sola og sendte ut røntgenstråling. Becquerel hadde planlagt et eksperiment for å vise dette ved hjelp av en fotografisk plate, siden man visste at røntgenstråling sverter slike plater. Den dagen eksperimentet skulle gjøres, var himmelen overskyet, så Becquerel gikk ut fra at eksperimentet hadde mislyktes. Heldigvis bestemte han seg for å framkalle den fotografiske plata likevel, og oppdaget at stoffet hadde sendt ut stråling selv om det ikke var noen sol, noe som motbeviste den tidligere teorien hans. Den neste oppgaven hans var å finne ut om det var røntgenstråling eller en annen form for stråling. For å gjøre det plasserte han strålekilden i et vakuumkammer med et magnetfelt og en fotografisk plate, som vist på diagrammet. Man vet at røntgenstråling er nøytral og derfor ikke kan bøyes av i magnetfelt. Etter framkallingen viste den fotografiske plata likevel at strålingen var blitt bøyd av feltet. Da han prøvde med andre kilder, fant han stråling som ble bøyd av den motsatte veien eller ikke i det hele tatt. Dette viste at det finnes tre typer stråling som sendes ut av materie: nøytral stråling og stråling med positiv eller negativ elektrisk ladning.

Skisse av Becquerels oppsett: (1) fotografisk plate, (2) kollimator, (3) radioaktivt materiale, (4) inntak til vakuumpumpe, (5) magnetfelt. Bilde: Zoltán Elekes.

Mange forskere viet karrieren sin til å utforske dette nye fenomenet, blant dem Marie og Pierre Curie, som oppdaget de radioaktive grunnstoffene polonium og radium. Rutherford, forskeren vi allerede har nevnt som oppdageren av atomkjernen, arbeidet også med radioaktivitet og undersøkte de ulike typene kilder og egenskapene deres. Det var Rutherford som ga navn til de ulike typene: alfa, beta og gamma, etter bokstavene i det greske alfabetet. Vi har allerede nevnt alfapartikler, da Rutherford brukte dem til å undersøke det indre av gullatomer, men nå skal vi se nærmere på dem. Men først: Vi vet at vi kan finne radioaktivitet i kilder som uranforbindelser, men hvor ellers finner man den, og hva er den?

Vi vet at visse grunnstoffer er radioaktive, mens andre ikke er det. Det tyder på at radioaktiviteten oppstår på atomnivå, så vi må se på atomene, særlig kjernene, for å forstå den bedre.
Det finnes tre typer stråling fra radioaktive atomer: alfa-, beta- og gammastråling. Dette er partikler eller energi som sendes ut fra atomets kjerne når kjernen er ustabil – man kan også si at det er atomenes henfall på grunn av ustabilitet.
Hvorfor er så visse atomer ustabile og andre ikke?
Det blir forklart i et senere avsnitt, men la oss foreløpig bare si at det skyldes antallet nukleoner i kjernen, særlig forholdet mellom protoner og nøytroner. De ulike typene stråling sendes ut ved ulike typer ustabilitet. Det er derfor ulike kilder sender ut ulik stråling.  
Ustabilitet er ikke begrenset til atomkjerner. Frie nøytroner henfaller med en gjennomsnittlig levetid på omtrent 15 minutter, og selv protoner kunne til slutt henfalle, men halveringstiden teorien forutsier i dette tilfellet, er 10³⁶ år! Så på menneskelig skala regnes protoner som stabile.
Nå som vi har en idé om hva strålingen egentlig er, kan vi se på hvor vi finner den.

Radioaktivitet er ikke begrenset til de farlige grunnstoffene vi har snakket om, som uran eller radium. De er de sterkeste kildene vi kjenner, men radioaktivitet finnes i mye mindre mengder mange andre steder. Strålingen Becquerel fant fra uran, kommer også fra stein, fra verdensrommet, fra lufta vi puster inn, vannet vi drikker, havet vi bader i og våre egne kropper.
Det overrasker deg kanskje å høre at du og alle menneskene du kjenner, er radioaktive, og du tror kanskje til og med at det skyldes den moderne teknologiske verdenen vi har skapt, med kjernekraftverk, datamaskiner og medisinsk røntgen – men da tar du feil. Så lenge det har vært liv på Jorda, har alle planter og dyr vært radioaktive. Det er en del av livets historie på jorda. Så la oss se nærmere på nøyaktig hvor vi har funnet radioaktivitet.

Bakken

Radioaktive grunnstoffer finnes overalt rundt oss i jorda. Mange mineraler, særlig granitt, inneholder noen uranforbindelser. Faktisk er det omtrent like mye uran i jord og berg som metaller som tinn, sink eller wolfram. Andre radioaktive stoffer er imidlertid mye vanligere, som thorium, som er omtrent tre ganger så vanlig på Jorda som uran. På 1800-tallet, like før elektrisk lys tok over for gassbelysningen, ble thoriumoksid brukt til å få gasslamper til å lyse sterkt. På 2000-tallet kan thorium godt bli brensel i kjernekraftverk.

Bildet viser hvor mye uran det finnes i berg. Det viser et lodd på 10kg ved siden av tre tråder som til sammen veier 30 milligram. Dette er forholdet mellom uran og berg i jordskorpa.
Vi kan altså påvise uran og andre radioaktive stoffer i berggrunnen, og denne strålingen utgjør en stor del av det vi kaller bakgrunnsstråling. Det er strålingen vi gjennom hele livet utsettes for fra omgivelsene. Kroppen vår har måter å takle dette på, som du vil få vite senere.

Kartet nedenfor viser nivåene av bakgrunnsstråling i deler av Vest-Europa (bilde: World Nuclear Association).
Forskjellene skyldes for det meste hvilke bergarter grunnen består av i de ulike landene. I det sørvestlige England består grunnen for eksempel for det meste av granitt, og derfor er bakgrunnsstrålingen i dette området høyere enn i det meste av resten av landet, der grunnen består av kalkstein. Deler av det sentrale Frankrike har svært høye strålingsnivåer på grunn av radongass fra berggrunnen. I tillegg til berggrunnen er det andre faktorer som bidrar til bakgrunnsstrålingen vi utsettes for.

Verdensrommet

I universet finnes det mange kilder til mange typer stråling, blant annet radiogalakser med overlyshastighets-jetstråler (som tilsynelatende beveger seg raskere enn lyset), sorte hull og til og med planetene i vårt eget solsystem. Astronomer bruker spesialteleskoper for å lete etter disse typene stråling, som omfatter røntgen- og gammastråling. Disse kildene stråler i alle retninger, og selv strålingen fra objekter som ligger hundretusener av lysår borte, kan til slutt nå oss. Det vi registrerer fra disse strålekildene, kalles kosmisk stråling. Du vil faktisk måle mer kosmisk stråling jo høyere opp du kommer. På fjelltopper registreres langt mer enn ved havnivå, fordi strålingen må passere gjennom mindre atmosfære.
Kosmisk stråling er vanskelig å unngå og er noen ganger til stor plage for forskerne. Iblant er det nødvendig å måle svært svak radioaktivitet. Det kan være når man studerer svært svake, svært fjerne gammakilder som bare sender ut en bitte liten mengde i vår retning, eller til og med når man studerer universets utvidelse og mikrobølgestrålingen som følger med den.

Det ville være håpløst å måle svært svak radioaktivitet på jordoverflaten, siden den ville bli fullstendig overdøvet av den rikelige kosmiske strålingen. Derfor er noen eksperimenter plassert i dype gruver halvannen kilometer eller så under bakken – og man passer selvsagt alltid på å unngå granitt med mye uran. Et eksperiment som krever slike tiltak, er påvisningen av en type elementærpartikkel, som vi kommer tilbake til senere, kalt nøytrino.

Bildet til høyre viser en nøytrinodetektor som er plassert 1,4 km under toppen av et fjell i Italia.

Sjøvann

Når elver renner over berg og jord, fører de med seg alle slags oppløste salter i vannet. Med tiden, etter hvert som vannet fordamper i sola, blir saltene konsentrert. Siden de fleste bergarter inneholder litt uran, er det ikke overraskende at havene også inneholder uransalter. Dette gjør havet litt radioaktivt, og ikke bare på grunn av uranet; blant andre stoffer finnes det også ⁴⁰K (uttales kalium-40). Denne formen for kalium er det viktigste stoffet som gjør kroppen vår radioaktiv.
Sjøvann inneholder i gjennomsnitt omtrent tre milligram uran per tusen liter, det vil si per kubikkmeter. Det er kanskje ikke mye, men det sies at hvis kostnaden ved å utvinne uran fra havet kunne bringes ned til omtrent en tidel av hva den er i dag, ville uran kunne utvinnes fra havet med fortjeneste! Hvis dagens urankilder en dag blir brukt opp, kunne kjernekraftverk faktisk drives med uran utvunnet fra sjøvann.

I lufta

Lufta vi puster inn, inneholder en liten mengde av en radioaktiv form for karbon, kjent som ¹⁴C (uttales ‘karbon-fjorten’; i noen bøker vil du se ¹⁴C skrevet som karbon-14). Karbon-14-atomer dannes når kosmisk stråling vekselvirker i atmosfæren. Den kosmiske strålingen gjennomgår mange omdannelser, som blant annet kan gi termiske nøytroner. Disse nøytronene reagerer med nitrogen-14-atomene i atmosfæren i en kjernereaksjon der det dannes karbon-14-atomer og protoner. Karbonatomene danner deretter karbondioksidmolekyler, som plantene tar opp fra lufta for å drive fotosyntese og lage sukker og cellulose, og slik tar de opp karbon-14. Dette føres videre til oss når vi spiser plantene, eller til og med når vi spiser dyr som har spist disse plantene. At alle levende organismer tar opp karbon-14 helt til den dagen de dør, kan brukes til å datere rester av levende organismer som har ligget i jorda i hundrevis eller tusenvis av år. Denne metoden krever at man tar hensyn til de radioaktive atomenes halveringstid, som vi kommer tilbake til senere.

I oss selv

Maten vi spiser, inneholder hver dag to eller tre gram kalium. Det betyr at det for hvert kilo kroppsvekt henfaller omtrent 50 kaliumatomer og sender ut radioaktive partikler i kroppen vår hvert sekund! Husk også at når vi spiser planter (eller dyr som har spist planter), tar vi opp karbon-14-atomer, som også er radioaktive. Det vil også finnes spor av andre radioaktive grunnstoffer, til og med uran. Hvis du tilfeldigvis svelger litt sjøvann på stranda, får du i deg en bitte liten mengde uran, siden alt sjøvann inneholder litt uran.
Vi har allerede beskrevet hvordan kosmisk stråling danner karbon-14, som brukes til å lage karbohydrater når det tas opp av planter og dermed av dyr og oss selv. Karbon-14 er dermed kommet inn i næringskjeden, og alle levende organismer kan bli utsatt for det.

Store doser radioaktivitet kan være dødelige, og tusenvis av mennesker døde av stråling som følge av atombombene som ble sluppet over Japan i 1945. Senere, i 1986, ble 28 mennesker drept av stråling da kjernekraftverket i Tsjernobyl i Ukraina eksploderte. Du kan lese mer om disse temaene i avsnittet Fordeler og risikoer og i historieavsnittet.
Strålemengdene man vet skader helsen, er langt større enn bakgrunnsstrålingen fra kosmisk stråling, berggrunn osv. Cellene våre som eventuelt skades av disse kildene, kan reparere seg selv, siden bare noen få blir skadet. Ved større stråledoser blir et stort antall celler skadet så mye at de ikke kan repareres, og derfor kan det være farlig.
Vi vet at planter og dyr har levd og utviklet seg med radioaktivitet i milliarder av år. Om radioaktivitet er farlig, avhenger altså av hvor mye vi får. Selv for mye vanlig salt kan drepe mennesker, og det er derfor folk som driver rundt på havet, kan dø av tørst! Som man sier: For mye av det gode er ikke bra.
Hvordan vet vi så hvor mye stråling som er ‘for mye’? Først må vi forstå de ulike typene stråling og hvor farlig hver av dem er. Hvilket nivå strålingen må ha for å være farlig, finner vi ut i avsnittet om aktivitet og vekselvirkning med materie.

I forrige avsnitt fant vi ut hva radioaktivitet egentlig er: Det er henfallet av ustabile atomer og den påfølgende utsendelsen av en partikkel eller energi. Nå skal vi se på hva som gjør et atom ustabilt, og hvilke typer stråling som finnes.

Isotoper

Vi vet at atomer består av en kjerne av protoner og nøytroner med elektroner som går i bane rundt kjernen. Vi vet også at atomer er elektrisk nøytrale, mens ioner, som har mistet eller fått ekstra elektroner, er ladd. Nøkkelen til å forstå radioaktivitet ligger i isotoper.
Vi har nevnt at karbon-14 er radioaktivt, mens vanlig karbon-12 ikke er det. Hvordan skiller så karbon-14 seg fra karbon-12? Forskjellen ligger i kjernene. For at begge atomene grunnleggende sett skal være karbon, må de ha samme antall protoner, altså samme atomnummer. Det er dette som gjør et grunnstoff til det det er. Hvis vi endrer antallet elektroner i atomet, blir atomet bare et ion. Derfor må vi endre antallet nøytroner. Vi sier altså at karbon-14 er en isotop av karbon-12, og at forskjellen bare er at det har to ekstra nøytroner i kjernen – altså en annen masse, men alt i alt det samme grunnstoffet.
Det finnes mange isotoper av hvert grunnstoff. Et kjent eksempel er deuterium, en isotop av hydrogen med ett nøytron og ett proton. Det kan brukes til å lage tungtvann, som har mange interessante bruksområder, blant annet til å påvise nøytrinoer og som moderator i kjernereaktorer.
Ustabile isotoper er ofte svært nyttige i medisinske prosedyrer og kan brukes trygt fordi de har kort levetid før de henfaller. Et problem er at disse stoffene ikke finnes naturlig på Jorda og derfor må framstilles på sykehusene i maskiner som kalles syklotroner, som ved hjelp av elektromagneter akselererer atomer til ekstremt høye hastigheter i en sirkulær bane. Syklotroner finnes i mange ulike størrelser, avhengig av bruksområdet og hvilken isotop som skal produseres. I maskinene kolliderer kjerner med ladde partikler, og den nødvendige radioisotopen dannes. Betegnelsen radioisotop brukes om isotoper som er ustabile og radioaktive.
De mest stabile variantene av grunnstoffene er de vi oppgir i det periodiske systemet, altså dem vi oftest finner i naturen. De er imidlertid egentlig bare vanlige på grunn av stabiliteten sin; de ustabile isotopene har henfalt til andre, mer stabile grunnstoffer, slik at de stabile variantene er blitt igjen. Hva gjør så én isotop mer stabil enn en annen?

Stabilitet

I avsnittet om atomkjerner nevnte vi kort at nukleonene holdes sammen av den sterke kjernekraften, som overvinner den elektrostatiske frastøtningen mellom protonene. Dette er nøkkelen til å forstå kjernenes stabilitet. Både nøytroner og protoner påvirkes av den sterke kjernekraften, men bare protonene frastøter hverandre, så nøytronene styrker kraften som holder kjernen sammen, uten å øke den elektrostatiske frastøtningen.
Etter det vi nettopp har gått gjennom, tror du kanskje at jo flere nøytroner en kjerne har, desto mer stabil burde den være. Men slik er det ikke. Kjerner er bare stabile innenfor et bestemt intervall for forholdet mellom nøytroner og protoner, omtrent 1-1,6. Utenfor dette intervallet vil kjernen være ustabil og henfalle. Nitrogen er for eksempel stabilt og har forholdet 1: det har 7 nøytroner og 7 protoner. I den andre enden av intervallet har bly, som også er stabilt, 82 protoner og 126 nøytroner, altså forholdet 1,54. Nedenfor vises en graf over stabilitetsområdet etter antall protoner og nøytroner, der Z er antallet protoner i en kjerne, N er antallet nøytroner, A=Z+N er antallet nukleoner, og de to kurvene tilsvarer (1) stabile kjerner, (2) linjen P=N. Graf: Zoltán Elekes.

Grafen viser også tre henfallsmekanismer, avhengig av hvor kjernen ligger i grafen. Hvis en kjerne har for få protoner, vil den gjennomgå betahenfall. Hvis den derimot har for få nøytroner, vil den henfalle på motsatt måte, ved positronhenfall (også kalt beta-pluss-henfall). Et alternativ til dette er en prosess som kalles elektroninnfanging, der kjernen «sluker» et elektron, slik at man får samme resultat som ved beta-pluss-henfall. For svært massive kjerner er det en fordel å miste masse ved henfallet, siden lettere kjerner generelt er mye mer stabile, så disse kjernene henfaller ved å sende ut alfapartikler (to protoner og to nøytroner). Når atomer har gjennomgått beta- eller alfahenfall, har antallet protoner i kjernen endret seg, og dermed har selve grunnstoffet endret seg; en prosess som kalles transmutasjon. Du har kanskje hørt om alkymi, som forskere drev med før vi forsto grunnstoffene. Disse forskerne prøvde å forvandle andre stoffer til andre grunnstoffer, særlig gull, noe som i bunn og grunn er transmutasjon – og det er det enhver ustabil kjerne gjør, noen ganger mange ganger før den blir stabil. Hver av henfallsmekanismene blir beskrevet nærmere i neste avsnitt.

Bindingsenergi

Et svært viktig begrep i kjernefysikken er bindingsenergi. Det finnes flere typer bindingsenergi, men for vårt formål skal vi se på kjernens bindingsenergi. Dette er energimengden man må tilføre en kjerne for at nukleonene skal overvinne tiltrekningen og skilles i enkelte nukleoner. Bindingsenergien for en hel kjerne er lavere enn for summen av bestanddelene, noe som er en annen måte kjernen holdes sammen på. Det er energimessig gunstigere (det vil si at energien er lavere) for nukleonene å danne og bli værende i kjerner enn å være atskilt. Et begrep innen dette området er bindingsenergi per nukleon.

Det finnes en grense for en kjernes masse der den sterke kjernekraften ikke lenger klarer å holde på de ytterste nukleonene. Den største kjernen man kjenner, er urankjernen, som har 238 nukleoner. Men selv denne kjernen er svært ustabil, siden vi vet at uran er radioaktivt, og derfor må den henfalle.
Alfahenfall gjør det mulig for kjernen å miste masse og bli mer stabil ved å sende ut en alfapartikkel, altså en heliumkjerne. Kjernen som sender den ut, mister fire nukleoner, to protoner og to nøytroner, og gjennomgår transmutasjon fordi den mister protoner. Det er disse alfapartiklene som ble brukt i Rutherfords spredningseksperiment for å undersøke atomene.
Som vi har sagt, reduserer alfahenfall massen, men det er bare mulig når bindingsenergien per nukleon ikke er på sitt minimum, altså for grunnstoffer med kjerner som er tyngre enn nikkel; i praksis er det imidlertid bare observert for de mest massive kjernene, fra grunnstoffet tellur og oppover. Alfahenfall er et eksempel på en prosess som kalles ‘kvantetunnelering’. Atomets kjerne skaper en potensialbrønn, som vist i diagrammet, der alfapartikkelen, som allerede finnes inne i kjernen, holdes fanget.

Partikkelens energi må være større enn brønnens høyde for at partikkelen skal kunne unnslippe kjernen. Ifølge klassisk mekanikk ville alfahenfall ikke kunne skje, siden alfapartiklene aldri ville kunne forlate kjernen. Kvantemekanikken tillater imidlertid denne tunneleringen, der det er en liten statistisk sannsynlighet for at alfapartikkelen kan befinne seg utenfor brønnen, slik at den kan tunnelere gjennom barrieren og dukke opp utenfor kjernen.

En av de første egenskapene man brukte til å skille mellom strålingstypene, var hvor mye materiale strålingen kunne trenge gjennom. Alfapartikler er tunge og har relativt lav hastighet, så de vekselvirker svært lett med alle partiklene de kommer i kontakt med. Det betyr at de bare kan trenge gjennom noen få centimeter luft eller et tynt ark papir eller aluminium.
Det finnes mange alfakilder, og en av de mest kjente er uran. Uran henfaller ved å sende ut en alfapartikkel (α) og omdannes til thorium, som vist i likningen nedenfor:

²³⁸U → ²³⁴Th + α

Dette er bare det første trinnet i uranets henfall, siden det må gjennom mange andre trinn før det blir helt stabilt.