Det förra avsnittet handlade om tingens storlek, särskilt nanoskalan, och om vad vi vet om atomer och molekyler. Nu när vi förstår atomernas uppbyggnad, särskilt kärnans, kan vi studera några av de mer intressanta saker som kärnan kan göra.
En av kärnfysikens största grenar är radioaktivitet, ett naturligt fenomen hos vissa kärnor. Radioaktivitet finns överallt omkring oss; i marken, i rymden och till och med i oss själva. Vi utsätts ständigt för strålning, inte bara när vi måste röntgas, så det är mycket viktigt att vi förstår hur den fungerar.
I detta avsnitt ska vi först gå igenom upptäckten av radioaktiviteten, sedan vad som orsakar den och var den kommer ifrån, och slutligen hur den påverkar världen omkring oss.

Radioaktiviteten upptäcktes 1896 av Henri Becquerel när han arbetade med röntgenstrålning. Man trodde att material som innehöll uran absorberade ljus från solen och sände ut röntgenstrålning. Becquerel hade planerat ett experiment för att visa detta med hjälp av en fotografisk plåt, eftersom man visste att röntgenstrålning svärtar sådana plåtar. På experimentdagen var himlen mulen, så Becquerel antog att experimentet hade misslyckats. Lyckligtvis bestämde han sig för att framkalla den fotografiska plåten ändå och upptäckte att ämnet hade sänt ut strålning trots att det inte fanns någon sol, vilket motbevisade hans tidigare teori. Hans nästa uppgift var att ta reda på om det var röntgenstrålning eller en annan form av strålning. För att göra det placerade han strålkällan i en vakuumkammare med ett magnetfält och en fotografisk plåt, som diagrammet visar. Man vet att röntgenstrålning är neutral och därför inte kan böjas av i magnetfält. Efter framkallningen visade den fotografiska plåten dock att strålningen hade böjts av fältet. När han provade med andra källor fann han strålning som böjdes av åt motsatt håll eller inte alls. Det visade att materia sänder ut tre typer av strålning: neutral strålning och strålning med positiv eller negativ elektrisk laddning.

Skiss över Becquerels uppställning: (1) fotografisk plåt, (2) kollimator, (3) radioaktivt material, (4) intag till vakuumpump, (5) magnetfält. Bild: Zoltán Elekes.

Många forskare ägnade sina karriärer åt att utforska detta nya fenomen, bland andra Marie och Pierre Curie, som upptäckte de radioaktiva grundämnena polonium och radium. Rutherford, den forskare som vi redan har nämnt som upptäckaren av atomkärnan, arbetade också med radioaktivitet och undersökte de olika typerna av källor och deras egenskaper. Det var Rutherford som myntade namnen på de olika typerna: alfa, beta och gamma, efter bokstäverna i det grekiska alfabetet. Vi har redan nämnt alfapartiklar, när Rutherford använde dem för att undersöka guldatomernas inre, men nu ska vi titta närmare på dem. Men först: vi vet att vi kan hitta radioaktivitet i källor som uranföreningar, men var mer finns den, och vad är den?

Vi vet att vissa grundämnen är radioaktiva, medan andra inte är det. Det tyder på att radioaktiviteten uppstår på atomnivå, så vi måste titta på atomerna, särskilt kärnorna, för att förstå den bättre.
Det finns tre typer av strålning från radioaktiva atomer: alfa-, beta- och gammastrålning. Det är partiklar eller energi som sänds ut från atomens kärna när kärnan är instabil – man kan också säga att det är atomernas sönderfall på grund av instabilitet.
Varför är då vissa atomer instabila och andra inte?
Det förklaras i ett senare avsnitt, men låt oss för tillfället bara säga att det beror på antalet nukleoner i kärnan, särskilt förhållandet mellan protoner och neutroner. De olika typerna av strålning sänds ut vid olika typer av instabilitet. Det är därför olika källor sänder ut olika strålning.  
Instabilitet är inte begränsad till atomkärnor. Fria neutroner sönderfaller med en genomsnittlig livslängd på omkring 15 minuter, och även protoner skulle i slutändan kunna sönderfalla, men den halveringstid som teorin förutsäger i det fallet är 10³⁶ år! Så i mänsklig skala anses protoner vara stabila.
Nu när vi har en idé om vad strålningen egentligen är kan vi titta på var vi hittar den.

Radioaktivitet är inte begränsad till de farliga grundämnen som vi har talat om, som uran eller radium. De är de starkaste källor vi känner till, men radioaktivitet finns i mycket mindre mängder på många andra ställen. Den strålning som Becquerel fann komma från uran kommer också från berggrunden, från yttre rymden, från luften vi andas, vattnet vi dricker, havet vi badar i och våra egna kroppar.
Du blir kanske förvånad över att höra att du och alla människor du känner är radioaktiva, och du kanske till och med tror att det beror på den moderna, tekniska värld vi har skapat, med kärnkraftverk, datorer och medicinsk röntgen – men då har du fel. Så länge det har funnits liv på jorden har alla växter och djur varit radioaktiva. Det är en del av livets historia på jorden. Så låt oss titta närmare på exakt var vi har hittat radioaktivitet.

Marken

Radioaktiva grundämnen finns överallt omkring oss i marken. Många mineral, särskilt granit, innehåller vissa uranföreningar. Faktum är att uran är ungefär lika vanligt i jord och berg som metaller som tenn, zink eller volfram. Andra radioaktiva ämnen är dock mycket vanligare, som torium, som är ungefär tre gånger så vanligt på jorden som uran. På 1800-talet, strax innan elektriskt ljus ersatte gasbelysningen, användes toriumoxid för att få gaslampor att lysa klart. På 2000-talet kan torium mycket väl bli bränsle i kärnkraftverk.

Bilden visar hur mycket uran det finns i berg. Den visar en vikt på 10kg bredvid tre trådar som tillsammans väger 30 milligram. Det är förhållandet mellan uran och berg i jordskorpan.
Vi kan alltså påvisa uran och andra radioaktiva ämnen i berggrunden, och denna strålning står för en stor del av det vi kallar bakgrundsstrålning. Det är den strålning vi hela livet utsätts för från vår omgivning. Våra kroppar har sätt att hantera detta, som du kommer att få veta senare.

Kartan nedan visar nivåerna av bakgrundsstrålning i delar av Västeuropa (bild: World Nuclear Association).
Skillnaderna beror främst på vilka bergarter marken består av i de olika länderna. I sydvästra England består marken till exempel mest av granit, och därför är bakgrundsstrålningen i det området högre än i större delen av resten av landet, där marken består av kalksten. Områden i centrala Frankrike har mycket höga strålningsnivåer på grund av radongas från berggrunden. Förutom berggrunden finns det andra faktorer som bidrar till den bakgrundsstrålning vi utsätts för.

Rymden

I universum finns många källor till många typer av strålning, bland annat radiogalaxer med överljusfarts-jetstrålar (som till synes rör sig snabbare än ljuset), svarta hål och till och med planeterna i vårt eget solsystem. Astronomer använder specialteleskop för att leta efter dessa typer av strålning, som omfattar röntgen- och gammastrålning. Dessa källor strålar åt alla håll, och till och med strålningen från objekt som befinner sig hundratusentals ljusår bort kan till slut nå oss. Det vi registrerar från dessa strålningskällor kallas kosmisk strålning. Du kommer faktiskt att mäta mer kosmisk strålning ju högre upp du kommer. På bergstoppar registreras mycket mer än vid havsytan, eftersom strålningen måste passera genom mindre atmosfär.
Kosmisk strålning är svår att undkomma och är ibland till stort förtret för forskarna. Ibland är det nödvändigt att mäta mycket svag radioaktivitet. Det kan vara när man studerar mycket svaga, mycket avlägsna gammakällor som bara sänder ut en pytteliten mängd i vår riktning, eller till och med när man studerar universums expansion och den mikrovågsstrålning som hör till den.

Det vore hopplöst att mäta mycket svag radioaktivitet på jordytan, eftersom den skulle dränkas helt av den rikliga kosmiska strålningen. Därför är vissa experiment placerade i djupa gruvor en och en halv kilometer eller så under jord – och man ser naturligtvis alltid till att undvika granit med mycket uran. Ett experiment som kräver sådana åtgärder är detektionen av en typ av elementarpartikel, som vi återkommer till senare, kallad neutrino.

Bilden till höger visar en neutrinodetektor som är placerad 1,4 km under toppen av ett berg i Italien.

Havsvatten

När floder rinner över berg och jord för de med sig alla möjliga lösta salter i vattnet. Med tiden, när vattnet avdunstar i solen, koncentreras salterna. Eftersom de flesta bergarter innehåller lite uran är det inte förvånande att haven också innehåller uransalter. Det gör havet en aning radioaktivt, och inte bara på grund av uranet; bland andra ämnen finns det också ⁴⁰K (uttalas kalium-40). Denna form av kalium är det viktigaste ämnet som gör våra kroppar radioaktiva.
Havsvatten innehåller i genomsnitt omkring tre milligram uran per tusen liter, dvs. per kubikmeter. Det är kanske inte mycket, men man säger att om kostnaden för att utvinna uran ur havet kunde sänkas till ungefär en tiondel av vad den är i dag, skulle uran kunna utvinnas ur havet med vinst! Om de nuvarande urantillgångarna någon gång tar slut skulle kärnkraftverken faktiskt kunna drivas med uran som utvunnits ur havsvatten.

I luften

Luften vi andas innehåller en liten mängd av en radioaktiv form av kol, känd som ¹⁴C (uttalas ’kol-fjorton’; i vissa böcker ser du ¹⁴C skrivet som kol-14). Kol-14-atomer bildas genom den kosmiska strålningens växelverkan i atmosfären. Den kosmiska strålningen genomgår många omvandlingar, som bland annat kan ge termiska neutroner. Dessa neutroner reagerar med kväve-14-atomerna i atmosfären i en kärnreaktion där kol-14-atomer och protoner bildas. Kolatomerna bildar sedan koldioxidmolekyler, som växterna tar upp ur luften för att genom fotosyntes bilda socker och cellulosa, och därigenom tar de upp kol-14. Det förs sedan vidare till oss när vi äter växterna, eller till och med när vi äter djur som har ätit dessa växter. Att alla levande organismer tar upp kol-14 fram till den dag de dör kan användas för att datera rester av levande organismer som har legat i marken i hundratals eller tusentals år. Den metoden kräver att man tar hänsyn till de radioaktiva atomernas halveringstid, som vi tar upp senare.

I oss själva

Den mat vi äter innehåller varje dag två eller tre gram kalium. Det betyder att för varje kilo kroppsvikt sönderfaller ungefär 50 kaliumatomer och sänder ut radioaktiva partiklar i våra kroppar varje sekund! Kom också ihåg att när vi äter växter (eller djur som har ätit växter) tar vi upp kol-14-atomer, som också är radioaktiva. Det finns också spår av andra radioaktiva grundämnen, till och med uran. Om du råkar svälja lite havsvatten vid stranden får du i dig en pytteliten mängd uran, eftersom allt havsvatten innehåller lite uran.
Vi har redan beskrivit hur kosmisk strålning bildar kol-14, som används för att bilda kolhydrater när det tas upp av växter och därmed av djur och oss själva. Kol-14 har då kommit in i näringskedjan, och alla levande organismer kan utsättas för det.

Stora doser radioaktivitet kan vara dödliga, och tusentals människor dog av strålning till följd av de atombomber som fälldes över Japan 1945. Mer nyligen, 1986, dödades 28 människor av strålning när kärnkraftverket i Tjernobyl i Ukraina exploderade. Du kan läsa mer om dessa ämnen i avsnitten Fördelar och risker och Historia.
De strålningsmängder som man vet skadar hälsan är långt större än bakgrundsstrålningen från kosmisk strålning, berggrund osv. De av våra celler som eventuellt skadas av dessa källor kan reparera sig själva, eftersom bara några få skadas. Vid större stråldoser skadas ett stort antal celler så svårt att de inte kan repareras, och därför kan det vara farligt.
Vi vet att växter och djur har levt och utvecklats med radioaktivitet i miljarder år. Huruvida radioaktivitet är farlig beror alltså på hur mycket vi får. Till och med för mycket vanligt salt kan döda människor, och därför kan människor som driver omkring på havet dö av törst! Som man säger: för mycket av det goda är inte bra.
Hur vet vi då hur mycket strålning som är ’för mycket’? Först måste vi förstå de olika typerna av strålning och hur farlig var och en är. Vilken nivå strålningen måste ha för att vara farlig tar vi reda på i vårt avsnitt om aktivitet och växelverkan med materia.

I det förra avsnittet fick vi veta vad radioaktivitet egentligen är: det är sönderfallet av instabila atomer och den efterföljande utsändningen av en partikel eller energi. Nu ska vi titta på vad som gör en atom instabil och vilka typer av strålning som finns.

Isotoper

Vi vet att atomer består av en kärna av protoner och neutroner med elektroner som kretsar runt kärnan. Vi vet också att atomer är elektriskt neutrala, medan joner, som har förlorat eller fått extra elektroner, är laddade. Nyckeln till att förstå radioaktivitet ligger i isotoper.
Vi har nämnt att kol-14 är radioaktivt, medan vanligt kol-12 inte är det. Hur skiljer sig då kol-14 från kol-12? Skillnaden ligger i deras kärnor. För att båda atomerna i grunden ska vara kol måste de ha samma antal protoner, alltså samma atomnummer. Det är detta som gör ett grundämne till det det är. Om vi ändrar antalet elektroner i atomen blir den bara en jon. Därför måste vi ändra antalet neutroner. Vi säger alltså att kol-14 är en isotop av kol-12 och att skillnaden bara är att den har två extra neutroner i kärnan – alltså en annan massa men på det hela taget samma grundämne.
Det finns många isotoper av varje grundämne. Ett välkänt exempel är deuterium, en isotop av väte med en neutron och en proton. Det kan användas för att framställa tungt vatten, som har många intressanta användningsområden, bland annat för att påvisa neutriner och som moderator i kärnreaktorer.
Instabila isotoper är ofta mycket användbara i medicinska procedurer och kan användas säkert tack vare sin korta livslängd innan de sönderfaller. Ett problem är att dessa ämnen inte finns naturligt på jorden och därför måste framställas på sjukhusen i maskiner som kallas cyklotroner, som med hjälp av elektromagneter accelererar atomer till extremt höga hastigheter i en cirkulär bana. Cyklotroner finns i många olika storlekar, beroende på användningen och vilken isotop som ska framställas. I maskinerna får kärnor kollidera med laddade partiklar, och den önskade radioisotopen bildas. Termen radioisotop används för isotoper som är instabila och radioaktiva.
De mest stabila varianterna av grundämnena är de som vi anger i det periodiska systemet, alltså de som vi oftast hittar i naturen. De är dock egentligen bara vanliga på grund av sin stabilitet; de instabila isotoperna har sönderfallit till andra, mer stabila grundämnen, så att de stabila varianterna har blivit kvar. Vad gör då en isotop mer stabil än en annan?

Stabilitet

I avsnittet om atomkärnor nämnde vi kort att nukleonerna hålls samman av den starka kärnkraften, som övervinner den elektrostatiska repulsionen mellan protonerna. Det är nyckeln till att förstå kärnornas stabilitet. Både neutroner och protoner påverkas av den starka kärnkraften, men bara protonerna stöter bort varandra, så neutronerna förstärker den kraft som håller samman kärnan utan att öka den elektrostatiska repulsionen.
Efter det vi just har gått igenom tror du kanske att ju fler neutroner en kärna har, desto stabilare borde den vara. Men så är det inte. Kärnor är bara stabila inom ett visst intervall för förhållandet mellan neutroner och protoner, omkring 1-1,6. Utanför detta intervall är kärnan instabil och sönderfaller. Kväve är till exempel stabilt och har förhållandet 1: det har 7 neutroner och 7 protoner. I andra änden av intervallet har bly, som också är stabilt, 82 protoner och 126 neutroner, alltså förhållandet 1,54. Nedan visas ett diagram över stabilitetsområdet efter antalet protoner och neutroner, där Z är antalet protoner i en kärna, N är antalet neutroner, A=Z+N är antalet nukleoner och de två kurvorna motsvarar (1) stabila kärnor, (2) linjen P=N. Diagram: Zoltán Elekes.

Diagrammet visar också tre sönderfallsmekanismer, beroende på var kärnan ligger i diagrammet. Om en kärna har för få protoner genomgår den betasönderfall. Om den däremot har för få neutroner sönderfaller den på motsatt sätt, genom positronsönderfall (även kallat beta-plus-sönderfall). Ett alternativ till detta är en process som kallas elektroninfångning, där kärnan ”sväljer” en elektron, vilket ger samma resultat som beta-plus-sönderfall. För mycket massiva kärnor är det fördelaktigt att förlora massa vid sönderfallet, eftersom lättare kärnor i allmänhet är mycket stabilare, så dessa kärnor sönderfaller genom att sända ut alfapartiklar (två protoner och två neutroner). När atomer har genomgått beta- eller alfasönderfall har antalet protoner i kärnan ändrats, och därmed har själva grundämnet ändrats; en process som kallas transmutation. Du har kanske hört talas om alkemi, som forskare ägnade sig åt innan vi förstod grundämnena. Dessa forskare försökte förvandla andra ämnen till andra grundämnen, främst guld, vilket i grunden är transmutation – och det är vad varje instabil kärna gör, ibland många gånger innan den blir stabil. Var och en av sönderfallsmekanismerna beskrivs närmare i nästa avsnitt.

Bindningsenergi

Ett mycket viktigt begrepp inom kärnfysiken är bindningsenergi. Det finns flera typer av bindningsenergi, men för våra syften ska vi titta på kärnans bindningsenergi. Det är den mängd energi man skulle behöva tillföra en kärna för att nukleonerna ska övervinna sin attraktion och skiljas åt i enskilda nukleoner. Bindningsenergin för en hel kärna är lägre än för summan av dess beståndsdelar, vilket är ett annat sätt att se på hur kärnan hålls samman. Det är energimässigt mer fördelaktigt (dvs. energin är lägre) för nukleonerna att bilda och stanna i kärnor än att vara åtskilda. Ett begrepp inom detta område är bindningsenergi per nukleon.

Det finns en gräns för en kärnas massa där den starka kärnkraften inte längre kan hålla kvar de yttersta nukleonerna. Den största kärna man känner till är urankärnan, som har 238 nukleoner. Men även denna kärna är mycket instabil, eftersom vi vet att uran är radioaktivt, och därför måste den sönderfalla.
Alfasönderfall gör det möjligt för kärnan att förlora massa och bli stabilare genom att sända ut en alfapartikel, alltså en heliumkärna. Den utsändande kärnan förlorar fyra nukleoner, två protoner och två neutroner, och genomgår transmutation eftersom den förlorar protoner. Det är dessa alfapartiklar som användes i Rutherfords spridningsexperiment för att undersöka atomerna.
Som vi har sagt minskar alfasönderfall massan, men det är bara möjligt när bindningsenergin per nukleon inte är som lägst, alltså för grundämnen med kärnor som är tyngre än nickel; i praktiken har det dock bara observerats för de mest massiva kärnorna, från grundämnet tellur och uppåt. Alfasönderfall är ett exempel på en process som kallas ’kvanttunnling’. Atomens kärna skapar en potentialbrunn, som diagrammet visar, där alfapartikeln, som redan finns inuti kärnan, hålls fången.

Partikelns energi måste vara större än brunnens höjd för att partikeln ska kunna lämna kärnan. Enligt klassisk mekanik skulle alfasönderfall inte kunna ske, eftersom alfapartiklarna aldrig skulle kunna lämna kärnan. Kvantmekaniken tillåter dock denna tunnling, där det finns en liten statistisk sannolikhet att alfapartikeln befinner sig utanför brunnen, så att den kan tunnla genom barriären och dyka upp utanför kärnan.

En av de första egenskaperna som användes för att skilja mellan strålningstyperna var hur mycket material strålningen kunde tränga igenom. Alfapartiklar är tunga och har relativt låg hastighet, så de växelverkar mycket lätt med alla partiklar de kommer i kontakt med. Det betyder att de bara kan tränga igenom några centimeter luft eller ett tunt papper eller en tunn aluminiumfolie.
Det finns många alfakällor, och en av de mest kända är uran. Uran sönderfaller genom att sända ut en alfapartikel (α) och omvandlas till torium, enligt ekvationen nedan:

²³⁸U → ²³⁴Th + α

Detta är bara det första steget i uranets sönderfall, eftersom det måste gå igenom många andra steg innan det blir helt stabilt.