Free Press

Kernehenfald har givet et fantastisk vindue ind til det meget lille. Atomkernes henfald gav den første indikation af sammenhængen mellem masse og energi, og det afslørede eksistensen af to af de fire grundlæggende kræfter i naturen. I dette afsnit udforsker vi de vigtigste former for nukleart henfald; og ligesom dem, der først udforskede dem, vil vi opdage beviser for tidligere ukendte partikler og bevarelseslove.

Som nogle nuklider er stabile og lever tilsyneladende for evigt. Ustabile nuklider henfalder (det vil sige, de er radioaktive) og producerer til sidst en stabil nuklid efter mange henfald. Vi kalder den oprindelige nuklid for modernuklidet og dets henfaldsprodukter for døtrene. Nogle radioaktive nuklider henfalder i et enkelt trin til en stabil kerne. F.eks. er 60Co ustabilt og henfalder direkte til 60Ni, som er stabilt. Andre, som f.eks. 238U, henfalder til en anden ustabil nuklid, hvilket resulterer i en henfaldsserie, hvor hver efterfølgende nuklid henfalder, indtil der til sidst dannes en stabil nuklid.

Den henfaldsserie, der starter fra 238U, er af særlig interesse, da den frembringer de radioaktive isotoper 226Ra og 210Po, som Curies først opdagede (se figur 1). Der produceres også radongas (222Rn i serien), som er en stadig mere anerkendt naturligt forekommende fare. Da radon er en ædelgas, udgår den fra materialer, f.eks. jord, der indeholder selv spor af 238U, og den kan indåndes. Radon og dets datterstoffer henfalder og forårsager indre skader. Henfaldsserien af 238U slutter med 206Pb, en stabil isotop af bly.

Bemærk, at de dattere af α-henfaldet, der er vist i figur 1, altid har to protoner og to neutroner færre end forældrene. Dette synes rimeligt, da vi ved, at α-henfaldet er emissionen af en 4He-kerne, som har to protoner og to neutroner. Døtrene af β-henfaldet har en neutron mindre og en proton mere end deres forælder. Beta-faldet er lidt mere subtilt, som vi skal se. Der er ingen γ-henfald vist på figuren, fordi de ikke giver en datter, der adskiller sig fra moderkernen.

Alphahenfald

I alfahenfaldet løsriver en 4He-kerne sig simpelthen fra moderkernen og efterlader en datter med to færre protoner og to færre neutroner end moderkernen (se figur 2). Et eksempel på α-henfald er vist i figur 1 for 238U. En anden nuklid, der gennemgår α-henfald, er 239Pu. Henfaldsligningerne for disse to nuklider er

^{238}\text{U}\rightarrow{^{234}}\text{Th}_{92}^{234}+{^4}\text{He}\\\

og

^{238}\text{Pu}\rightarrow{^{235}}\text{U}+{^4}\text{He}\\\\

Hvis du undersøger det periodiske system over grundstofferne, vil du se, at Th har Z = 90, to færre end U, som har Z = 92. På samme måde ser vi i den anden henfaldsligning, at U har to protoner færre end Pu, som har Z = 94. Den generelle regel for α-henfald er bedst skrevet i formatet _Z^A\text{X}_N\\\. Hvis man ved, at en bestemt nuklid α-henfalder (generelt skal denne information slås op i en isotoptabel, som f.eks. i bilag B), er dens α-henfaldsligning

_Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\left(\alpha\text{henfald}\right)\\

hvor Y er den nuklid, der har to protoner færre end X, f.eks. Th, der har to protoner færre end U. Så hvis du fik at vide, at 239Pu α henfalder, og blev bedt om at skrive den komplette henfaldsligning, ville du først slå op, hvilket grundstof der har to protoner færre (et atomnummer to lavere) og finde ud af, at det er uran. Da fire nukleoner så er brudt fra det oprindelige 239, ville dets atommasse være 235.

Det er lærerigt at undersøge bevarelseslove i forbindelse med α-henfald. Man kan se af ligningen _Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\\\ at den samlede ladning er bevaret. Lineær og vinkelbevægelse er også bevaret. Selv om bevaret vinkelbevægelse ikke er af stor betydning i denne type henfald, har bevarelse af lineær bevægelsesmængde interessante konsekvenser. Hvis kernen er i hvile, når den henfalder, er dens impuls lig nul. I så fald skal fragmenterne flyve i modsatte retninger med lige store impulsmængder, så den samlede impuls forbliver nul. Dette resulterer i, at α-partiklen bærer det meste af energien væk, ligesom en kugle fra en tung riffel bærer det meste af energien fra det krudt, der er brændt for at affyre den. Den samlede masse-energi er også bevaret: den energi, der produceres i henfaldet, stammer fra omdannelse af en brøkdel af den oprindelige masse. Som omtalt i Atomfysik er den generelle sammenhæng E = (∆m)c2.

Her er E kernereaktionsenergien (reaktionen kan være kernehenfald eller en hvilken som helst anden reaktion), og Δm er forskellen i masse mellem start- og slutprodukt. Når slutprodukterne har mindre totalmasse, er Δm positiv, og reaktionen frigiver energi (er eksoterm). Når produkterne har større totalmasse, er reaktionen endotermisk (Δm er negativ) og skal fremkaldes med et energitilskud. For at α-henfaldet kan være spontant, skal henfaldsprodukterne have en mindre masse end moderreaktionen.

Beta-henfald

Der findes faktisk tre typer af beta-henfald. Den første opdagede var “almindeligt” beta-henfald og kaldes β-henfald eller elektronemission. Symbolet β- repræsenterer en elektron, der udsendes ved nukleart beta-henfald. Cobalt-60 er en nuklid, der β- henfalder på følgende måde: 60Co → 60Ni + β-+ neutrino.

Neutrinoen er en partikel, der udsendes ved beta-henfaldet, som ikke var forudset, og som er af fundamental betydning. Neutrinoen blev ikke engang foreslået i teorien før mere end 20 år efter, at man vidste, at beta-henfaldet involverer elektronemissioner. Neutrinos er så vanskelige at påvise, at det første direkte bevis for dem først blev fundet i 1953. Neutrinos er næsten masseløse, har ingen ladning og vekselvirker ikke med nukleoner via den stærke kernekraft. Da de bevæger sig omtrent med lysets hastighed, har de kun kort tid til at påvirke en kerne, de møder. Dette skyldes, at de ikke har nogen ladning (og at de ikke er EM-bølger), og at de ikke interagerer via EM-styrken. De vekselvirker via den relativt svage og meget kortvarige svage kernekraft. Derfor undslipper neutrinoer næsten alle detektorer og gennemtrænger næsten alle afskærmninger. Neutrinoer transporterer imidlertid energi, vinkelmængde (de er fermioner med halvintegralt spin) og lineær impuls væk fra et beta-fald. Da der blev foretaget nøjagtige målinger af beta-henfaldet, blev det klart, at energi, vinkelbevægelse og lineær bevægelsesmængde ikke alene blev forklaret af datterkernen og elektronen. Enten var det en hidtil uventet partikel, der førte dem væk, eller også blev tre bevarelseslove overtrådt. Wolfgang Pauli fremsatte et formelt forslag om neutrinos’ eksistens i 1930. Den italienskfødte amerikanske fysiker Enrico Fermi (1901-1954) gav neutrinos deres navn, der betyder små neutrale, da han udviklede en sofistikeret teori om beta-henfald (se figur 3). En del af Fermis teori var identifikationen af den svage kernekraft som værende forskellig fra den stærke kernekraft og faktisk ansvarlig for beta-henfaldet.

Neutrinoen afslører også en ny bevarelseslov. Der findes forskellige familier af partikler, hvoraf elektronfamilien er en af dem. Vi foreslår, at antallet af medlemmer af elektronfamilien er konstant i enhver proces eller ethvert lukket system. I vores eksempel med beta-henfaldet er der ingen medlemmer af elektronfamilien til stede før henfaldet, men efter henfaldet er der en elektron og en neutrino. Elektroner får derfor et elektronfamilienummer på +1. Neutrinoen i β-henfaldet er en elektrons antineutrino, der får symbolet \bar{\nu}_e\\\\, hvor ν er det græske bogstav nu, og subscriptet e betyder, at denne neutrino er beslægtet med elektronen. Baren angiver, at der er tale om en partikel af antimaterie. (Alle partikler har antimaterie-modstykker, som er næsten identiske, bortset fra at de har den modsatte ladning. Antimaterie er næsten helt fraværende på Jorden, men den findes i nukleart henfald og andre atom- og partikelreaktioner samt i det ydre rum). Elektronens antineutrino \bar{\nu}_e\\\\, der er antimaterie, har et elektronfamilienummer på -1. Det samlede antal er nul, både før og efter henfaldet. Den nye bevarelseslov, der adlydes under alle omstændigheder, siger, at det samlede elektronfamilietal er konstant. Der kan ikke skabes en elektron uden at der samtidig skabes et antimateriefamiliemedlem. Denne lov er analog med bevarelse af ladning i en situation, hvor den samlede ladning oprindeligt er nul, og hvor der skal skabes lige store mængder positiv og negativ ladning i en reaktion for at holde den samlede ladning på nul.

Hvis en nuklid _Z^A\text{X}_N\\\\ vides at β- henfalde, så er dens β-henfaldsligning

\text{X}_N\rightarrow\text{Y}_{N-1}+\beta^{-}+\bar{\nu}_e\\\\ (β-henfald),

hvor Y er den nuklid, der har én proton mere end X (se figur 4). Så hvis du ved, at en bestemt nuklid β- henfalder, kan du finde datterkernen ved først at slå Z op for moderkernen og derefter bestemme, hvilket grundstof der har atomnummer Z + 1. I eksemplet med β- henfaldet af 60Co, som blev givet tidligere, kan vi se, at Z = 27 for Co og Z = 28 for Ni. Det er som om en af neutronerne i moderkernen henfalder til en proton, en elektron og en neutrino. Faktisk gør neutroner uden for kerner netop dette – de lever i gennemsnit kun nogle få minutter og β- henfalder på følgende måde:

\text{n}\rightarrow\text{p}+\beta^{-}+\bar{\nu}_e\\\

Vi ser, at ladningen er bevaret i β-henfaldet, da den samlede ladning er Z før og efter henfaldet. For eksempel er den samlede ladning i 60Co henfaldet 27 før henfaldet, da kobolt har Z = 27. Efter henfaldet er datterkernen Ni, som har Z = 28, og der er en elektron, således at den samlede ladning også er 28 + (-1) eller 27. Vinkelmomentet er bevaret, men det er ikke indlysende (man skal undersøge slutprodukternes spins og vinkelmomenter i detaljer for at verificere dette). Det lineære momentum er også bevaret, idet det igen giver størstedelen af henfaldsenergien til elektronen og antineutrinoen, da de har henholdsvis en lav masse og en masse på nul. En anden ny bevarelseslov overholdes her og andre steder i naturen. Det samlede antal nukleoner A er bevaret. I 60Co henfaldet er der f.eks. 60 nukleoner før og efter henfaldet. Bemærk, at det samlede A også er bevaret i α-henfaldet. Bemærk også, at det samlede antal protoner ændrer sig, ligesom det samlede antal neutroner, så det samlede antal Z og det samlede antal N er ikke bevaret i β- henfaldet, som de er i α-henfaldet. Den energi, der frigives ved β-henfaldet, kan beregnes på baggrund af moder- og produktmasserne.

Den anden type beta-henfald er mindre almindelig end den første. Det er β+henfaldet. Visse nuklider henfalder ved udsendelse af en positiv elektron. Dette er antielektron- eller positronhenfald (se figur 5).

Antielektronen repræsenteres ofte med symbolet e+, men i beta-henfald skrives den som β+ for at angive, at antielektronen blev udsendt i et nukleart henfald. Antielektroner er antimateriens modstykke til elektroner, idet de er næsten identiske, har samme masse, spin osv. men har en positiv ladning og et elektronfamilienummer på -1. Når en positron møder en elektron, sker der en gensidig annihilation, hvor hele massen i antielektron-elektron-parret omdannes til ren fotonenergi. (Reaktionen, e+ + e- → γ γ + γ, bevarer elektronfamilietallet samt alle andre bevarede størrelser). Hvis en nuklid _Z^A\text{X}_N\\\ vides at β+ henfalde, er dens β+ henfaldsligning

_Z^A\text{X}_N\rightarrow\text{Y}_{N+1}+\beta^{+}+v_e\\\\ (β+ henfald),

hvor Y er den nuklid, der har en proton mindre end X (for at bevare ladningen), og νe er symbolet for elektronens neutrino, der har et elektronfamilienummer på +1. Da der ved henfaldet skabes et antimateriemedlem af elektronfamilien (β+), må der også skabes et stofmedlem af familien (her νe). Hvis man f.eks. antager, at 22Na β+ henfalder, kan man skrive den fulde henfaldsligning ved først at finde ud af, at Z = 11 for 22Na, således at datternukliden vil have Z = 10, atomnummeret for neon. β+ henfaldsligningen for 22Na er således

_{22}^{11}\text{Na}_{11}\rightarrow{_{10}^{22}}}\text{Ne}_{12}+\beta^{+}+v_e\\

I β+ henfaldet er det som om, at en af protonerne i moderkernen henfalder til en neutron, en positron og en neutrino. Protoner gør ikke dette uden for kernen, og derfor skyldes henfaldet kernekraftens kompleksitet. Bemærk igen, at det samlede antal nukleoner er konstant i denne og alle andre reaktioner. For at finde den energi, der udsendes ved β+ henfaldet, skal man igen tælle antallet af elektroner i de neutrale atomer, da der anvendes atommasser. Datteren har én elektron mindre end moderen, og der skabes én elektronmasse i henfaldet. Ved β+ henfaldet er

Δm = m(parent) – ,

da vi bruger de neutrale atomers masse.

Elektronindfangning er den tredje type beta-henfald. Her indfanger en kerne en elektron i den indre skal og gennemgår en kernereaktion, der har samme virkning som β+ henfaldet. Elektronindfangning betegnes undertiden med bogstaverne EC. Vi ved, at elektroner ikke kan opholde sig i kernen, men dette er en kernereaktion, der opbruger elektronen, og som kun sker spontant, når produkterne har mindre masse end moderen plus elektronen. Hvis man ved, at en nuklid _Z^A\text{X}_N\\\\ undergår elektronindfangning, er dens elektronindfangningsligning

_Z^A\text{X}_N+e^{-}\rightarrow\text{Y}_{N+1}+v_e\\\\ (elektronindfangning, eller EC)

Alle nuklider, der kan β+ henfalde, kan også undergå elektronindfangning (og gør ofte begge dele). De samme bevarelseslove overholdes for EC som for β+ henfald. Det er god praksis at bekræfte disse for sig selv.

Alle former for beta-henfald opstår, fordi modernukliden er ustabil og ligger uden for stabilitetsområdet i nukliddiagrammet. De nuklider, der har relativt flere neutroner end dem, der ligger i stabilitetsområdet, vil β-henfalde for at producere en datter med færre neutroner, hvilket giver en datter, der ligger tættere på stabilitetsområdet. På samme måde vil de nuklider, der har relativt flere protoner end dem i stabilitetsområdet, β-henfalde eller gennemgå elektronindfangning for at producere en datter med færre protoner, der er tættere på stabilitetsområdet.

Gammahenfald

Gammahenfald er den enkleste form for nukleart henfald – det er udsendelse af energirige fotoner fra kerner, der er efterladt i en exciteret tilstand ved en tidligere proces. Protoner og neutroner i en exciteret kerne befinder sig i højere orbitaler, og de falder til lavere niveauer ved fotonemission (analogt med elektroner i exciterede atomer). Kernes exciterede tilstande har typisk en levetid på kun ca. 10-14 s, hvilket er et tegn på den store styrke af de kræfter, der trækker nukleonerne til lavere tilstande. γ-henfaldsligningen er ganske enkelt

_Z^A\text{X}_N^{*}\rightarrow\text{X}_N+\gamma_1+\gamma_2\dots\left(\gamma\text{ henfald}\right)\\

hvor stjernen angiver, at kernen befinder sig i en exciteret tilstand. Der kan blive udsendt en eller flere γ s, afhængigt af hvordan nuklidet de-ekspiteres. Ved radioaktivt henfald er γ-emission almindelig, og der går γ- eller β-henfald forud for den. Når f.eks. 60Co β- henfalder, efterlader det oftest datterkernen i en exciteret tilstand, skrevet 60Ni*. Derefter henfalder nikkelkernen hurtigt til γ-henfald ved udsendelse af to gennemtrængende γ-emissioner: 60Ni* → 60Ni + γ1 + γ2.

Disse kaldes kobolt-γ-stråler, selv om de kommer fra nikkel – de bruges f.eks. til kræftbehandling. Det er igen konstruktivt at verificere bevarelseslovene for gammahenfald. Endelig, da γ-henfaldet ikke ændrer nuklidet til en anden art, er det ikke fremtrædende i diagrammer over henfaldsserier, som f.eks. i figur 1.

Der findes andre typer af nukleart henfald, men de forekommer mindre hyppigt end α-, β- og γ-henfald. Spontan fission er den vigtigste af de andre former for nukleart henfald på grund af dens anvendelse i kernekraft og våben. Det behandles i næste kapitel.

Sammenfatning af afsnittet

• Når en moderkerne henfalder, producerer den en datterkerne efter regler og bevarelseslove. Der findes tre hovedtyper af atomkernes henfald, kaldet alfa (α), beta (β) og gamma (γ). α-henfaldsligningen er _Z^A\text{X}_N\rightarrow{_{Z-2}^{A-4}}}\text{Y}_{N-2}+{_2^4}\text{He}_2\\.
• Kernehenfald frigiver en energimængde E, der er relateret til den ødelagte masse ∆m ved E = (∆m)c2.
• Der findes tre former for beta-henfald. β- henfaldsligningen er _{Z}^{A}\text{X}_{N}\rightarrow{_{Z+1}^{A}}\text{Y}_{N – 1}+{\beta }^{-}+{\bar{{\nu }}_{e}\\.
• Den β+ henfaldsligning er _{Z}^{A}\text{X}_{N}\rightarrow{_{Z – 1}^{A}}\text{Y}_{N+1}+{\beta }^{+}++}+{\nu }_{e}\\\.
• Elektronindfangningsligningen er _{Z}^{A}\text{X}_{N}+{e}^{-}\rightarrow{_{Z – 1}^{A}}}\text{Y}_{N+1}+{\nu }_{e}\\\\.
• β- er en elektron, β+ er en antielektron eller positron, {\nu }_{e}\\\ repræsenterer en elektrons neutrino, og {\overline{{\nu }}_{e}\\ er en elektrons antineutrino. Ud over alle tidligere kendte bevarelseslove opstår der to nye – bevarelse af elektronfamilienummeret og bevarelse af det samlede antal nukleoner. γ-henfaldsligningen er
  {Z}^{A}{\text{X}}}_{N}^{*}}\rightarrow{_{Z}^{A}}}\text{X}_{N}+{\gamma}_{1}+{\gamma}_{2}+\cdots\\\\
  γ er en højenergifoton, der stammer fra en kerne.

Glossar

forældre: kernes oprindelige tilstand før henfaldet

datter: den kerne, der fremkommer, når forældrekernen henfalder og producerer en anden kerne efter reglerne og bevarelseslovene

positron: den partikel, der fremkommer ved positivt beta-henfald; også kendt som en antielektron

henfald: den proces, hvorved en atomkerne i et ustabilt atom mister masse og energi ved at udsende ioniserende partikler

alfahenfald: den proces, hvorved en atomkerne i et ustabilt atom taber masse og energi ved at udsende ioniserende partikler

alfahenfald: type radioaktivt henfald, hvor en atomkerne udsender en alfapartikel

betahenedfald: type radioaktivt henfald, hvor en atomkerne udsender en betapartikel

gammahenfald: type radioaktivt henfald, hvor en atomkerne udsender en betapartikel

gammahenfald: type radioaktivt henfald, hvor en atomkerne udsender en gammapartikel

henfaldsligning: ligning til at finde ud af, hvor meget af et radioaktivt materiale der er tilbage efter et givet tidsrum

kernereaktionsenergi: den energi, der skabes ved en kernereaktion

neutrino: en elektrisk neutral, svagt vekselvirkende elementær subatomar partikel

elektronens antineutrino: antipartikel til elektronens neutrino

positronens henfald: type beta-henfald: type beta-henfald, hvor en proton omdannes til en neutron, hvorved der frigives en positron og en neutrino

antielektron: anden betegnelse for positron

henfaldsserie: proces, hvorved efterfølgende nuklider henfalder, indtil der dannes en stabil nuklid

elektronens neutrino: elektronens neutrino: en subatomar elementarpartikel, som ikke har nogen elektrisk nettoladning

antistof: består af antipartikler

elektronindfangning: den proces, hvor en protonrig nuklid absorberer en indre atomar elektron og samtidig udsender en neutrino

elektronindfangningsligning: den proces, hvor en protonrig nuklid absorberer en indre atomar elektron og samtidig udsender en neutrino

elektronindfangningsligning: ligning, der repræsenterer elektronindfangningen