Radioaktivitet og ladningsbevarelse – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Radioaktivitet og ladn...

21. oktober 2010

Radioaktivitet og ladningsbevarelse

Hej Spørg om Fysik
Jeg er fysiklærer i folkeskolen og har netop afsluttet et undervisningsforløb i en af mine 9. klasser om radioaktivitet.

En af mine elever har stillet et spørgsmål, som hverken jeg eller nogen af de adskillige andre fysiklærer-kolleger, jeg har spurgt, har kunnet svare på:

Sådan som jeg har forstået det, og som det står beskrevet i vores undervisningsmaterialer, sker der følgende, når radioaktive atomer henfalder med udsendelse af alfa- eller beta-stråling:

Ved alfa-stråling udsendes en heliumkerne indeholdende 2 protoner, og det nye nukllid mister altså 2 protoner.

Ved beta-stråling omdannes enten en neutron eller en proton til hhv. proton eller neutron i atomkernen under samtidig udsendelse af en positron eller elektron. I begge tilfælde sker der altså også en ændring af antal protoner i kernen (og hermed kernens ladning).

Min elev spørger nu, hvad der under disse processer sker med elektronerne i banerne/orbitalerne udenom kernen? For hvis der ikke sker noget med dem, måtte fx U-238 jo ende med at få et stort overskud af elektroner, når man går igennem hele denne isotops henfaldsrække, og det mener jeg er usandsynligt pga den tiltagende elektriske frastødning, der så vil komme (vi ser jo fx aldrig ioner med en ladning på fx -8 eller +8).

Jeg har selv aldrig tænkt over dette men finder spørgsmålet utroligt relevant (og indsigtsfuldt). Jeg håber inderligt, at I kan hjælpe mig, da mine manglende evner til at kunne svare eleven sikkert skyldes, at jeg opererer med for simpel en atommodel.

Med venlig hilsen
A C S

 

Når ustabile grundstoffer henfalder, udsendes der forskellige former for stråling.

Normalt udsendes α-, β-, og  ¥-stråling men i visse tilfælde bl.a. ved kunstigt frembragte grundstoffer udsendes yderligere β+ stråling og neutroner. α-stråling er heliumkerner som udsendes fra det radioaktive stof kerne, β - stråling er elektroner som udsendes fra kernen, ¥ - stråling er elektromagnetiske bælger som udsendes fra kernen (oftest med kortere bølgelængde end røntgen), endelig er β+ stråling positroner (en positiv elektron) og neutroner er en af kernens byggesten. Der er yderligere andre former for stråling, som kan udsendes ved kernereaktioner.

Den normale kerne består af et antal protoner, som er identisk med kernenummeret og præcis neutraliseres udadtil af elektronskyen om kernen, som indeholder det samme antal elektroner. Desuden er der i kernen et antal neutroner. Dette kan være forskelligt for en given kerne (et givent antal protoner), og det giver så anledning til dannelse af isotoper dvs. flere udgaver af samme kemiske stof. Her kan nævnes Brint, hvor kernen har en proton med en elektron udenom, deuterium (tungt brint) hvor der er en proton og en neutron i kernen stadig en elektron udenom og tritium (som er radioaktivt) med en proton og to neutroner samt en elektron udenom.

Stråling, de to interessante former i forhold til spørgsmålet er α- og β - stråling.

Som eksempel på processerne de udsendes ved, kan man ret tilfældigt tage Risø præparaterne:

α :  24195Am ® 42He + 23793Np

tallet foran foroven er antallet af nucleoner, dvs. protoner + neutroner i kernen, tallet forneden er kernenummeret, som også er antallet af protoner i kernen og samtidigt antal elektroner omkring den neutrale kerne. Det er altså tallet forneden der viser hvilket grundstof det drejer sig om.  Som det ses, er der samme nucleon antal på begge sider af pilen og samme proton antal på begge sider af pilen. Det betyder, at Np kernen kun kan holde på 2 elektroner færre end Am i sin elektronsky udenom kernen, så der er stadig det samme antal ladninger, de to elektroner kan heliumkernen (alfastrålen) så overtage. I øvrigt vælter det rundt med elektroner i området ved den henfaldne kerne, idet α - strålingen ioniserer luften og skaber op til 80 000 ionpar pr. cm bane (ioniseret luft, ilt og kvælstof, hvor en eller flere elektroner er revet af, så der er også frie elektroner). Der er altså ladningsbevarelse, elektronerne indgår og kommer fra selve processen. α - partiklerne bremses ved ioniseringen, de rækker normalt under 10 cm i luft.

β :    9038Sr ® 9039Y + 0-1e

  9039Y  ® 9040Zr + 0-1e

Som det ses, bevirker fjernelse af en elektron fra kernen, at der bliver en proton mere (og en neutron færre), så kernen kan binde endnu en elektron i elektronskyen udenom kernen. Også her er der mange ladninger, idet β - stråling også ioniserer luften ved passage. Her er op til 150 000 ionpar pr. cm luft. Igen er der ingen problemer med ladningsbevarelsen, fordi der er behov for en elektron mere omkring kernen.

¥ - strålingen er overskudsenergi, som den anslåede kerne skaffer sig af med ved at udsende elektromagnetisk stråling. Det sker ofte efter andre henfald, at kernen efterlades i et for højt energiniveau. Der er ingen ændringer af ladninger ved denne proces, men strålingen kan også ioniserer luften hvor den passerer igennem.

Med venlig hilsen
Malte Olsen