Radioaktivt sönderfall

De flesta atomkärnor omkring oss håller ihop för alltid. Men en del kärnor är instabila: förr eller senare omvandlas de till en annan kärna och sänder samtidigt ut strålning. Det kallas radioaktivt sönderfall, och det sker helt av sig själv, utan att någon eller något utifrån behöver utlösa det.

Varför är en kärna instabil? Protonerna i kärnan stöter bort varandra elektriskt, medan den starka kraften som håller ihop kärnan bara räcker på extremt kort avstånd. Om kärnan är för stor, eller om förhållandet mellan protoner och neutroner hamnar fel, finns det ett sätt att ordna kärnpartiklarna som har lägre energi. Kärnan gör sig då förr eller senare av med energi eller partiklar för att komma närmare ett stabilt tillstånd.

För en enskild kärna är sönderfallet helt slumpmässigt. Ingen kan säga om just den kärnan sönderfaller nästa sekund eller om tiotusen år. Men i ett prov med miljarder kärnor går det att mäta precis hur många sönderfall som sker varje sekund. Det måttet kallas aktivitet och anges i becquerel, där en becquerel motsvarar ett sönderfall per sekund. Enskild slump och förutsägbar statistik är alltså inga motsatser, utan två sidor av samma mynt.

Vid varje sönderfall måste masstal och laddning stämma på båda sidor. Vid alfasönderfall slungas en heliumkärna ut, så masstalet minskar med fyra och laddningen med två. Vid betasönderfall av typen beta-minus omvandlas en neutron i kärnan till en proton samtidigt som en elektron och en antineutrino sänds ut, så laddningen ökar med ett medan masstalet är oförändrat. Vid beta-plus blir i stället en proton en neutron och en positron sänds ut, så laddningen minskar med ett. Vid gammasönderfall lämnar bara energi kärnan som en foton, och både masstal och laddning förblir desamma. Uran-238 som sänder en alfapartikel blir till exempel torium-234: 238 = 234 + 4 och 92 = 90 + 2.

Ofta räcker inte ett enda steg för att en instabil kärna ska bli stabil. Den går då igenom en sönderfallsserie, en kedja av alfa- och betasönderfall, tills den till slut landar på en stabil kärna. Uran-238 går genom en lång sådan serie innan den slutligen blir stabilt bly-206.

Det här lär du dig

Förklara varför en atomkärna kan vara instabil
Beskriva att sönderfallet är slumpmässigt för en enskild kärna men förutsägbart för ett stort antal
Skriva och balansera sönderfallsformler med bevarat masstal och laddning
Förklara vad en sönderfallsserie är och ge ett exempel
Förklara vad aktivitet och enheten becquerel mäter

Begrepp att kunna

Radioaktivt sönderfall: En spontan process där en instabil atomkärna sänder ut strålning och omvandlas till en annan kärna eller till ett tillstånd med lägre energi.
Instabil kärna: En kärna som är för stor eller har fel förhållande mellan protoner och neutroner för att vara stabil. Den kan nå ett tillstånd med lägre energi genom att sönderfalla.
Alfasönderfall: Ett sönderfall där kärnan sänder ut en heliumkärna, vilket minskar masstalet med fyra och laddningen med två.
Betasönderfall: Vid beta-minus omvandlas en neutron i kärnan till en proton och en elektron och en antineutrino sänds ut, vilket ökar laddningen med ett medan masstalet är oförändrat. Vid beta-plus blir en proton en neutron och en positron och en neutrino sänds ut.
Sönderfallsserie: En kedja av flera sönderfall i rad, där en instabil kärna passerar genom flera mellansteg innan den når en stabil kärna.
Aktivitet: Antalet sönderfall per sekund i ett radioaktivt material, mätt i enheten becquerel (Bq).

Vanliga svårigheter

Letar efter en yttre orsak till sönderfallet

Många antar att något måste hända utifrån för att en kärna ska sönderfalla, som en stöt eller en förändring i omgivningen. I verkligheten sker radioaktivt sönderfall helt spontant och slumpmässigt, utan någon utlösande händelse, vilket är svårt att acceptera eftersom det bryter mot vår vanliga uppfattning om orsak och verkan.

Glömmer att balansera både masstal och laddning

Det räcker inte att bara kontrollera att masstalet stämmer, eller bara laddningen, när man skriver en sönderfallsformel. Båda storheterna måste vara lika stora på båda sidor av pilen samtidigt. En formel där bara ett av talen stämmer är fel, även om den ser rimlig ut vid en snabb genomläsning.

Tror att en instabil kärna alltid blir stabil i ett enda steg

Elever antar ofta att ett sönderfall räcker för att nå ett stabilt slutresultat. I verkligheten behöver många tunga kärnor passera genom flera mellansteg i en hel sönderfallsserie, där varje steg för kärnan lite närmare det stabila området på nuklidkartan.

I verkligheten

Joniserande brandvarnare innehåller en liten mängd americium-241

Americium-241 sönderfaller genom alfasönderfall inne i en liten jonisationskammare i detektorn. De utsända partiklarna joniserar luften och skapar en svag, konstant ström. Når rök in i kammaren fastnar jonerna på rökpartiklarna, strömmen minskar och larmet går.

Uran-238 i berggrunden sönderfaller genom en lång kedja av steg

Serien passerar genom en rad instabila mellanprodukter innan den slutligen når stabilt bly-206. Det första steget, från uran-238, går mycket långsamt och i en känd takt, medan mellanstegen går snabbt i jämförelse. Därför kan geologer använda förhållandet mellan uran och bly i mineral för att uppskatta hur gamla bergarterna är.

Tips

Skriv ut masstal och laddning för varje kärna ovanför och under symbolen när du balanserar en sönderfallsformel, och kontrollera att summorna stämmer på båda sidor innan du går vidare.
Tänk på slumpen i sönderfall som ett stort lotteri: ingen enskild lott kan pekas ut i förväg, men med miljarder lotter blir andelen vinster per dragning ett pålitligt mönster.
Följ en hel sönderfallsserie, till exempel uran-238, steg för steg på papper och märk varje pil med alfa eller beta. Mönstret av hopp i masstal och laddning blir mycket tydligare när du ritar det själv.

Testa dig själv

1. En polonium-211-kärna sönderfaller genom alfasönderfall. Vilken kärna bildas?

Polonium har atomnummer 84 och polonium-211 har masstal 211. En alfapartikel har masstal 4 och laddning 2. Den nya kärnan får masstal 211 − 4 = 207 och atomnummer 84 − 2 = 82, vilket är bly. Polonium-211 blir alltså bly-207 plus en alfapartikel.

2. Varför kan vi inte säga exakt när en bestämd radioaktiv kärna kommer att sönderfalla, trots att vi kan ange aktiviteten för ett helt prov mycket exakt?

Sönderfallet för en enskild kärna är en ren slumpprocess utan minne av hur länge kärnan redan funnits. Men i ett prov med enormt många kärnor jämnas slumpen ut till ett statistiskt mönster, så att antalet sönderfall per sekund, aktiviteten, blir förutsägbart även om ingen enskild kärnas öde är det.

3. Uran-238 blir till slut stabilt bly-206, men inte i ett enda steg. Vad kallas denna process, och varför krävs flera steg?

Processen kallas en sönderfallsserie. Masstalet ska minska med 32, men ett alfasönderfall minskar det bara med fyra, så det krävs åtta alfasönderfall. Då har atomnumret sjunkit från 92 till 76, och sex beta-minus-sönderfall behövs för att det ska landa på blyets 82. Kärnan tar sig alltså fram i många steg, där varje sönderfall för den lite närmare det stabila slutresultatet.

Ur kursplanen

Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Partikelstrålning och elektromagnetisk strålning, deras användningsområden och risker.
Fysik nivå 1a2 · Universum, materien och strålning
Kärnreaktioner, fusion och fission, bindningsenergi och massaenergiekvivalensen.
Fysik nivå 1a2 · Universum, materien och strålning
Radioaktivt sönderfall, joniserande strålning, halveringstid, aktivitet och stråldos. Strålning tillämpad inom medicin och teknik.
Fysik nivå 1b · Universum, materien och strålning
Kärnreaktioner, fusion och fission, bindningsenergi och massaenergiekvivalensen.
Fysik nivå 1b · Universum, materien och strålning
Radioaktivt sönderfall, joniserande strålning, halveringstid, aktivitet och stråldos. Tillämpningar av strålning inom medicin och teknik.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Atommodeller

Leder vidare till

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: