Du har säkert hört folk prata om strålning både i skönlitteratur och i verkliga livet. Till exempel, när företaget närmar sig en stjärna på "Star Trek, "en medlem i besättningen kan varna för en ökning av strålningsnivåer. I Tom Clancys bok" The Hunt for Red October, "en rysk ubåt har en kärnreaktorolycka med strålläckage som tvingar besättningen att överge fartyget. På Three Mile Island och Tjernobyl, kärnkraftverk släppte ut radioaktiva ämnen i atmosfären under kärnkraftsolyckor. Och i efterdyningarna av jordbävningen och tsunamin i mars 2011 som drabbade Japan, en atomkris väckte farhågor om strålning och frågor om kärnkraftens säkerhet.
Kärnstrålning kan vara både extremt fördelaktigt och extremt farligt. Det beror bara på hur du använder det. Röntgenmaskiner, vissa typer av steriliseringsutrustning och kärnkraftverk använder alla kärnstrålning - men det gör kärnvapen också. Kärnämnen (det vill säga ämnen som avger kärnstrålning) är ganska vanliga och har hittat in i våra normala ordförråd på många olika sätt. Du har förmodligen hört (och använt) många av följande termer:
Alla dessa termer är relaterade till det faktum att de alla har något att göra med kärnämnen, antingen naturligt eller konstgjord. Men vad är strålning egentligen? Varför är det så farligt? I den här artikeln, vi kommer att titta på kärnstrålning så att du kan förstå exakt vad det är och hur det påverkar ditt liv dagligen.
Innehåll
I denna figur, de gula partiklarna är orbitalelektroner, de blå partiklarna är neutroner och de röda partiklarna är protoner. Låt oss börja i början och förstå var ordet "kärnkraft" i "kärnstrålning" kommer ifrån. Här är något du redan bör känna dig bekväm med:Allt är gjort av atomer . Atomer binder samman till molekyler . Så en vattenmolekyl är gjord av två väteatomer och en syreatom bunden till en enda enhet. Eftersom vi lär oss om atomer och molekyler i grundskolan, vi förstår och känner oss bekväma med dem. I naturen, varje atom du hittar kommer att vara en av 92 typer av atomer, också känd som element . Så varje ämne på jorden - metall, plast, hår, Kläder, löv, glas - består av kombinationer av de 92 atomer som finns i naturen. Det periodiska systemet med element som du ser i kemiklassen är en lista över de element som finns i naturen plus ett antal konstgjorda element.
Inuti varje atom finns tre subatomära partiklar :protoner, neutroner och elektroner. Protoner och neutroner binder samman för att bilda kärnan av atomen, medan elektronerna omger och kretsar kärnan. Protoner och elektroner har motsatta laddningar och lockar därför varandra (elektroner är negativa och protoner är positiva, och motsatta avgifter lockar), och i de flesta fall är antalet elektroner och protoner samma för en atom (vilket gör atomen neutral i laddningen). Neutronerna är neutrala. Deras syfte i kärnan är att binda protoner ihop. Eftersom protonerna alla har samma laddning och naturligtvis skulle avvisa varandra, neutronerna fungerar som "lim" för att hålla protonerna tätt samman i kärnan.
Antalet protoner i kärnan bestämmer beteendet hos en atom. Till exempel, om du kombinerar 13 protoner med 14 neutroner för att skapa en kärna och sedan snurrar 13 elektroner runt den kärnan, det du har är en aluminiumatom. Om du grupperar miljontals aluminiumatomer får du ett ämne som är aluminium - du kan bilda aluminiumburkar, aluminiumfolie och aluminiumspån ut ur den. Allt aluminium som du hittar i naturen kallas aluminium-27. "27" är atommassantal - summan av antalet neutroner och protoner i kärnan. Om du tar en atom av aluminium och lägger den i en flaska och kommer tillbaka om flera miljoner år, det kommer fortfarande att vara en atom av aluminium. Aluminium-27 kallas därför för a stabil atom. För ungefär 100 år sedan, man trodde att alla atomer var stabila så här.
Många atomer finns i olika former. Till exempel, koppar har två stabila former:koppar-63 (utgör cirka 70 procent av allt naturligt koppar) och koppar-65 (utgör cirka 30 procent). De två formerna kallas isotoper . Atomer i båda koppar isotoper har 29 protoner, men en koppar-63 atom har 34 neutroner medan en koppar-65 atom har 36 neutroner. Båda isotoperna verkar och ser likadana ut, och båda är stabila.
Den del som inte förstod förrän för ungefär 100 år sedan är att vissa element har isotoper som är radioaktiv . I vissa delar, alla isotoper är radioaktiva. Väte är ett bra exempel på ett element med flera isotoper, varav en är radioaktiv. Normalt väte, eller väte-1, har en proton och inga neutroner (eftersom det bara finns en proton i kärnan, det finns inget behov av bindningseffekter av neutroner). Det finns en annan isotop, väte-2 (även känd som deuterium), som har en proton och en neutron. Deuterium är mycket sällsynt i naturen (utgör cirka 0,015 procent av allt väte), och även om det fungerar som väte-1 (t.ex. du kan göra vatten ur det) det visar sig att det är tillräckligt annorlunda än väte-1 genom att det är giftigt i höga koncentrationer. Deuteriumisotopen för väte är stabil. En tredje isotop, väte-3 (även känd som tritium), har en proton och två neutroner. Det visar sig att denna isotop är instabil . Det är, om du har en behållare full av tritium och kommer tillbaka om en miljon år, du kommer att upptäcka att allt har förvandlats till helium-3 (två protoner, en neutron), som är stabil. Den process genom vilken det förvandlas till helium kallas radioaktivt avfall .
Vissa element är naturligt radioaktiva i alla sina isotoper. Uran är det bästa exemplet på ett sådant element och är det tyngsta naturligt förekommande radioaktiva elementet. Det finns åtta andra naturligt radioaktiva element:polonium, astat, radon, francium, radium, aktinium, thorium och protactinium. Alla andra konstgjorda element som är tyngre än uran är också radioaktiva.
Radioaktivt sönderfall är en naturlig process. En atom av en radioaktiv isotop kommer spontant att förfalla till ett annat element genom en av tre vanliga processer:
I processen, fyra olika typer av radioaktiva strålar produceras:
Americium-241, ett radioaktivt element som är mest känt för sin användning i rökdetektorer, är ett bra exempel på ett element som genomgår alfa förfall . En americium-241 atom kommer spontant att kasta av en alfa -partikel . En alfapartikel består av två protoner och två neutroner bundna tillsammans, som motsvarar en helium-4-kärna. I processen att avge alfa -partikeln, americium-241-atomen blir en neptunium-237-atom. Alfa -partikeln lämnar scenen med hög hastighet - kanske 10, 000 miles per sekund (16, 000 km/sek).
Om du tittade på en individuell americium-241 atom, det skulle vara omöjligt att förutsäga när det skulle slänga av en alfapartikel. Dock, om du har en stor samling americiumatomer, då blir förfallshastigheten ganska förutsägbar. För americium-241, det är känt att hälften av atomerna förfaller på 458 år. Därför, 458 år är halveringstid av americium-241. Varje radioaktivt element har en annan halveringstid, allt från bråkdelar av en sekund till miljoner år, beroende på den specifika isotopen. Till exempel, americium-243 har en halveringstid på 7, 370 år.
Tritium (väte-3) är ett bra exempel på ett element som genomgår betaförfall . Vid betaförfall, en neutron i kärnan förvandlas spontant till en proton, en elektron, och en tredje partikel som kallas en antineutrino. Kärnan matar ut elektronen och antineutrino, medan protonen förblir i kärnan. Den utmatade elektronen kallas en betapartikel . Kärnan förlorar en neutron och får en proton. Därför, en väte-3-atom som genomgår betaförfall blir en helium-3-atom.
I spontan klyvning , en atom splittras faktiskt istället för att kasta bort en alfa- eller betapartikel. Ordet "klyvning" betyder "klyvning". En tung atom som fermium-256 genomgår spontan klyvning cirka 97 procent av tiden när den förfaller, och i processen, det blir två atomer. Till exempel, en fermium-256-atom kan bli en xenon-140 och en palladium-112-atom, och i processen kommer det att mata ut fyra neutroner (kända som "snabba neutroner" eftersom de matas ut vid fissionstiden). Dessa neutroner kan absorberas av andra atomer och orsaka kärnreaktioner, såsom sönderfall eller klyvning, eller de kan kollidera med andra atomer, som biljardbollar, och få gammastrålar att avges.
Neutronstrålning kan användas för att få icke -radioaktiva atomer att bli radioaktiva; detta har praktiska tillämpningar inom kärnmedicin. Neutronstrålning görs också från kärnreaktorer i kraftverk och kärnkraftsdrivna fartyg och i partikelacceleratorer, enheter som används för att studera subatomär fysik.
I många fall, en kärna som har genomgått alfa -förfall, betaförfall eller spontan klyvning kommer att vara mycket energisk och därför instabil. Det kommer att eliminera sin extra energi som en elektromagnetisk puls som kallas en gammastråle . Gammastrålar är som röntgenstrålar genom att de tränger igenom materia, men de är mer energiska än röntgenstrålar. Gammastrålar är gjorda av energi, inte rörliga partiklar som alfa- och betapartiklar.
Medan föremål för olika strålar, det finns också kosmiska strålar bombardera jorden hela tiden. Kosmiska strålar kommer från solen och även från saker som exploderande stjärnor. Majoriteten av kosmiska strålar (kanske 85 procent) är protoner som reser nära ljusets hastighet, medan kanske 12 procent är alfapartiklar som reser mycket snabbt. Det är partiklarnas hastighet, förresten, som ger dem deras förmåga att tränga igenom materia. När de träffade atmosfären, de kolliderar med atomer i atmosfären på olika sätt för att bilda sekundära kosmiska strålar som har mindre energi. Dessa sekundära kosmiska strålar kolliderar sedan med andra saker på jorden, inklusive människor. Vi träffas hela tiden med sekundära kosmiska strålar, men vi är inte skadade eftersom dessa sekundära strålar har lägre energi än primära kosmiska strålar. Primära kosmiska strålar är en fara för astronauter i yttre rymden.
Även om de är "naturliga" i den meningen att radioaktiva atomer naturligtvis förfaller och radioaktiva element är en del av naturen, alla radioaktiva utsläpp är farliga för levande saker. Alfa partiklar, betapartiklar, neutroner, gammastrålar och kosmiska strålar är alla kända som joniserande strålning , vilket betyder att när dessa strålar interagerar med en atom kan de slå av en orbitalelektron. Förlust av en elektron kan orsaka problem, inklusive allt från celldöd till genetiska mutationer (som leder till cancer), i något levande.
Eftersom alfapartiklar är stora, de kan inte tränga särskilt långt in i materia. De kan inte tränga in i ett pappersark, till exempel, så när de är utanför kroppen har de ingen effekt på människor. Om du äter eller andas in atomer som avger alfapartiklar, dock, alfapartiklarna kan orsaka ganska mycket skada inuti din kropp.
Betapartiklar tränger in lite djupare, men igen är bara farliga om de äts eller inandas; betapartiklar kan stoppas av ett ark aluminiumfolie eller plexiglas. Gammastrålning, som röntgen, stoppas av bly.
Neutroner, eftersom de saknar avgifter, tränger mycket djupt in, och stoppas bäst av extremt tjocka lager av betong eller vätskor som vatten eller eldningsolja. Gammastrålar och neutroner, för att de är så genomträngande, kan ha allvarliga effekter på cellerna hos människor och andra djur. Du kanske har hört någon gång om en kärnkraftsanordning som kallas a neutronbomb . Hela tanken med denna bomb är att optimera produktionen av neutroner och gammastrålar så att bomben får sin maximala effekt på levande saker.
Som vi har sett, radioaktivitet är "naturlig, "och vi innehåller alla saker som radioaktivt kol-14. Det finns också ett antal konstgjorda kärnämnen i miljön som är skadliga. Kärnstrålning har kraftfulla fördelar, såsom kärnkraft för att generera el och kärnmedicin för att upptäcka och behandla sjukdomar, liksom betydande faror.
