När du hör termen "radioaktiv" tänker du förmodligen "dåliga nyheter, "Kanske i linje med nedfallet från en atombomb.

Men radioaktiva material används faktiskt i ett brett spektrum av fördelaktiga tillämpningar. Inom medicin, de hjälper rutinmässigt att diagnostisera och behandla sjukdomar. Bestrålning hjälper till att hålla ett antal livsmedel fria från insekter och invasiva skadedjur. Arkeologer använder dem för att ta reda på hur gammal en artefakt kan vara. Och listan fortsätter. Så vad är radioaktivitet?

Det är den spontana strålningen när en atoms täta centrum – som kallas dess kärna – omvandlas till ett annat. Oavsett om det är i form av partiklar eller elektromagnetiska vågor som kallas gammastrålar, strålning överför energi bort från atomkärnan.

Genom experiment, kärnfysiker har sett cirka 3, 000 olika sorters kärnor hittills. Aktuella teorier, fastän, förutsäga förekomsten av cirka 4, 000 fler som ännu aldrig har observerats. Runt världen, tusentals forskare, inklusive mig, fortsätt att studera dessa små beståndsdelar av materia, medan regeringar spenderar miljarder dollar på att bygga kraftfulla nya maskiner som kommer att producera fler och fler exotiska kärnor – och kanske så småningom fler teknologier som ytterligare kommer att förbättra det moderna livet.

Kärnfysikens födelse

Den franske fysikern Henri Becquerel upptäckte naturlig radioaktivitet 1896. Han försökte studera hur uransalter fosforescerar – dvs. avger ljus – när de utsätts för solljus. Becquerel placerade ett uranprov på en fotografisk platta täckt med ogenomskinligt papper och lämnade det i direkt solljus. Tallriken blev dimmig, som han drog slutsatsen berodde på solexponering.

Tack vare några dagars molnigt väder, fastän, Becquerel lämnade hela sitt setup i en mörk låda. Förvånande, den fotografiska plattan fortfarande imma, även i frånvaro av ljus. Solljus hade ingenting att göra med hans tidigare observation. Det var den naturliga radioaktiviteten i uranproverna som hade denna effekt. När urankärnorna sönderföll – dvs. omvandlas till olika kärnor – de sänder spontant ut ljusvågor som registreras på de fotografiska plattorna.

Becquerels upptäckt inledde en ny era av fysiken och lanserade kärnvetenskapen. För detta arbete, han vann Nobelpriset 1903.

Sedan dess, kärnkraftsforskare har reda ut en hel del av atomkärnans inre funktioner, och har utnyttjat dess fantastiska energi både för bra och tyvärr inte så bra användningsområden. Kärnfysikupptäckter har gett oss sätt att titta in i våra kroppar på ett icke-invasivt sätt, sätt att skapa energi utan luftföroreningar, och sätt att studera vår historia och vår miljö.

På atomnivå

De kända atomkärnorna tillhör 118 olika grundämnen, några av dem naturligt förekommande och några av dem gjorda av människor. För varje grundämne i det periodiska systemet finns det många olika "isotoper, " från det grekiska ordet "ισότοπο, " som betyder "samma plats, " antyder samma plats på grundämnenas periodiska system.

För att vara samma element, två isotoper måste ha samma antal protoner – den positivt laddade subatomära partikeln. Det är deras antal neutroner – subatomära partiklar utan laddning alls – som kan variera avsevärt.

Till exempel, guld är element 79 i det periodiska systemet, och alla isotoper av guld kommer att ha samma metalliska, gulaktigt utseende. Dock, det finns 40 kända isotoper av guld som har upptäckts, och ytterligare cirka 20 är teoretiserade att existera. Endast en av dessa isotoper är den "stabila, "eller naturligt förekommande, form av guld som du kanske bär på ringfingret just nu. Resten är radioaktiva isotoper, även känd som "sällsynta isotoper."

Sällsynta isotoper har var och en unika egenskaper:de lever under olika lång tid, från en bråkdel av en sekund till några miljarder år, och de släpper ut olika typer av strålning och olika mängder energi.

Till exempel, moderna rökdetektorer använder isotopen Americium-241, som avger en typ av strålning som kallas alfapartiklar som har mycket kort räckvidd. Radioaktiviteten kan inte färdas mer än ett par centimeter i luften. Americium-241 lever i några hundra år.

Å andra sidan, isotopen Fluor-18, som ofta används vid medicinska PET-skanningar, lever i bara cirka 100 minuter – tillräckligt länge för att slutföra skanningen, men kort nog för att undvika att bestråla den friska kroppen i onödan under en längre period. Den sekundära elektromagnetiska strålningen som kommer från Fluor-18 är i form av långdistans gammastrålar, vilket gör att den kan resa ut ur kroppen och in i PET-kamerorna.

Dessa olika kärnegenskaper gör varje sällsynt isotop unik, och kärnfysiker måste utforma specialiserade experiment för att studera var och en av dem separat.

Jagar mer

Aktuell kärnvetenskaplig forskning strävar efter att utveckla nya tekniker för att upptäcka nya isotoper, förstå deras egenskaper, och så småningom producera och skörda dem effektivt.

Att producera sällsynta isotoper är ingen lätt uppgift; det kräver stora maskiner som får kärnor att resa, och kolliderar med varandra, i hastigheter nära ljusets hastighet. Under dessa kollisioner kan kärnor smälta samman, eller så kan de bryta isär varandra, producerar nya kärnor, potentiellt med tidigare osynliga kombinationer av protoner och neutroner.

Kärnfysiker har dedikerad utrustning – detektorer – som kan observera dessa nybildade kärnor och strålningen de avger, och studera deras egenskaper. Till exempel, vid National Superconducting Cyclotron Laboratory där jag arbetar, min grupp har utvecklat en extremt effektiv gammastrålningsdetektor som vi kallade SuN.

Majoriteten av de kända isotoperna avger gammastrålning när de sönderfaller. Vi vill veta hur mycket energi som frigörs i denna process, hur många olika gammastrålar som sänds ut och hur energin delas mellan dem, och hur lång tid det tar för förfallet att äga rum. SuN kan svara på dessa frågor om vilken isotop vi än undersöker.

I ett typiskt experiment, vi implanterar en stråle av sällsynta isotoper i mitten av Sun. De sällsynta isotoperna kommer att förfalla av sig själva efter en kort tid, ungefär en sekund eller mindre, och avger sin karakteristiska strålning. SuN detekterar dessa utsända gammastrålar. Det är vårt jobb som kärnkraftsexperimentalister att lägga pusslet om hur dessa gammastrålar sänds ut och vad de berättar om egenskaperna hos den nya isotopen.

Dessa typer av produktions- och detekteringstekniker är komplexa och kostsamma, och därför finns det bara en handfull sällsynta isotoplaboratorier i världen som kan producera och studera de mest exotiska kärnarter.

Det är omöjligt att förutse vilka nya upptäckter inom grundforskningen som kommer att påverka människors liv. Vem kunde ha vetat för 100 år sedan, när elektronen upptäcktes, att under några decennier nästan varje hus i den utvecklade världen skulle ha en elektronmaskin – annars känd som ett katodstrålerör – för att titta på tv? Och vem kunde ha anat att upptäckten av radioaktivitet så småningom skulle leda till utforskning av rymden som drivs av radioaktiva sönderfall?

På samma sätt, vi kan inte förutsäga vilka sällsynta isotopupptäckter som kommer att förändra spelet, men med mer än hälften av de förutspådda isotoperna fortfarande outforskade, för mig känns möjligheterna oändliga.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.