Radioaktivitet

Under «Arkiv» finnes en nedlastbar fil med figurer og tabeller om radioaktivitet.

 

I 1896 oppdaget Henri Becquerel radioaktivitet – en oppdagelse som skulle vise seg å ha den største betydning for vår forståelse av hvordan naturen er bygget opp. I 1986 ble det norske folk ble kjent med Becquerels navn gjennom enheten Becquerel, Bq, etter katastrofen i Tsjernobyl. Selv om en kjenner måleenheten er det tvilsomt om den vanlige nordmann har en allmenn forståelse for hva radioaktivitet er og hvordan den virker.

 

Tjue år etter Tsjernobyl kom igjen kjernekraft på offensiven som et alternativ til CO2-utslippende varmekraftverk basert på fossile råstoffer (kull, olje og gass). Fremdeles kan en imidlertid møte standpunkt som “Radioaktivitet er farlig! Det har Hiroshima, Tsjernobyl og Fukushima vist”. Denne oppfatningen er egentlig ikke urimelig siden forekomst, virkning og påvisning av radioaktiv stråling faktisk er et komplisert emne hvor flere fagfelt er involvert, bl.a. kjernefysikk, kjemi, biofysikk og biologi. Hensikten med dette skrivet er å gi så mye bakgrunnsinformasjon at de viktigste begrepene kan forstås og derved bidra til færre misforståelser.

 

Radioaktive grunnstoffer er bl.a.: hydrogen, karbon, kalium, platina, bly, thorium og uran. Henri Becquerel oppdaget stråling fra et naturlig forekommende mineral som han visste inneholdt uran. Uran er altså det eldste radioaktive grunnstoffet vi kjenner og er naturlig forekommende. I 1896 var de fleste grunnstoffers forekomster og kjemi kjente, som f.eks. uran, thorium og kalium. Disse tre grunnstoffene viste seg alle å være radioaktive. At også de biologisk viktige elementene hydrogen og karbon er naturlig radioaktive ble ikke kjent før i mellomkrigstiden.

 

Det er påvist naturlig radioaktivitet i grunnstoff som rubidium, tellur, platina og bly. Radioaktivitet er følgelig i seg selv en naturlig ting. Kunstig framstilt er de helt radioaktive elementene teknetium, prometium og alle transuranene (elementene etter uran): neptunium, plutonium, americium, curium, berkelium, californium, o.a.
Det at naturlig radioaktivitet ikke følger grunnstoffene systematisk, antyder at de kjemiske egenskapene ikke er avhengige av radioaktiviteten, eller motsatt. Kjemiske forhold har med atomets elektroner å gjøre, mens radioaktivitet er en nukleær (dvs. kjernemessig) egenskap.

 

Halveringstid

Å forklare årsaker til radioaktivitet kan ikke gjøres med klassisk fysikk, men fysiske lover gjelder og vi kan derfor angi kvalitative og gode analoge forklaringer. Radioaktivitet skyldes at atomkjernen er ustabil – antall protoner og antall nøytroner er ikke tilstrekkelig tilpasset hverandre, eller det er rett og slett for mange av dem.

 

Som alle ustabile systemer som vi kjenner fra dagliglivet, f.eks. en stein som ligger oppe i ei li, vil systemet søke mot å bli mere stabilt ved å kvitte seg med energi. Steinen vil rulle nedover lia og få mindre potensiell energi. I atomets verden er masse og energi ekvivalente størrelser. Derfor har vi at jo mer energi som frigjøres (masse som tapes), desto mer sannsynlig er det at omdanning av kjernen vil finne sted.

 

Tilsvarende eksempelet med steinen vil atomkjernene kvitte seg med overflod av energi ved å sende ut stråling. Det vil være en viss sannsynlighet for at steinen skal begynne å rulle. Jo mer ustabilt den ligger, desto mer sannsynlig er det at det vil skje. Nå må en stein påvirkes av ytre krefter for å komme i gang, mens en radioaktiv atomkjerne omdannes spontant, men i en prosess hvor statistisk teori kan anvendes. Nukliden kan tilordnes en viss sannsynlighet for at kjerneomvandlingen skal finne sted. Det har vist seg hensiktsmessig å angi halveringstid som et sannsynlighetsmål, dvs. den tid det tar til vi har halvparten av nuklidene tilbake.
Enhet for desintegrasjon er becquerel. 1Bq = 1 desintegrasjon pr. sekund.
Strålingstyper er alfa – den første, beta – den andre, gamma – den tredje bokstav i det greske alfabetet.

 

Naturlig radioaktivitet

Kjernereaksjoner som danner nuklidene 14C og 3H. Som nevnt i innledningen er flere elementer radioaktive. Opphavet til denne radio-aktiviteten er imidlertid delt: Enten stammer de radioaktive isotopene fra dannelsen av elementene i universets barndom, de skyldes kontinuerlig produksjon som følge av desintegrasjon av radioaktive nuklider som 232Th, 235U og 238U eller de dannes ved at kosmisk stråling forårsaker kjernereaksjoner i nuklider som finnes i atmosfæren, spesielt 14N, som gir opphav til 3H og 14C. (Atmosfæren består bl.a. av 78% nitrogengass, N2 og 21% oksygengass, O2.)

 

I rekka av radioaktive datternuklider fra 238U er en viktig nuklide 222Rn som sender ut alfa-stråling og har halveringstid 3.8 døgn. Radon, Rn, er en edelgass, som f.eks. helium og argon. Dette innebærer at nukliden opptrer kjemisk som en ikke-reaktiv gass. Gassen kan derfor unnvike fra berggrunnen og befinne seg i den lufta vi puster inn.

 

Strålings gang gjennom stoff

Da Becquerel oppdaget at røntgenfilm svertes av uran hadde han, uforvarende, også funnet opp en detektor for radioaktiv stråling. Årsaken til svertinga skyldes at radioaktiv stråling tilhører den kategorien vi i dag kaller “ioniserende stråling”. Dette betyr at det stoff (materie) som utsettes for stråling vil få atomer og molekyler ionisert, dvs. elektroner i atomene løsrives. Siden elektronet var bundet til atomet måtte det følgelig tilføres energi for å løsrive elektronet. At stråling ioniserer innebærer derfor også at strålingens energi avsettes i stoffet.

 

Ladede partikler som alfa- og beta-partikler ioniserer mye kraftigere enn elektromagnetisk stråling som gamma- eller røntgenstråling. Derved stoppes de også mye lettere. Som tommelfingerregel kan vi si at et papirark stopper alfa-partikler, mens ei glassplate stopper beta-partikler. Gamma-stråler er ikke elektrisk ladet, og kan derimot gå gjennom tykke metallrør og murvegger, avhengig av energien. Gamma -energier varierer fra 50 – 3000 keV (kilo elektronvolt, eV).

 

Radioaktive kilder sender ut stråler i alle retninger. Strålingsintensiteten vil derfor avta som f.eks. lysintensiteten fra en lyspære – altså omvendt proporsjonal med kvadratet av avstanden fra kilden. Dette betyr at i 2m avstand fra kilden er intensiteten 4 ganger mindre enn i 1m avstand. Å holde god avstand fra kilden er en god leveregel når en omgås radioaktivitet. Som en kan tenke er skjerming av gamma-stråling avhengig av hvor høy gamma-energien er. I tillegg er kildestyrken (desintegrasjonshastigheten) en viktig parameter, samt at skjermingsmaterialet også er svært viktig. De mest brukte skjermingsmaterialene er bly, stål og betong.

 

Når det gjelder den biologiske påvirkning av radioaktiv stråling er det flere forhold som er viktige: stråletype, -energi, -mengde, eksponert organ og eksponeringstid. Vi sammenfatter disse i begrepet dose. En stråledose er en mengde avsatt energi pr. masse. Dette kalles absorbert dose og angis i enheten gray, Gy. Hvor skadelig strålingen er, avhenger av stråletypen. Ved å multiplisere absorbert dose med en vektfaktor, Q, fås den ekvivalente dosen som angis i sievert, Sv. For alfa benyttes Q = 10, mens for beta og gamma er Q = 1. 1Sv er en stor enhet, og for vanlige doser benytter vi en milliontedels sievert, µSv. For doserate, som sier noe om hvor sterk eksponering vi er utsatt for, benyttes microsievert pr. time, µSv/h.

 

I tabell 2 og figur 5 er de gjennomsnittlige stråledosene pr. år til befolkningen i Norge angitt. Som en ser er radon den viktigste stålekilden. Radon stammer fra uran og thorium i berggrunnen. Det er derfor store geografiske variasjoner i luftas radonkonsentrasjon rundt om i Norge. Det er f.eks. mye uran i leirskiferen under Oslo sentrum. Konsentrasjonen utendørs avhenger også av meteorologiske forhold som vindretning, nedbør o.l.

 

Radon siver inn i hus gjennom kjelleren. Det har vist seg at lufting av husene er viktig for å redusere konsentrasjonen. Det er derfor mye høyere verdier i innelufta om vinteren enn om sommeren. Radon og døtrene gir dose til lungene. Naturlig radioaktivitet i kroppen er i gjennomsnitt 4000Bq. Dette stammer hovedsakelig fra 40K, men også 14C og 3H gir bidrag.

 

Kalium finner vi i muskelvev. Kroppen har en stor evne til å reparere seg selv. Dette gjør kroppen hele tiden som følge av bakterier, virus, mutasjoner (feil i arveanlegget) og bakgrunnsstråling. Små doser kan derfor kroppen reparere selv. Selv større doser kan repareres dersom kroppen ikke utsettes for andre doser eller virus- eller bakterieangrep. I medisinsk stråleterapi blir enkelte organ utsatt for spesielt store doser slik at vev med kreftceller ødelegges. Det samme oppnås med cellegift. Resultatet for pasienten er imidlertid ofte det samme: en nedsatt motstandskraft mot infeksjoner og pasienten må derfor holdes i isolat.

 

I kroppen foregår det hele tiden et stoffskifte, metabolisme. Resultatet er at mange stoffer har vi nokså kort tid i kroppen. Som mål på denne utskiftingstiden bruker vi “biologisk halveringstid”. Et eksempel er 137Cs som bl.a. er en del av nedfallet etter kjernefysiske bombesprengninger i atmosfæren og Tsjernobyl-ulykka. Den fysiske halveringstiden er 30år, mens kroppens biologiske halveringstid er bare ca 100 dager. For 131I, som også er et nedfallsprodukt, er den fysiske halveringstiden 8 dager, mens den biologiske er 120 dager. Cesium, Cs, vil søke mot muskelvev, mens jod, I, vil tas opp i skjoldbruskkjertelen. Siden denne kjertelen er et lite organ (ca 25g) kan den derfor få en stor dose.

 

En måte å redusere dosen på er å spise ikke-radioaktivt jod før nedfallet når fram til oss. Da vil kjertelen ha tatt opp ikke-radioaktivt jod slik at bare en mindre del av den radioaktive vil bli sittende i kjertelen. En del av beredskapen rundt kjernekraftreaktorer er å dele ut jodtabletter til befolkningen i tilfelle utslipp.

 

Arbeidsfelt