Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Sådan fungerer atomstråling

Du har sikkert hørt folk tale om stråling både i fiktion og i virkeligheden. For eksempel, når virksomheden nærmer sig en stjerne på "Star Trek, "et medlem af besætningen kan advare om en stigning i strålingsniveauer. I Tom Clancy's bog" The Hunt for Red October, "en russisk ubåd har en atomreaktorulykke med strålelækage, der tvinger besætningen til at opgive skibet. På Three Mile Island og Tjernobyl, atomkraftværker frigav radioaktive stoffer i atmosfæren under atomulykker. Og i kølvandet på jordskælvet og tsunamien i marts 2011, der ramte Japan, en atomkrise rejste frygt for stråling og spørgsmål om atomkraftsikkerhed.

Atomstråling kan både være yderst gavnlig og ekstremt farlig. Det afhænger bare af, hvordan du bruger det. Røntgenmaskiner, nogle typer steriliseringsudstyr og atomkraftværker bruger alle atomstråling - men det gør atomvåben også. Nukleare materialer (dvs. stoffer, der udsender atomstråling) er ret almindelige og har fundet vej til vores normale ordforråd på mange forskellige måder. Du har sikkert hørt (og brugt) mange af følgende udtryk:

  • Uran
  • Plutonium
  • Alfastråler
  • Betastråler
  • Gammastråler
  • Røntgenbilleder
  • Kosmiske stråler
  • Stråling
  • Atomkraft
  • Atombomber
  • Atomaffald
  • Nuklear nedfald
  • Nuklear fission
  • Neutronbomber
  • Halvt liv
  • Radongas
  • Ioniseringsrøgdetektorer
  • Carbon-14 dating

Alle disse udtryk hænger sammen med, at de alle har noget at gøre med nukleare elementer, enten naturligt eller menneskeskabt. Men hvad er stråling egentlig? Hvorfor er det så farligt? I denne artikel, vi vil se på nuklear stråling, så du kan forstå præcis, hvad det er, og hvordan det påvirker dit liv på daglig basis.

Indhold
  1. "Nuclear" i "Nuclear Radiation"
  2. Radioaktivt henfald
  3. En "naturlig" fare

"Nuclear" i "Nuclear Radiation"

I denne figur, de gule partikler er orbitalelektroner, de blå partikler er neutroner, og de røde partikler er protoner.

Lad os starte ved begyndelsen og forstå, hvor ordet "atom" i "atomstråling" kommer fra. Her er noget, du allerede bør føle dig godt tilpas med:Alt er lavet af atomer . Atomer bindes sammen til molekyler . Så et vandmolekyle er lavet af to brintatomer og et iltatom bundet sammen til en enkelt enhed. Fordi vi lærer om atomer og molekyler i folkeskolen, vi forstår og føler os godt tilpas med dem. I naturen, ethvert atom du finder vil være en af ​​92 typer atomer, også kendt som elementer . Så hvert stof på jorden - metal, plast, hår, tøj, blade, glas - består af kombinationer af de 92 atomer, der findes i naturen. Den periodiske tabel over elementer, du ser i kemiklassen, er en liste over de elementer, der findes i naturen plus et antal menneskeskabte elementer.

Inde i hvert atom er der tre subatomære partikler :protoner, neutroner og elektroner. Protoner og neutroner binder sammen for at danne kerne af atomet, mens elektronerne omgiver og kredser om kernen. Protoner og elektroner har modsatte ladninger og tiltrækker derfor hinanden (elektroner er negative og protoner er positive, og modsatte afgifter tiltrækker), og i de fleste tilfælde er antallet af elektroner og protoner det samme for et atom (hvilket gør at atomet er neutralt). Neutronerne er neutrale. Deres formål i kernen er at binde protoner sammen. Fordi protonerne alle har den samme ladning og naturligvis ville frastøde hinanden, neutronerne fungerer som "lim" for at holde protonerne tæt sammen i kernen.

Antallet af protoner i kernen bestemmer et atoms adfærd. For eksempel, hvis du kombinerer 13 protoner med 14 neutroner for at skabe en kerne og derefter drejer 13 elektroner omkring den kerne, hvad du har er et aluminiumatom. Hvis du grupperer millioner af aluminiumatomer sammen, får du et stof, der er aluminium - du kan danne aluminiumsdåser, aluminiumsfolie og aluminiumsbeklædning ud af den. Alt aluminium, som du finder i naturen, kaldes aluminium-27. "27" er atommasse - summen af ​​antallet af neutroner og protoner i kernen. Hvis du tager et atom af aluminium og putter det i en flaske og vender tilbage om flere millioner år, det vil stadig være et atom af aluminium. Aluminium-27 kaldes derfor a stabil atom. For omkring 100 år siden, man troede, at alle atomer var stabile sådan.

Mange atomer findes i forskellige former. For eksempel, kobber har to stabile former:kobber-63 (udgør cirka 70 procent af alt naturligt kobber) og kobber-65 (udgør cirka 30 procent). De to former kaldes isotoper . Atomer i begge isotoper af kobber har 29 protoner, men et kobber-63 atom har 34 neutroner, mens et kobber-65 atom har 36 neutroner. Begge isotoper virker og ser ens ud, og begge er stabile.

Den del, der ikke blev forstået før for omkring 100 år siden, er, at visse elementer har isotoper, der er radioaktiv . I nogle elementer, alle isotoper er radioaktive. Brint er et godt eksempel på et element med flere isotoper, hvoraf den ene er radioaktiv. Normalt brint, eller hydrogen-1, har en proton og ingen neutroner (fordi der kun er en proton i kernen, der er ikke behov for neutroners bindende virkninger). Der er en anden isotop, hydrogen-2 (også kendt som deuterium), der har en proton og en neutron. Deuterium er meget sjælden i naturen (udgør ca. 0,015 procent af alt brint), og selvom det virker som hydrogen-1 (f.eks. du kan lave vand ud af det) det viser sig, at det er forskelligt nok fra hydrogen-1 ved, at det er giftigt i høje koncentrationer. Deuterium -isotopen af ​​brint er stabil. En tredje isotop, hydrogen-3 (også kendt som tritium), har en proton og to neutroner. Det viser sig, at denne isotop er ustabil . Det er, hvis du har en beholder fuld af tritium og kommer tilbage om en million år, du vil opdage, at det hele er blevet til helium-3 (to protoner, en neutron), som er stabil. Den proces, hvormed det bliver til helium, kaldes Radioaktivt henfald .

Visse grundstoffer er naturligt radioaktive i alle deres isotoper. Uran er det bedste eksempel på et sådant element og er det tungeste naturligt forekommende radioaktive element. Der er otte andre naturligt radioaktive elementer:polonium, astatin, radon, francium, radium, actinium, thorium og protactinium. Alle andre menneskeskabte grundstoffer, der er tungere end uran, er også radioaktive.

Radioaktivt henfald

Radioaktivt henfald er en naturlig proces. Et atom af en radioaktiv isotop vil spontant henfalde til et andet element gennem en af ​​tre almindelige processer:

  • Alpha henfald
  • Beta forfald
  • Spontan fission

I processen, Der produceres fire forskellige slags radioaktive stråler:

  • Alfastråler
  • Betastråler
  • Gammastråler
  • Neutronstråler

Americium-241, et radioaktivt element bedst kendt for dets anvendelse i røgdetektorer, er et godt eksempel på et element, der gennemgår alfa henfald . Et americium-241 atom vil spontant smide et alfa partikel . En alfapartikel består af to protoner og to neutroner bundet sammen, hvilket svarer til en helium-4-kerne. I processen med at udsende alfa -partiklen, americium-241-atom bliver til et neptunium-237-atom. Alfa -partiklen forlader scenen med en høj hastighed - måske 10, 000 miles i sekundet (16, 000 km/sek).

Hvis du kiggede på et individuelt americium-241 atom, det ville være umuligt at forudsige, hvornår det ville smide en alfapartikel af sig. Imidlertid, hvis du har en stor samling af americium -atomer, så bliver forfaldshastigheden ganske forudsigelig. For americium-241, det vides, at halvdelen af ​​atomerne forfalder på 458 år. Derfor, 458 år er halvt liv af americium-241. Hvert radioaktivt element har en anden halveringstid, lige fra brøkdele af et sekund til millioner af år, afhængigt af den specifikke isotop. For eksempel, americium-243 har en halveringstid på 7, 370 år.

Tritium (hydrogen-3) er et godt eksempel på et element, der gennemgår beta henfald . I beta forfald, en neutron i kernen bliver spontant til en proton, en elektron, og en tredje partikel kaldet en antineutrino. Kernen skubber elektronen og antineutrino ud, mens protonen forbliver i kernen. Den udstødte elektron betegnes som en beta partikel . Kernen mister en neutron og får en proton. Derfor, et hydrogen-3-atom, der gennemgår beta-henfald, bliver til et helium-3-atom.

I spontan fission , et atom splitter faktisk i stedet for at smide en alfa- eller beta -partikel af. Ordet "fission" betyder "splitting". Et tungt atom som fermium-256 gennemgår spontan fission omkring 97 procent af tiden, når det forfalder, og i processen, det bliver til to atomer. For eksempel, et fermium-256 atom kan blive til et xenon-140 og et palladium-112-atom, og i processen vil det skubbe fire neutroner ud (kendt som "prompte neutroner", fordi de skubbes ud i fissionsøjeblikket). Disse neutroner kan absorberes af andre atomer og forårsage atomreaktioner, såsom forfald eller fission, eller de kan kollidere med andre atomer, som billardbolde, og få gammastråler til at blive udsendt.

Neutronstråling kan bruges til at få ikke -radioaktive atomer til at blive radioaktive; dette har praktiske anvendelser inden for nuklearmedicin. Neutronstråling fremstilles også fra atomreaktorer i kraftværker og atomdrevne skibe og i partikelacceleratorer, enheder, der bruges til at studere subatomær fysik.

I mange tilfælde, en kerne, der har undergået alfa -henfald, beta henfald eller spontan fission vil være yderst energisk og derfor ustabil. Det vil fjerne sin ekstra energi som en elektromagnetisk puls kendt som en gammastråle . Gammastråler er som røntgenstråler ved at de trænger ind i stof, men de er mere energiske end røntgenstråler. Gammastråler er lavet af energi, ikke bevægelige partikler som alfa- og beta -partikler.

Mens der er tale om forskellige stråler, der er også kosmiske stråler bombardere Jorden hele tiden. Kosmiske stråler stammer fra solen og også fra ting som eksploderende stjerner. Størstedelen af ​​kosmiske stråler (måske 85 procent) er protoner, der rejser nær lysets hastighed, mens måske 12 procent er alfapartikler, der rejser meget hurtigt. Det er partiklernes hastighed, i øvrigt, der giver dem deres evne til at trænge igennem stof. Da de ramte atmosfæren, de kolliderer med atomer i atmosfæren på forskellige måder for at danne sekundære kosmiske stråler, der har mindre energi. Disse sekundære kosmiske stråler kolliderer derefter med andre ting på Jorden, herunder mennesker. Vi bliver ramt af sekundære kosmiske stråler hele tiden, men vi er ikke skadet, fordi disse sekundære stråler har lavere energi end primære kosmiske stråler. Primære kosmiske stråler er en fare for astronauter i det ydre rum.

En "naturlig" fare

Selvom de er "naturlige" i den forstand, at radioaktive atomer naturligt henfalder og radioaktive elementer er en del af naturen, alle radioaktive emissioner er farlige for levende ting. Alfa partikler, betapartikler, neutroner, gammastråler og kosmiske stråler er alle kendt som ioniserende stråling , hvilket betyder, at når disse stråler interagerer med et atom, kan de slå en orbitalelektron fra. Tab af en elektron kan forårsage problemer, herunder alt fra celledød til genetiske mutationer (der fører til kræft), i noget levende.

Fordi alfapartikler er store, de kan ikke trænge særlig langt ind i stof. De kan ikke trænge ind i et ark papir, for eksempel, så når de er uden for kroppen, har de ingen effekt på mennesker. Hvis du spiser eller indånder atomer, der udsender alfapartikler, imidlertid, alfapartiklerne kan forårsage ganske lidt skade inde i din krop.

Betapartikler trænger lidt dybere ind, men igen er kun farlige, hvis de spises eller indåndes; betapartikler kan stoppes af et stykke aluminiumsfolie eller plexiglas. Gammastråler, som røntgenstråler, stoppes af bly.

Neutroner, fordi de mangler gebyr, trænge meget dybt, og stoppes bedst af ekstremt tykke lag beton eller væsker som vand eller fyringsolie. Gammastråler og neutroner, fordi de er så gennemtrængende, kan have alvorlige virkninger på celler fra mennesker og andre dyr. Du har måske på et tidspunkt hørt om en nuklear enhed kaldet a neutronbombe . Hele tanken med denne bombe er at optimere produktionen af ​​neutroner og gammastråler, så bomben har sin maksimale effekt på levende ting.

Som vi har set, radioaktivitet er "naturlig, "og vi indeholder alle ting som radioaktivt kulstof-14. Der er også en række menneskeskabte nukleare elementer i miljøet, der er skadelige. Atomstråling har stærke fordele, såsom atomkraft til at generere elektricitet og nuklearmedicin til at opdage og behandle sygdomme, samt betydelige farer.

Masser mere information

relaterede artikler

  • Nuclear Bomb Quiz
  • Sådan fungerer atomkraft
  • Sådan fungerer Radon
  • Sådan fungerer røntgenstråler
  • Sådan fungerer atombomber
  • Sådan fungerer Carbon-14 Dating
  • Sådan fungerer nuklearmedicin
  • Atomkraft Quiz

Flere store links

  • Find ud af mere:"Nedtælling til nul"
  • Stråling og sundhedsfysik
  • Stråleprimer
  • Sustainable Energy &Anti -Uranium Service - information om atomkraft fra en modstanders perspektiv
  • Aware Electronics - Fremstillere af pc -baserede og enkeltstående Geiger -tællere, strålingsradonmonitorer og andre skærme til brug med pc'er
  • Lunar Helium-3 som energikilde
  • Eksperimenter med menneskelig stråling
  • Radioaktivitetsdetektion
  • Stråling revurderet:Målingens morass
  • ABC'erne for kernevidenskab
  • Medcom:strålingsdetekteringsinstrumenter