HALSE WÜRTZ SPEKTRUM FYSIK C

Transkript

1 HALSE WÜRTZ SPEKTRUM FYSIK C Atomkerner Atomkernen side 2 Radioaktive stråler side 3 Grundstofomdannelse ved α, β og γ stråling side 7 Radioaktivt henfald side 14 Fusion side 17 Anvendelse af radioaktiv stråling side 22 Fission side 24 Eksperimenter mv. side 30 Artiklen her knytter sig til kapitel 2, Stof Illustrationer: Gyldendals billedbibliotek s. 4 ø, 22, 26. NASA and The Hubble, Heritage Team (STScI/AURA) s. 20 JET-project s. 21 Wayne Jones s. 27 Forlaget har forsøgt/forsøger at finde frem til alle rettighedshavere i forbindelse med brug af billeder. Skulle enkelte mangle, vil de ved henvendelse til forlaget blive betalt, som om aftale var indgået. GYLDENDAL

2 Atomkernen I dag ved vi, at stof er opbygget af atomer, som er bundet til hinanden i kemiske forbindelser. Men hvor stammer ideen om atomerne fra? Atomteorierne Ideen om atomer går helt tilbage til før år 400 f.kr. med den græske filosof Leukippos og især hans elev Demokrit, der mente, at når stoffet omkring os viser en høj grad af stabilitet og uforanderlighed under mange forskellige påvirkninger, så må stoffet i sidste ende består af udelelige og uforanderlige mindste bestanddele. Disse kaldtes atomer, som netop er det græske ord for udelelig. Atomernes eksistens kunne ikke påvises direkte, derfor måtte de være ufattelig små. Atomideen blev senere forenet med Empedokles' lære om de fire grundelementer jord, vand, luft og ild. De almindeligt forekommende stoffer mentes så at være blandinger af atomer svarende til de fire elementer. I modsætning til læren om de fire elementer kunne ikke alle acceptere atomteorien, det gjaldt således Aristoteles. Men ideen holdt sig op gennem tiden og fik fornyet kraft især ved kemiens udvikling gennem og 1700-tallet. Her opdagede man bl.a., at stofferne i en bestemt reaktion altid reagerer med hinanden i samme masseforhold, ofte svarende til små hele tal. Fx reagerer oxygen med hydrogen i masseforholdet 8:1. Med denne og andre lovmæssigheder som baggrund fremsatte John Dalton i 1803 sin atomteori, hvis indhold i store træk stadig anses for rigtigt: Der findes et begrænset antal grundstoffer, og atomerne hørende til et bestemt grundstof er fuldstændig ens, således har de samme masse. En kemisk forbindelse består af molekyler, der hver for sig er ens. Et molekyle består af et helt antal atomer af hvert af de grundstoffer, der indgår i molekylet. Ved en kemisk reaktion ændres sammensætningen af molekylerne, mens atomerne er uændrede. Hverken antallet eller arten af atomer ændres ved en kemisk reaktion, de sammensættes blot på en ny måde. Det kemiske symbolsprog, hvor et grundstof symboliseres ved et eller to bogstaver, blev indført af Berzelius i Reaktionen mellem hydrogen og oxygen skrives 2 H 2 + O 2 2 H 2 O

3 Reaktionsskemaet skal forstås således, at to molekyler hydrogen reagerer med et molekyle oxygen og danner to molekyler vand. På trods af atomteoriens succes i kemien blev den først alment accepteret fra starten af 1900-tallet. Atomets opbygning At atomerne ikke er udelelige, blev opdaget i 1897, da J.J.Thomson opdagede elektronen som en bestanddel af alt stof. Elektronen leder elektrisk strøm, og ved kraftige udladninger i gasfyldte rør fra den negative elektriske pol til den positive optræder, hvad man kalder katodestråler. Dem afbøjede Thomson i et kraftigt magnetfelt og påviste elektronen som partikel. Fra kemien kendte man atomernes masser ret nøjagtigt, og med opdagelsen af atomkernen i 1911 skulle man umiddelbart tro, at atomernes struktur deraf lod sig afsløre. Det var dog først i 1932 med James Chadwicks eksperimentelle påvisning af neutronen, at puslespillet faldt endeligt på plads. Hvorfor skulle der gå så lang tid? Det ser vi på i det følgende, og de første tegn på atomkernerne havde man fra den radioaktive stråling. Radioaktive stråler I 1895 havde Konrad Wilhelm Röntgen opdaget den gennemtrængende type stråling, som vi i dag kalder røntgenstråling. Denne stråling har mange praktiske anvendelser bl.a. hos tandlægen. Tidligt i 1896 satte den franske fysiker Henri Bequerel sig for at undersøge, om grundstoffet uran kunne bringes til at udsende røntgenstråling ved at udsætte det for sollys. Han lagde et stykke af et uranholdigt mineral på en lystæt indpakket fotografisk film og anbragte det hele i solen, hvorefter han fremkaldte filmen. Det viste sig, at denne var blevet sværtet, selv om den var pakket lystæt ind under forsøget. En uge senere gentog han forsøget, men denne gang var det gråvejr. Alligevel viste filmen den samme sværtning som første gang. Hermed blev han klar over, at sværtningen af filmen ikke skyldtes en effekt, som var frembragt af solbestrålingen. Årsagen til sværtningen måtte derfor findes i uranet selv. Becquerels opdagelse vakte i første omgang ikke megen opsigt, - de fleste fysikere mente, at den ret svage stråling var knyttet til uran alene

4 Tidligt i 1898 opdagede det fransk-polske ægtepar Pierre og Marie Curie og uafhængigt af dem tyskeren Gerhard Schmidt, at også grundstoffet thorium udsendte en sådan stråling. Og senere samme år fandt de to Curie er i det uranholdige mineral begblende to hidtil ukendte grundstoffer, som udsendte en meget mere intens stråling. Det var grundstofferne radium og polonium - polonium blev opkaldt efter Maries fødeland Polen. Opdagelsen var en monumental kemisk bedrift - de startede med 1 ton begblende, som man i dag ved, kun indeholder ca. 1 7 gram radium. Herefter startede en storstilet udforskning af det nye fænomen, som blev kaldt radioaktivitet. I 1901 vidste man, at strålingen indeholder tre forskellige typer: α- stråling, som består af elektrisk positivt ladede partikler med en ringe gennemtrængningsevne, β-stråling, som snart blev vist at være hurtige elektroner, og γ-stråling, som er elektrisk neutral med en gennemtrængningsevne, der er større end røntgenstrålingens. I 1908 viste Rutherford og Royds, at α-stråling består af positive heliumioner ved et meget elegant forsøg, hvor de indsmeltede en α-kilde i et glasrør med elektroder. Efter nogen tids forløb satte de højspænding til elektroderne, og det viste sig, at røret lyste med de farver, som er karakteristisk for grundstoffet helium. I 1912 blev det påvist, at γ-stråling og røntgenstråling er elektromagnetisk stråling med meget kort bølgelængde. Man sendte strålingen gennem bl.a. saltkrystaller, hvorved der viste sig nogle karakteristiske mønstre, som bølgelængden kan beregnes ud fra. Man kendte 3 typer radioaktive stråler, α, β og γ stråling. Marie Curie i sit laboratorium Diffraktionsmønster af røntgenstråling i en kvartskrystal. Hvordan kender vi forskel på dem? Strålingens evne til at trænge gennem forskellige stoffer giver svaret

5 Vi anbringer kilden, som efter tur er en α-kilde, en β-kilde og en γ- kilde, i en holder foran et Geiger-Müllerrør, der er tilsluttet en tæller. Denne indstilles til at registrere antallet af impulser i et fast tidsrum, fx 10 sekunder. Mellem kilden og GM-røret anbringer vi de forskellige materialer, og tælletallene noteres. Først undersøges strålingens evne til at trænge gennem luft. I resten af forsøget holdes afstanden mellem kilden og GM-røret konstant, ca. 2 cm er passende. Forsøget viser følgende: α-stråling standses helt af nogle få cm luft eller nogle få lag papir. β-stråling trænger let gennem nogle få lag papir og et tyndt lag aluminium. Stråling fra Sr-90 standses af 5 mm aluminum eller af et tyndt lag bly. γ-stråling standses ikke, men svækkes af bly. Forsøgsopstilling til at afsløre, hvad den radioaktive stråling består af: α, β eller γ - stråling. Øverst til venstre ses GM-røret, der registrerer den radioaktive stråling fra kilden øverst til højre. Mellem kilde og GM-rør indsættes plader af aluminium eller bly. Da kilderne udsender strålingen ligeligt i alle retninger, rammes GM-røret af færre partikler, når afstanden mellem kilden og GMrøret forøges. Derfor falder tælletallene også ved β- og γ-stråling, når afstanden til kilden forøges. Ved omhyggelige forsøg kan man vise, at β-stråling fra Sr-90 har en maksimal rækkevidde på ca. 1m i luft. Ved at anbringe en blænder med et hul foran kilden kan vi med en tilsvarende opstilling og et par stangmagneter vise, at β- stråling er negativt ladet. Hvis vi anbringer magneterne lodret over hinanden ud for kilden, således at de to nordpoler peger opad, så afbøjes negative partikler fra kilden mod venstre i forhold til strålingens retning. Tælletallet bliver langt mindre, hvis GM-røret som vist på billedet anbringes lidt til højre for strålingens retning, end hvis GM-røret anbringes lidt til venstre. I princippet kan et tilsvarende forsøg vise, at α-stråling er positivt ladet, men i praksis er både rækkevidden og afbøjningen for lille til, at vi kan se effekten med denne opstilling

6 Atomkernen I 1911 undersøgte Geiger og Marsden, hvad der skete med α- partikler, når en tynd stråle af dem blev rettet mod et guldfolie, ca mm tykt. Resultatet var, at langt størsteparten af α-partiklerne fortsatte gennem foliet i strålens retning, mens et lille antal blev afbøjet meget, ja nogle af partiklerne blev nærmest sendt tilbage mod kilden. Indtil da mente man, at atomerne bestod af en slags positivt ladet substans. I denne substans bevægede elektroner sig rundt i cirkelformede baner. Den positive substans måtte være der, da alt stof indeholder elektroner - det var blevet påvist af J.J.Thompson i og et atom er elektrisk neutralt. Med dette billede af atomet som udgangspunkt var forsøgets resultat nærmest chokerende. Rutherford udtalte, at han blev lige så forbavset, som hvis en 15-tommers granat afskudt mod et stykke silkepapir blev sendt tilbage mod kanonen. Men resultatet kunne forklares, hvis atomet bestod af en meget lille, tung og positivt ladet kerne omgivet af en sky af elektroner. De allerfleste α-partikler ville i så fald kun skulle bane sig vej gennem elektronskyerne, hvilket let kunne lade sig gøre, da en α- partikel vejer mere end 7000 gange så meget som en elektron - omtrent som en lastbil i forhold til en fodbold. Men de ret få α- partikler, der tilfældigvis bevægede sig direkte imod eller tæt forbi en guldkerne ville blive afbøjet meget på grund af den store positive ladning i guldkernen og guldatomets masse, der er ca 50 gange så stor som massen af en α-partikel. Hermed blev det første moderne billede af et atom grundlagt. På dette tidspunkt kendte man protonens eksistens, men ikke neutronens. I første omgang mente man, at kernen bestod af både protoner og elektroner med overskud af protoner. Uden om kernen fandtes en elektronsky med netop så mange elektroner, at atomet alt i alt blev elektrisk neutralt. Først med neutronens opdagelse i 1932 blev man klar over kernens sammensætning og hermed hele atomets opbygning. Kernen består af protoner og neutroner, og den er omgivet af en sky af elektroner. Atomet består af en positivt ladet kerne, omgivet af en sky af elektroner. Næsten hele atomets masse er knyttet til kernen, der er ganske lille. Kernens udstrækning er af størrelsesordenen m. Atomets diameter er af størrelsesordenen m - 6 -

7 Grundstofomdannelse ved α, β og γ stråling Vi ser på de tre henfaldstyper hver for sig. α-henfald Som nævnt er en α-partikel en heliumkerne, så et α-henfald af fx Ra kan skrives Ra Rn + He At der netop dannes kernen Rn, skyldes to almene love, som kaldes bevarelsessætninger: 1. Den samlede elektriske ladning er bevaret ved enhver proces. 2. Det samlede antal nukleoner er bevaret ved enhver proces. Da elektronerne i atomernes elektronskyer ikke deltager i henfaldsprocessen, udtrykkes ladningsbevarelsen ved tallene forneden, idet 88 = De 88 protoner i radiumkernen fordeles med 86 i radonkernen og 2 i heliumkernen (α-partiklen) Bevarelsen af nukleontallet udtrykkes ved tallene foroven, idet 226 = Radonkernen består af 222 nukleoner og heliumkernen af de sidste 4. De to naturligt forekommende uranisotoper henfalder også ved α-henfald, fx U Th + He I almindelighed kan et α-henfald, hvorved et grundstof X omdannes til et grundstof Y, skrives A A-4 4 X Y + He Z Z-2 2 Man kalder X for moderkernen og Y for datterkernen, også for andre henfaldstyper end α-henfald. I henfaldsskemaerne gør vi kun rede for kernerne, ikke for elektronskyerne. Hvis radiumatomet i henfaldet Ra Rn + He er neutralt, dannes der egentlig ionerne He og Rn. 86 Efter henfaldet bevæger datterkernen og α-partiklen sig i hver sin retning, således at α-partiklen har langt den største hastighed. Alle α-partikler fra et bestemt henfald har samme hastighed, idet de har samme rækkevidde, som vi kan se på et tågekammerbillede

8 β-henfald Det har vist sig, at β-henfald forekommer i flere typer: β -, β + og K-indfangning. I første omgang behandler vi β-henfald noget forenklet. Flere detaljer findes i det blå appendix. Den hyppigste type er β -, hvor der udsendes en elektron fra kernen. At elektronen virkelig stammer fra kernen og ikke fra atomets elektronsky, kan ses ved at datterkernens atomnummer er større end moderkernens, fx i reaktionerne Cs Y + e og 38Sr 39Y + 1e. Lige som ved α-henfaldet udtrykkes bevarelsen af den elektriske ladning ved tallene forneden og bevarelsen af nukleontallet ved tallene foroven. Ladningerne regnes med fortegn, så elektronens negative ladning tæller som 1. Ladningsbevarelsen udtrykkes så ved ligningerne 55 = 56 1og 38 = Under et β - -henfald omdannes en af kernens neutroner til en proton ved processen 0 1 n 1 1p+ 0 1e. Frie neutroner er ustabile og henfalder ved den samme proces. Ved et β + -henfald omdannes en neutron i kernen til en proton og en positron 0 1 e : p Na 11 1 n + e, fx ved henfaldet Ne + e. En positron er en partikel med samme masse som en elektron, men med positiv ladning i stedet for elektronens negative ladning. Positronen og elektronen kaldes hinandens antipartikler. Enhver partikel har en antipartikel, fx har protonen en antiproton og en neutron en antineutron som antipartikler. Som symbol for en antipartikel benyttes symbolet for den oprindelige partikel med en streg over. En antiproton betegnes således p og en antineutron n. En partikel og dens antipartikel har modsatte elektriske ladninger, men samme masse. Når en partikel og dens antipartikel mødes, forsvinder de som partikler og omdannes til stråling. Den modsatte proces kan også foregå som på billedet, hvor en elektron og en positron dannes af et energirigt γ-kvant, der passerer tæt forbi en atomkerne. En elektron og en positron dannes af et energirigt γ-kvant, der passerer tæt forbi en atomkerne. De to partiklers baner krummer hver sin vej i magnetfeltet, da de har modsatte ladninger - 8 -

9 Den sidste type β-henfald kaldes K-indfangning eller EC (som er en forkotelse af electron capture). Denne henfaldstype svarer til et β+-henfald, men i stedet for at udsende en positron indfanger kernen en elektron fra atomets inderste skal, K-skallen. Denne elektron og en proton fra kernen omdannes til en neutron: p + 1e 0n, fx i henfaldet 12 Na + 1e 11Ne. Det er her underforstået, at elektronen stammer fra natriumatomets K-skal. Vi har nu set, at kernen Na kan henfalde på to forskellige måder. Noget lignende gælder mange andre kerner. Skematisk ser de tre β-henfald således ud: β : A X A Y + 0 e Z Z+1 1 β + : A X A Y + 0 e Z Z 1 1 K: A X + 0 e A Y Z 1 Z 1 Flere detaljer om betahenfaldet Omkring 1930 opdagede man, at der tilsyneladende ikke altid var energibevarelse ved β-henfald, idet de fleste af de udsendte elektroner havde mindre energi end beregnet. I første omgang var visse fysikere, bl.a. Niels Bohr, parate til at forlade troen på energibevarelse i radioaktive henfald. Hos andre var tilliden til energisætningen så stor, at de alene for at opretholde energibevarelsen indførte en helt ny partikel, som blev kaldt en neutrino. Den manglende energi blev så tillagt neutrinoen. Først i 1956 lykkedes det at påvise dens eksistens direkte. At det tog så lang tid, skyldes at neutrinoer kun i yderst ringe omfang reagerer med andre partikler. At der er behov for en partikel mere, kan også ses på et tågekammerbillede af et β-henfald. Hvis henfaldet kun resulterede i datterkernen og elektronen, så ville disse bevæge sig i modsatte retninger, men det gør de tydeligvis ikke: Idet en neutrino betegnes ν og en antineutrino ν, ser de komplette betahenfald således ud: - 9 -

10 β : β + : K: A A 0 Z Z+1 1 X Y + e + ν X Y + e + ν A A 0 Z Z 1 1 X + e Y + ν A 0 A Z 1 Z 1 Foruden energibevarelsen sørger antineutrinoen i et β -henfald for bevarelsen af antallet af en partikeltype, der kaldes leptoner, og som omfatter bl.a. elektroner, neutrinoer og deres antipartikler. Man tæller leptoner med positive tal og antileptoner med negative tal. Da der dannes 1 lepton og 1 antilepton ved et β-henfald, er det samlede antal leptoner det samme før og efter henfaldet. I et β + -henfald udsendes der en neutrino med leptontallet +1. Da en positron som en antilepton har leptontallet 1, er det samlede antal leptoner igen uforandret. Dette udtrykkes i endnu en bevarelsessætning: 3. Antallet af leptoner er konstant ved enhver proces. En neutrino og en antineutrino har ingen elektrisk ladning og en uhyre lille masse. Endnu i dag kender man ikke massen af neutrinoerne præcist, men den menes at være af en størrelseorden som en hundredetusindedel af elektronens masse. γ-henfald Både ved α- og ved β-henfald omdannes den oprindelige kerne til en kerne af et nyt grundstof. Datterkernen ved et af disse henfald dannes ofte i en exciteret tilstand, som er en tilstand med ekstra energi. Ved et γ-henfald skaffer en datterkerne sig af med den ekstra energi Ved henfaldet 55Cs 56Ba + 1e + ν dannes ca. 95% af bariumkernerne i en exciteret tilstand, hvilket kan vises med en stjerne: 55Cs 56Ba + 1e + ν (95% af tilfældene). Herefter henfalder den exciterede bariumkerne til sin grundtilstand ved et γ-henfald: Ba 56 Ba + γ Energien af γ-kvantet er karakteristisk for den exciterede datterkerne, og dette kan anvendes til at fastslå, hvilket henfald, der er tale om

11 De 4 naturligt forekommende radioaktive familier Da α-henfald altid formindsker nukleontallet med 4, og β- og γ- henfald ikke ændrer nukleontallet, så vil et henfald enten mindske nukleontallet med 4 eller bevare det uændret. Hvis en kernes nukleontal er deleligt med 4, vil det samme gælde enhver kerne, der fremkommer af den oprindelige ved et eller flere radioaktive henfald. De radioaktive isotoper kan derfor inddeles i 4 familier, der aldrig blander sig med hinanden. På et kernekort er det let at følge henfaldskæderne af de fire familier. De tre familier har som udgangspunkter kernerne U, U og 90Th, som alle forekommer naturligt på Jorden. Alle efterkommerne af disse kerner forekommer ligeledes på Jorden. Den fjerde familie har på Jorden kun de to medlemmer 209 Bi og Tl - bismuth og thallium. Resten af familiens medlemmer henfalder så hurtigt, at de for længst er henfaldet. De kerner, der er udgangspunkt for en familie, udmærker sig med meget store halveringstider, så der stadig er noget tilbage efter de 4,5 milliarder år, Jorden har eksisteret. Det er energien fra henfald af disse kerner og deres efterkommere, der er årsagen til, at temperaturen nær Jordens midte er op mod 7000 o C. Energiforhold Udover de allerede nævnte bevarelsessætninger gælder der naturligvis også energibevarelse: 4. Ved enhver proces er den samlede energi konstant. I energiregnskabet skal vi tage hensyn til masserne af kerner og 2 partikler i følge Einsteins ligning: E = m c, hvor c er lysets hastighed i vacuum. Ved at indsætte tabelværdier i Einsteins ligning kan vi beregne, hvor stor en energimængde, der svarer til massen 1u, idet u = 1, kg og lysets hastighed c = 2, m : s Til 1u svarer energien E1 u = 1, (2, ) J = 1, J Dette er et upraktisk lille tal. Af denne og andre grunde anvendes i atom- og kernefysik i stedet for joule gerne enheden elektronvolt, som skrives ev, eller megaelektronvolt MeV. Til massen 1u svarer energien 931,5 MeV

12 Vi skal nu sammenligne massen af en kerne med massen af nukleonerne i den. I tabeller er det altid atommasser, der angives. Det gør ingen forskel, bare vi bruger massen af et hydrogenatom i stedet for massen af en proton, for så medregner vi det samme antal elektroner begge steder. Massen af atomet 12 6C er lig med 12 u, mens massen af 6 hydrogenatomer og 6 frie neutroner er lig med 6 1,007825u + 6 1,008665u = 12,09894 u. Vi ser, at atomets masse er mindre end den samlede masse af de partikler, den består af. Forskellen kaldes kernens massedefekt m defekt, i dette tilfælde 0,09894 u. Massedefekten svarer til kernes bindingsenergi, som udregnes med Einsteins ligning: 2 MeV Ebind = md c = 0, u 931,5 92,1MeV u Bindingsenergien er den energi, der blev frigivet, da kernen i sin tid blev dannet af protoner og neutroner. I princippet er bindingsenergien den energimængde, der skal bruges for at skille kernen i frie protoner og neutroner. Ved at udregne forskellen på den samlede masse før og efter et henfald kan man beregne, hvor stor en energimængde, der frigives ved henfaldet. Denne energi er den kinetiske energi af partiklerne efter henfaldet - energien af γ-stråling skal naturligvis medregnes. Kernekræfter En atomkerne eksisterer i en balance mellem to typer kræfter mellem partiklerne i kernen. Den ene kraft er elektrisk frastødning mellem de positivt ladede protoner, og den anden kraft er en tiltrækning mellem alle nukleoner indbyrdes. Tiltrækningen kaldes den stærke vekselvirkning. Rækkevidden af den stærke vekselvirkning er så lille, at kun partikler i umiddelbar nærhed af hinanden påvirkes af den. Den elektriske frastødning har ubegrænset rækkevidde, men styrken af frastødningen aftager som kvadratet på afstanden mellem protonerne. Derfor indeholder en kerne med mange partikler forholdsvis flere neutroner end en kerne med få partikler, fx består den hyppigste carbonkerne af 6 protoner og 6 neutroner, mens en guldkerne består af 79 protoner og 118 neutroner, altså 1½ gange så mange neutroner som protoner

13 På grund af det større neutronindhold øges den gennemsnitlige afstand mellem protonerne, så den elektriske frastødning mellem dem bliver mindre. Et kernekort er en grafisk opstilling af kerner i et koordinatsystem med antallet af neutroner afsat på førsteaksen og antallet af protoner på andenaksen. De stabile kerner ligger i et bælte, hvor der i starten af det periodiske system er nogenlunde lige mange protoner og neutroner. Efterhånden bøjer bæltet noget af, så der bliver flest neutroner. Det stabile bælte ender ved bly, grundstof nummer 82. Bly er således det sidste grundstof, som har en stabil isotop. Kerner, der ligger under stabilitetsbæltet, henfalder som hovedregel ved β -henfald. Tunge kerner over stabilitetsbæltet henfalder som regel ved α-henfald, mens lette kerner over stabilitetsbæltet normalt henfalder ved β + -henfald eller sjældnere ved K-indfangning. Ud fra atomernes masser er det muligt at forstå, hvilke kerner der ligger i stabilitetsområdet på kernekortet. Vi betragter som eksempel kernerne med nukleontallet 89, og afbilder atommasserne som funktion af atomnummeret. atommasse u 88,93 88,925 88,92 88,915 88,91 88,905 Atommasserne for atomer, der alle har nukleontallet 89. Som det ses af figuren, er atommassen mindst ved atomnummeret 39 svarende til grundstoffet yttrium. Det illustrerer hvorfor grundstofisotopen Y-89 er stabil, hvorimod alle øvrige kerner med nukleontallet 89 er radioaktive. Til venstre for yttrium er kernerne β- radioaktive og til højre for yttrium er kernerne β+ eller EC-radioaktive. Alt ialt en bevægelse mod grundstoffet yttrium i bunden af kurven. 88, atomnummer Z Vi bemærker først, at alle atomerne med nukleontallet 89 har en masse meget tæt på 89 u. Men som grafen viser, har kurven et 89 minimum med atomet 39Y som den lavest masse svarende til den laveste energi og netop denne er den eneste stabile kerne med

14 nukleontallet 89. At kurven vender som den gør, hænger sammen med Einsteins masse-energirelation. Forestiller man sig atomerne dannet ud fra protoner, neutroner og elektroner, vil der hver gang, partiklerne bindes, være energi tilovers, som udsendes i form af stråling. Denne stråling svarer til energi, og derfor mister atomet masse ved strålingen og alle atomer er lettere end sine byggestene regnet sammen hver for sig. Atomet med den mindste masse er det mest stabile. Lad os sige, at vi har et atom med nukleontallet 89. For små atomer er alfastråling udelukket. Derfor kan atomet kun omdannes ved et betahenfald. Men for at det kan lade sig gøre, skal der være energi tilovers ved processen. Energi kan ikke opstå spontant. Derfor skal massen af datteratomet være mindre end atomet, vi starter med, for at det kan lade sig gøre uden energitilførsel udefra. Derfor vil der i naturen være en bevægelse mod atomerne med den mindste energi - for fast nukleontal. Det betyder, at atomet i bunden af kurven er stabilt. Stabilt overfor betahenfald. Radioaktivt henfald I et radioaktivt nuklid aftager antallet N af moderkerner i tidens løb. Allerede omkring år 1900 havde bl.a. Rutherford fundet ud af, at antallet af moderkerner altid aftager med den samme brøkdel p i lige lange tidsrum. Hvor stor brøkdelen p er, afhænger både af længden t af tidsrummet og af hvilket nuklid, der betragtes. Betegner vi ændringen i antallet med N, kan vi udtrykke Rutherfords opdagelse ved ligningen N = p N. Ændringen N er et negativt tal, da antallet af kerner aftager. Derfor minustegnet i formlen. Hvis vi kun betragter så korte tidsrum, at brøkdelen p er lille, så er p proportional med længden af tidsrummet, det vil sige at p = k t, hvor k er en konstant. Ved at samle de to ligninger får vi N = k N t forudsat at N er lille i forhold til N. Formlen kaldes henfaldsloven for radioaktivt henfald. Tallet k er en konstant, der kaldes for henfaldskonstanten for det pågældende nuklid

15 Hvis henfaldskonstanten er meget mindre end 1, kan den fortolkes som den brøkdel af kernerne, der henfalder i løbet af det næste sekund. Enheden for k er således "pr sekund", dvs. s 1. Henfaldskonstanten afhænger hverken af ydre omstændigheder som fx temperatur eller af, om nuklidet indgår i en kemisk forbindelse med andre stoffer. Henfaldsloven gælder kun for så korte tidsrum, at ændringen N i antallet af kerner er lille sammenlignet med antallet N af kerner. Da et radioaktivt henfald er en tilfældig proces (som fx kast med en terning), gælder formlen kun i middel. Ved aktiviteten A af et radioaktivt stof forstås antallet af henfald pr sekund. Af henfaldsloven følger, at i middel er A = k N. Enheden for aktivitet er s 1, som i denne forbindelse kaldes bequerel og forkortes Bq. Skolen har sandsynligvis en Cs-137 kilde, der f.eks. er mærket 370 kbq. I denne kilde skete der henfald pr sekund, da kilden var ny. Med et GM-rør registrerer man kun en lille del af henfaldene fra en kilde. Det skyldes flere ting. Dels udsendes strålingen ligeligt i alle retninger, så kun en lille del rammer GM-røret. Og dels reagerer GM-røret kun på en del af den stråling, der rammer det. For γ-stråling drejer det sig ca.1%, de restende 99% passerer gennem røret uden at blive registreret. Følsomheden er dog væsentlig større for α- og β-stråling. Under alle omstændigheder registreres en vis brøkdel af den udsendte stråling. Derfor er tælletallene proportionale med aktiviteten og dermed med antallet af kerner. tælletal/10s Grafen viser resultater fra β - -henfald af sølvisotopen Ag : Grafen er tegnet i et enkeltlogaritmisk koordinatsystem. Dette koordinatsystem er indrettet således, at når punkterne ligger på en ret linje, så aftager tælletallene med en konstant brøkdel pr tidsinterval. En størrelse med denne egenskab kaldes for eksponentielt aftagende tid/s

16 Vi kan derfor slå fast, at både antallet af kerner i et nuklid og aktiviteten af det med tilnærmelse aftager eksponentielt i tidens løb, idet begge disse størrelser er proportionale med tælletallene. Netop den eksponentielle udvikling gør, at nuklidet har en karakteristisk halveringstid, som traditionelt betegnes 1 2 T. I løbet af en halveringstid vil halvdelen af kernerne henfalde. Dette gælder regnet fra ethvert tidspunkt, uanset hvor mange kerner nuklidet indeholder. Så efter forløbet af 2 halveringstider er der 1 af det oprindelige antal tilbage, efter 3 halveringstider er 4 der 1 tilbage, osv. 8 Halveringstiden hænger sammen med henfaldskonstanten, idet T 1 2 0,693 0,693 = eller k = k T 1 2 Tallet 0,693 er en tilnærmet værdi for tallet ln 2, der kaldes den naturlige logaritme til 2. Halveringstiden for Ag er 144 s, så for dette nuklid kan vi 0, udregne henfaldskonstanten til k = s = 0,0048s. Der 144 henfalder altså i middel 0,48% af Ag -kernerne i hvert sekund. At punkterne på grafen ikke ligger præcist på linjen, skyldes henfaldets tilfældige natur. Det er lige som hvis man kaster med mange terninger på en gang. Så sker det kun sjældent, at præcis af terningerne giver en sekser. 1 6 Med kendskab til eksponentialfunktioner kan vi opskrive forskrifter for antallet af kerner og for aktiviteten som funktion af tiden: Nt () = N e kt, hvor N 0 er antallet af kerner til tiden 0 0. og A() t A e kt = 0, hvor A0 k N0 = er aktiviteten til tiden

17 Fusion Vi så i afsnit 4, at der frigives store energimængder ved dannelsen af atomerne ud fra deres byggestene i form af elektroner og især af protoner og neutroner. I Solen sker energiproduktionen ved at hydrogenkerner (H) smelter sammen og danner helium (He). En sammensmeltning af atomkerner kaldes fusion. Ved en fusion omdannes et grundstof til et andet, og fusionsprocesserne danner tungere grundstoffer ud fra de lette. Men der er en øvre grænse omkring grundstoffet jern (Fe), hvorefter almindelig fusion ikke er mulig. Hvordan får vi dannet grundstofferne op til jern, og specielt hvordan få vi så dannet alle dem, der tungere end jern? På Jorden har vi masser af tunge grundstoffer. Hvornår og hvordan er de dannet? Fusion på Solen Kort fortalt dannes kernerne i det indre af stjernerne ved fusion, dvs. sammensmeltning og ved andre processer, når tunge stjerner eksploderer som supernovaer. Solen er en ganske normal stjerne, og gennem sin stråling 26 udsender den hvert sekund energimængden3, J. Al den energi stammer fra fusion af hydrogen til helium, dvs. en sammensmeltning af hydrogenkerner med dannelse af helium som resultat. Processen foregår i Solens midte, hvor temperaturen er over 10 millioner grader. Hydrogenkernerne har ved denne temperatur så stor en energi, at de er i stand til at støde sammen til trods for, at de som positive partikler frastøder hinanden elektrisk. Når de kommer tilstrækkeligt tæt på hinanden, træder den stærke i kraft og holder partiklerne sammen. Reaktionen forløber i flere trin, som alt i alt kan skrives p He+ 2 e+ 2 ν + energi Ved hver fusionsproces frigives der ca. 26 MeV, som i alt væsentligt udstråles i form af lys fra Solens overflade. Neutrinoerne forsvinder i verdensrummet

18 Processen sker i flere trin: To protoner (hydrogenkerner) mødes med stor fart. Så stor, at de positive ladningers frastødning overvindes. Resultatet er en heliumkerne uden neutroner. 1 2 H 2 2 He 1 Den lette heliumisotop helium-2 henfalder til tung hydrogen (deuterium) hydrogen-2. Det sker som et betahenfald ved udsendelse af en positron og en neutrino. Neutrinoen forsvinder ud i verdensrummet. Positronen forsvinder ved et sammenstød med en almindelig elektron inde i Solen under energiudsendelse He H + e 1 + +ν

19 Den tunge hydrogenisotop (deuterium) rammes af en let hydrogenkerne og danner helium H H He To lette heliumkerner støder sammen og danner den almindelige helium-4 isotop. Overskuddet på 2 protoner skydes bort, og de kan indgå i en ny proces. He+ He He+ H H Nettoresultatet hver gang, der produceres en helium-4 kerne H He + 2e 2ν

20 Der er tilstrækkeligt med hydrogen i Solens indre til opretholde fusionsprocessen med den nuværende effekt i milliarder år, hvoraf der hidtil er gået ca 4,5 milliarder år. Når hydrogenet i Solens centrale dele er ved at være opbrugt, vil dette område trække sig sammen på grund af tyngdekraften. Herved stiger temperaturen. Imens fortsætter fusionen i en kugleskal rundt om centrum med forøget hastighed, og Solen begynder at udvide sig. I løbet af ca 100 millioner år når temperaturen i centrum op på 100 millioner grader, og så kan helium fusionere til carbon ved 4 12 processen 3 2He 6C. På dette tidspunkt er Solen blevet så stor, at Jorden er blevet opslugt af den. Ved fusion af helium frigives der ikke nær så meget energi som ved fusion af hydrogen, men processen forløber meget hurtigere, så allerede efter ca. 50 millioner år går heliumfusionen i stå. På dette tidspunkt afstødes Solens yderste lag som en planetarisk tåde, og Solens kerne blottes som en hvid dværgstjerne. Hermed er Solens udvikling stort set slut, idet den hvide dværg gradvist køler af, mens lyset fra den bliver svagere og svagere. I stjerner, der er tungere end Solen, vil temperaturen i de centrale dele blive højere, så fusionsprocesserne kan fortsætte. Således vil der i første omgang blive dannet oxygen ved fusion af helium og carbon. I en stjerne med fx 15 gange så høj masse som Solen vil der efterhånden foregå en række fusionsprocesser i kugleskaller udenom hinanden. På den måde dannes der en række af stadig tungere grundstoffer. Men dette kan kun fortsætte så længe, der frigives energi ved fusionsprocesserne. Dannelsen af de tungere grundstoffer Jern med nukleontallet 56 har den største bindingsenergi pr nukleon af alle nuklider. Så når der i centrum af stjernen er dannet tilstrækkeligt med jern, så går fusionsprocessen i stjernens centrum endegyldigt i stå. Det fører til, at stjernens kerne kollapser på grund af tyngden af de overliggende lag

21 Resultatet bliver en voldsom eksplosion, hvorved det meste af stoffet i stjernen spredes i rummet. Under eksplosionen frigives der store mængder af neutroner, som indfanges af kernerne. Herved dannes de lette kerner, som ikke dannes ved fusionsprocesserne. Desuden dannes alle de kerner, hvis nukleontal er større end 56. Lad os se på jern med nukleontallet 56, dvs 56 26Fe, som eksempel. Når denne kerne indfanger en neutron, omdannes den til 57 26Fe, altså en ny jernisotop: Fe + 0n 26Fe Også den nydannede kerne indfanger måske en neutron: Fe + 0n 26Fe På denne måde dannes jern-57 og jern-58, der begge forekommer på Jorden. Ved endnu en indfangning dannes der 59 26Fe. Men denne kerne er ustabil og henfalder til Co ved et β -henfald: Fe 27Co + 1e + ν Herved er der blevet dannet grundstoffet cobolt, som ikke kan dannes ved fusion. Coboltkernen Co kan igen indfange en neutron og danne 27 Co, som enten henfalder til nikkel eller indfanger endnu en neutron osv. Hver gang der indfanges en neutron, stiger nukleontallet med 1. Og for hvert β -henfald stiger atomnummeret med 1. Hvis en urankerne U er dannet på denne måde af en jernkerne 26 Fe, så er der undervejs blevet indfanget = 182 neutroner, og der er foregået = 66 β -henfald. Alle kerner med et nukleontal, der er større end 56, er dannet under supernovaeksplosioner. Det gælder alt det guld, sølv og kobber, som findes på Jorden. Man har i mange år arbejdet ihærdigt på at eftergøre Solens fusionsprocesser. Det er særdeles vanskeligt på grund af de ekstremt høje temperaturer, en sådan proces kræver. Hidtil er det kun lykkedes at gøre det i form af en brintbombeeksplosion, første gang af USA i Hvis det lykkes at få processen under kontrol, vil man have en i praksis uudtømmelig energikilde, som hvad affald angår ikke er helt så problematisk som sædvanlig kernekraft. Desuden er der kun små mængder brændsel til stede ad gangen, så en eventuel fusionsreaktor har ikke mulighed for at løbe løbsk. Det indre af JET (Joint European Torus), en forskningsreaktor for fusion i Culham, England

22 Anvendelse af radioaktiv stråling På Moesgård Museum er Grauballemanden udstillet. Han hævdes at være død mellem 200 og 300 f.kr. Hvordan kan man vide det? Grauballemanden En af de måder, som arkæologer og historikere benytter til alders-bestemmelse af rester fra fortiden, baserer sig på henfaldet af carbon-isotopen C-14, der er β-radioaktiv med halveringstiden 5730 år. Da halveringstiden er så kort, kan den mængde C-14, der findes på Jorden, ikke være resten af en oprindelig mængde. C-14 er heller ikke medlem af nogen radioaktiv familie, så det kan undre, at nuklidet overhovedet forekommer på Jorden. Forklaringen er, at C-14 til stadighed dannes i de øvre dele af atmosfæren ved reaktioner mellem nitrogenisotopen N-14 og neutroner, der dannes i atmosfæren af den kosmiske stråling. Den kosmiske stråling består af forskellige energirige partikler og stammer i alt væsentligt fra Mælkevejen. Dannelsen sker ved processen 7N+ 0n 6C+ 1p, og der dannes ca. 6 kg C-14 årligt. Så længe den kosmiske stråling er konstant, dannes C-14 i jævn hastighed. Resultatet er, at C-14 udgør en konstant brøkdel at det carbon, der findes i atmosfæren. Det meste carbon i atmosfæren findes i form af carbondioxid CO 2. Dette stof optages af grønne planter under fotosyntesen, så i nydannet organisk stof i planterne udgør C-14 en bestemt brøkdel af alt carbon. Fra planterne spredes dette til alle levende organismer, og C-14-indholdet opretholdes ved organismernes stofskifte i hele deres levetid. Men fra den dag, en organisme dør, ophører dens stofskifte, og så aftager indholdet af C-14 i takt med henfaldet. Efter 5730 år er det oprindelige indhold således halveret. Da de øvrige carbonisotoper C-12 og C-13 ikke er radioaktive, aftager indholdet af disse isotoper ikke. Derfor vil C-14 andelen af alt carbon aftage i tidens løb. Når arkæologer gerne vil bestemme, hvor gammelt fx et moselig er, så måler de hvor stor en brøkdel, mængden af C-14 udgør i forhold til C-12 i moseliget. Ved at sammenligne dette forhold med det tilsvarende forhold for atmosfærens carbon, kan alderen

23 bestemmes. Metoden blev oprindelig udviklet af den amerikanske fysiker W.F. Libby i 1947 og kan anvendes på genstande, der er op til ca år gamle. Ved ældre genstande er der for lidt C-14 tilbage til, at indholdet kan bestemmes tilstrækkeligt præcist, men så kan andre isotoper benyttes. Det viste sig hurtigt efter indførelsen af metoden, at hvis en genstand var mere end et par tusinde år gammel, så fik man ikke samme alder ved C-14 metoden som ved historiske dateringer. Nogle af disse dateringer, fx dødsåret for en ægyptisk farao, er meget sikre, derfor måtte C-14-alderen være forkert. Årsagen til disse fejl er, at dannelsen af C-14 i atmosfæren ikke har været helt konstant i tidens løb. Det ved man ud fra målinger på træ, hvis alder man kender fra årringstællinger. Den vigtigste træart til dette er børstekoglefyrren, som vokser i White Mountains i Californien. En børstekoglefyr kan blive meget gammel, op til 4000 år. Klimaet i White Mountains er desuden så tørt, at der findes velbevaret træ med en alder på op til år. Så ved børstekoglefyrrens hjælp er C-14 metoden pålidelig indtil år tilbage i tiden. Fra til år tilbage kan korrektioner bestemmes ud fra målinger på koraller, dog er disse korrektioner ikke så præcise. Længere tilbage endnu kendes ingen korrektionsmetode. Søgning af lækager Anvendelse af isotoper spiller en stor rolle i mange forskellige anvendelser. I mange badeværelser er der gulvvarme, - behageligt så længe anlægget er tæt. Hvis der går hul på rørene, kan man finde hullet uden at brække hele gulvet op ved hjælp af en radioaktiv isotop. Man tilsætter vandet lidt af en passende isotop, fx Br-82, og lader vandet løbe et stykke tid. Herved trænger lidt af isotopen ud ved hullet. Når systemet er skyllet igennem med rent vand, kan hullet findes ved at lede efter stråling med en detektor

24 Fission Spaltning af en tung kerne kaldes en fission. Ved en fission deles den tunge kerne i to nye kerner, som kaldes fissionsfragmenter. En fission sættes i gang ved at den tunge kerne indfanger en neutron. Ved fissionen frigives der 2-3 nye neutroner, som hver for sig kan sætte nye fissioner i gang. Ved hver af disse frigives der 2-3 neutroner, osv., så antallet af reaktioner vokser i tidens løb. En sådan proces kaldes en kædereaktion. Ved kædereaktionen vokser antallet af fissioner eksponentielt fra generation til generation. Da hver enkelt fissionsproces kun varer ca s, vil processen udvikle sig som en eksplosion. Kun ganske få nuklider er egnede til fission. Blandt de naturligt forekommende er det kun U-235. Fissionen starter med, at en neutron indfanges i U-235 kernen, så der dannes U-236: U n U Den nydannede kerne spaltes fx som U Ba Kr 3 n eller U Xe Sr 2 n Det kan ske på utallige andre måder, således er der 5 forskellige iodisotoper blandt de hyppigt forekommende fissionsfragmenter. Ved hjælp af atommasserne kan man beregne, at energifrigivelsen pr. fission er ca. 200MeV

25 Da der ved en kemisk reaktion mellem to molekyler typisk frigives en energimængde af størelsesordenen 10 ev, så svarer en enkelt fission energimæssigt set rundt regnet til 20 millioner kemiske reaktioner. Det betyder, at knap 3 kg U-235 indeholder energi nok til at drive et kraftværk med en elektrisk effekt på 1000MW i et døgn. Et kulkraftværk med samme effekt skal afbrænde næsten 9000 tons kul i samme tidsrum. Kritisk masse, berigning Af beskrivelsen af en kædereaktion kunne man måske tro, at en sådan altid løber løbsk. Det er heldigvis ikke tilfældet. Hvis uranklumpen er for lille, vil der undslippe så mange neutroner, at processen går i stå. Den mindste masse, hvor en kædereaktion netop kan opretholdes, kaldes den kritiske masse, og den er for U-235 ca. 15 kg. Naturligt forekommende uran indeholder kun ca 0,7% U-235, mens de resterende 99,3% er U-238. Dette indhold af U-235 er for lidt til at opretholde en kædereaktion. Derfor skal uranet beriges, så det indeholder 2-3 % U-235, før det er egnet som energikilde i et kernekraftværk. At kædereaktionen går i stå i naturligt uran, skyldes blandt andet, at også U-238 indfanger neutroner, selv om tilbøjeligheden hertil er væsentlig mindre end for U-235. Ved neutronindfangning i U-238 dannes der U-239, som stort set ikke fissionerer, men som i stedet β - -henfalder. Herved dannes der Np-239, altså en isotop af grundstof nr 93 neptunium, som ikke forekommer naturligt på Jorden. Np-239 henfalder også ved et β - -henfald, hvorved der dannes plutoniumisotopen Pu-239, som er lige så velegnet til fission som U-235. I lighed med neptunium og alle andre grundstoffer med atomnummer større end 92 forekommer plutonium ikke naturligt på Jorden. Efter nogen tids drift vil der altid findes plutonium i brændslet i en atomreaktor. Plutonium er et andet grundstof end uran og har andre kemiske egenskaber. Det er derfor ret enkelt at fremstille det ud fra brugt reaktorbrændsel. Da det er velegnet til fremstilling af kernevåben, findes her en af de vigtigste årsager til, at driften af atomreaktorer gang på gang skaber internationale politiske kriser. For hvis et land ikke vil tillade andre at besøge sine reaktoranlæg, kunne det være fordi landet i hemmelighed er i færd med at skaffe sig kernevåben

26 De gentagne kriser mellem Nordkorea og det meste af resten af Verden skyldes sådanne forhold. Foruden at kunne anvendes til fremstilling af kernevåben - og til reaktorbrændsel - har plutonium andre kedelige egenskaber. Det er det giftigste af alle grundstoffer, desuden er det er α- radioaktivt. Ganske små mængder plutoniumstøv, der indåndes og sætter sig fast i lungerne, vil på grund af α-strålingen udgøre en stor risiko for, at den ramte person udvikler lungekræft. Det er derfor vigtigt, at stoffet håndteres med overordentlig stor omhu, så det hverken kommer i gale hænder, eller slipper ud som forurening. Opdagelsen af fission Efter neutronens opdagelse i 1932 undersøgte man, hvad der skete, når forskellige nuklider bestråles med neutroner. Ved neutronbestråling dannes der nye nuklider, fordi neutronen som en neutral partikel let kan trænge ind i en atomkerne og blive optaget i den. Den italienske fysiker Enrico Fermi var gået i gang med at undersøge, hvad der sker, når uran betråles med neutroner. Han fandt ud af, at der dannes nye grundstoffer, men han kunne ikke finde ud af, hvilke det var. Dog var han sikker på, at det var stoffer tæt ved uran i det periodiske system. Selv om man allerede i 1935 var klar over, at bindingsenergien pr nukleon er størst ved de middeltunge kerner, fik hverken Fermi eller andre fik den idé, at uranatomerne måske spaltedes i store stykker. Også på Kaiser Wilhelm instituttet i Berlin arbejdede man med disse problemer, arbejdet blev udført af den østrigske fysiker Lise Meitner i samarbejde med kemikeren Otto Hahn. I 1938 overtog Hitler magten i Østrig, og så måtte Lise Meitner flygte, da hun som østrigsk jøde ikke længere var sikker i Tyskland. Hun slog sig ned i Sverige, hvor hun i julen 1938 fik besøg af sin nevø, Otto Robert Frisch, der også var fysiker og arbejdede på Niels Bohr instituttet i København. Lise Meitner havde netop da modtaget et brev fra Otto Hahn med oplysninger, som undrede hende meget. Hahn havde ved en kemisk analyse fundet grundstoffet barium efter neutronbestråling af uran. Problemet hermed var, at nukleontallet for barium er ca. 100 mindre end for uran, derfor kan barium ikke dannes ved almindelige radioaktive henfald. Og Lise Meitner vidste, at Otto Hahn var en meget dygtig kemiker, så hun var sikker på, at når Hahn hævdede at have fundet barium efter neutronbestrålingen, så var der barium Lise Meitner

27 til stede, selv om alle "vidste", at det ikke kunne passe. Lise Meitner viste brevet til Otto Frisch, som heller ikke kunne forstå Hahns resultat. Men på ski- og gåtur i en skov ved Kungälv fik de ideen. Hvis man forestillede sig, at urankernen gik nogenlunde midt over, så kunne det ene stykke faktisk godt være barium. De to - tanten og nevøen - satte sig på en træstamme og regnede på atomnumre og kernemasser. Ikke alene var en sådan proces mulig, der ville endda blive et betragteligt energioverskud ved processen, mange tusinde gange mere end det er tilfældet ved kemiske processer. Efter jul rejste Frisch tilbage til København og fortalte Niels Bohr om deres tanker. Frisch har siden berettet, at efter få minutter slog Bohr sig for panden og udbrød: "Sikke nogle idioter vi har været allesammen. Men dette her er jo vidunderligt. Det er netop sådan, det må være. Har De og Lise Meitner skrevet en afhandling om det?" Afhandlingen kom i februar 1939 som "Letter to the Editor" i tidsskriftet Nature. Frisch sammenlignede spaltningen af atomkernen med den biologiske celles deling og kaldte processen for en fission. Kernekraftværk Et kernekraftværk er i store træk opbygget således: Selve reaktoren er en stålbeholder, der er et par meter i diameter og ca. 8 m høj. Uranbrændslet findes i lange rør, der kaldes brændselsstave, som igen er samlet i bundter, de såkaldte brændselselementer. Omkring reaktorkernen cirkulerer der vand, som bliver varmet op til ca. 300 o C af fissionsprocesserne. I den mest almindelige reaktortype holdes trykket på ca. 150 atmosfærer, hvorved vandet forhindres i at koge. Vandstrømmen gennem reaktorkernen kaldes det primære kredsløb. Det varme vand fra reaktoren sendes gennem en dampgenerator, hvor vand i det sekundære kredsløb bringes til at koge, så der udvikles varm damp. Denne damp driver turbinerne, som trækker den generator, der laver den elektriske strøm. Efter at dampen har forladt turbinen, fortættes den til vand og kan så sendes gennem dampgeneratoren igen. Ved fortætningen af vanddampen frigives meget varme, som enten kan udnyttes til opvarmning eller må udledes i omgivelserne. Reaktortanken uden låg set ovenfra gennem 6 m vand under udskiftning af brændselselementer

28 Den del af energien fra fissionsprocessen, der kan udnyttes og sendes ud i elnettet ligger omkring 30%. Det forholdsvis lave udbytte skyldes, at temperaturen af dampen kun bliver ca 300 o C. Vandet i det primære kredsløb tjener endnu et formål foruden som energitransportør. Neutronerne fra fissionen skal bremses op, ellers bliver der indfanget så mange af dem i U-238, at kædereaktionen går i stå. Ved et sammenstød mellem en neutron og en proton mister neutronen i gennemsnit halvdelen af sin energi. Da en proton er det samme som en hydrogenkerne, indeholder vand mange protoner, derfor er det et velegnet materiale til opbremsning af neutroner. Man siger, at vandet fungerer som moderator. Da hydrogenet i vand har en vis sandsynlighed for at indfange neutroner, skal det naturlige uran beriges, for at kædereaktionen kan opretholdes. Men hvorfor løber kædereaktionen nu ikke løbsk og forvandler kraftværket til en bombe? Kædereaktionen styres ved hjælp af kontrolstænger, som kan skydes ind mellem brændselselementerne. Kontrolstængerne er lavet af et materiale, der effektivt indfanger neutroner. Metallet cadmium er velegnet hertil. Ved hjælp af kontrolstængerne kan kædereaktionen styres og holdes på et passende konstant niveau. Skydes stængerne helt ind, går kædereaktionen i stå, og energiproduktionen ophører. Men ikke hele energiproduktionen kan reguleres på denne måde, for i brændslet vil der efter nogen tids brug have ophobet sig en vis mængde fissionsfragmenter. Disse ligger langt fra stabilitetsområdet på kernekortet og er derfor radioaktive i flere led efter hinanden. Omkring 5% af den totale effekt i en reaktor under normal drift stammer herfra. Det svarer nogenlunde til en mellemstor enhed på et konventionelt kraftværk. Der er mange sikkerhedsforanstaltninger i et kernekraftværk. Fx er der separate reservekredsløb, så man ikke risikerer at stå uden vand. Hvor galt, det kan gå, hvis det sker, oplevede man på et amerikansk anlæg på Three Mile Island i Pensylvania i Pumpen i sekundærkredsløbet satte ud på grund af en banal mekanisk fejl. Kontrolstængerne blev automatisk skubbet helt ind, så kædereaktionen blev standset - det varede kun få sekunder. Pumpen i hjælpesystemet startede som den skulle, men desværre havde en tekniker glemt at åbne for ventilen til pumpen, da han havde foretaget et planmæssigt eftersyn af den