Et av de store sp?rsm?lene i menneskehetens historie er hva materie er bygd opp av. For mer enn to tusen ?r siden lanserte den greske filosofen Demokrit (460 til 370 f.Kr.) atomteorien. Han mente alt kunne deles inn i mindre biter inntil man n?dde en nedre grense og kalte den minste biten for et atom.
F?rst p? 1700- og 1800-tallet fikk vitenskapen en st?rre forst?else av materiens fascinerende verden.
– Kjemikerne skj?nte at de ulike grunnstoffene kunne settes sammen og bli til noe annet, slik som at hydrogen og oksygen blir til vann og at natrium og klor blir til salt, forteller professor i kjernefysikk Andreas G?rgen p? Fysisk institutt ved UiO.
Kjemikerne oppdaget at noen grunnstoffer hadde felles egenskaper og reagerte likt med andre grunnstoffer. Alle disse egenskapene ble oppdaget gjennom kjemiske eksperimenter.
Opphavsmannen til det periodiske systemet, den russiske kjemikeren Dmitrij Mendelejev (1834–1907), organiserte grunnstoffene systematisk. Den gangen kjente kjemikerne til 63 grunnstoffer. Takket v?re den systematiske oversikten, kunne Mendelejev forutsi en rekke ukjente grunnstoffer.
– I dag kjenner vi til 118 grunnstoffer.
Uran, grunnstoff nummer 92, er det tyngste grunnstoffet som finnes naturlig p? Jorda. Alle de andre grunnstoffene som er tyngre enn uran, er menneskeskapte.
– Akkurat som kjemikere kan sette sammen molekyler med ulike atomer, kan vi kjernefysikere bygge opp atomkjerner med element?re byggesteiner, forteller Andreas G?rgen.
For ? kunne forst? hvordan atomene er bygd opp, er fysikerne n?dt til ? studere kjernereaksjoner.
– Ved ? se p? de ustabile stoffene og hvordan de endrer seg, kan vi forst? strukturen i grunnstoffer.
Vitenskapshistorien
La oss f?rst ta et historisk overblikk.
Da den franske fysikeren Henri Becquerel (1852–1908) jobbet med uran-forbindelser, oppdaget han radioaktivitet.
– Selv om Becquerel fikk ?ren av oppdagelsen, skj?nte han ikke mye av hva det var.
Den f?rste som avsl?rte radioaktiviteten, var den polskf?dte fysikeren Marie Curie (1867–1934), for ?vrig den eneste som er blitt tildelt nobelprisen i b?de fysikk og kjemi. Hun slo fast at str?lingen skyldtes en egenskap ved uran-atomet.
– Frem til da tenkte man at atomet var den minste byggesteinen. Hvis det kom str?ling fra atomet, kunne ikke atomet v?re den minste byggesteinen. Atomet m?tte ha en indre struktur.
Etter at radioaktiviteten ble oppdaget, begynte forskerne ? forst? hvordan grunnstoffene er satt sammen.
Marie Curie oppdaget ogs? stoffer som sendte ut mye mer str?ling enn det som kunne komme fra uran. Det m?tte derfor finnes andre radioaktive stoffer enn uran. Hun oppdaget polonium, oppkalt etter hjemlandet hennes, Polen, og radium, oppkalt etter ordet radius, som betyr str?le p? latin.
Tre typer str?ling
En annen viktig og banebrytende vitenskapsmann er den britiske fysikeren Ernest Rutherford (1871–1937). Han regnes som grunnleggeren av den eksperimentelle kjernefysikken.
Takket v?re fors?kene hans kunne han sl? fast at det finnes tre ulike typer str?ling. Han d?pte dem for alfa, beta og gamma, oppkalt etter de tre f?rste bokstavene i det greske alfabetet. Alfa-str?ler n?r ikke langt. De stoppes opp av noe s? tynt som papir. Beta-str?ler stoppes opp av tynne aluminiumsplater, mens gamma-str?ler trenger igjennom det meste. De kan stanses av tykke blyvegger.
Da Rutherford studerte hvordan str?lene passerte elektromagnetiske felt, oppdaget han at alfa-og beta-str?ler ble avb?yd i hver sin retning. P? den m?ten kunne han sl? fast at beta-str?ler var negativt ladet, mens alfa-str?ler var positivt ladet.
– I dag vet vi at alfa-str?ler er atomkjerner til helium, at beta-str?ler er elektroner og at gamma-str?ling er elektromagnetiske b?lger med h?y energi, forteller Andreas G?rgen.
Radioaktivitet var den gangen et nytt fenomen. – Samtiden trodde p? radioaktiviteten. Mange tenkte det var sunt.
Folk kj?pte radioaktiv hudkrem og tannkrem med radioaktivitet. Radioaktivt vann skulle v?re bra for helsen. Noen mente dessuten at radioaktivitet hjalp mot kreft, diabetes og tuberkulose.
– Kvakksalveriet varte i noen ?r, f?r folk skj?nte at dette ikke var s? lurt likevel. En fyr var s? overbevist om at radioaktivitet var bra for helsen, at han drakk radioaktivt vann helt til underkjeven hans falt ut.
Atom-modellene
I 1911 kom Rutherfords atommodell. Rutherford slo fast at mesteparten av atommassen er i sentrum av atomet og at elektronene befinner seg i en enorm avstand til atomkjernen. Atomkjernen er positivt ladet, mens elektronene er negativt ladete.
Det er elektronene i baner rundt kjernen som bestemmer de kjemiske egenskapene til et atom.
I 1913 lanserte den danske fysikeren Niels Bohr atommodellen sin.
Han slo fast at elektronene i atomer bare kunne bevege seg i bestemte baner med en viss energi.
Du m? for all del ikke sammenligne elektronbaner med planetbanene rundt solen. Planetene har ingen begrensninger p? hvilke baner de kan f?lge. Slik er det ikke i den kvantefysiske verden.
– Elektronene m? f?lge helt bestemte baner. Denne egenskapen er ikke mulig ? forst? ut ifra klassisk fysikk. Dette ble begynnelsen p? kvantefysikken.
Partiklene i atomer
N? gikk vitenskapen fremover med stormskritt. Den britiske kjemikeren og fysikeren Francis William Aston (1877–1945) klarte ? m?le massen til atomer med h?y presisjon. Det var da han oppdaget at atomer til det samme grunnstoffet kunne ha ulik masse. Neon er et fint eksempel. Hvis vi bruker massen til hydrogen, det letteste grunnstoffet, som én enhet, har de fleste neon-atomene masse 20, mens en del har masse 22 og noen f? har masse 21.
Dette kunne forklares ved at det finnes to ulike byggesteiner i atomkjerner: protoner med positiv elektrisk ladning og n?ytroner uten ladning. Elektrisk n?ytrale atomer har like mange protoner som elektroner.
La oss fortsette med neon som eksempel. Neon er det tiende grunnstoffet i det periodiske systemet.
– Et grunnstoff er definert av antall protoner i kjernen. Atomkjernen til neon har derfor alltid ti protoner. Det betyr at antall n?ytroner i neon kan variere mellom 10, 11 og 12. Variasjonene av det samme grunnstoffet kalles for isotoper.
– Det er umulig ? skille isotoper med kjemiske eksperimenter.
Fellesnavnet for isotopene til alle grunnstoffene kalles for nuklider. ?n nuklide er alts? ett atom med et gitt antall protoner og n?ytroner i kjernen.
For ? lage moderne kreftmedisiner, forst? hvordan grunnstoffene er dannet i universet og for ? kunne forst? hvordan kjernekraft fungerer, er det viktig ? kunne skille mellom de ulike nuklidene og hvordan de kan omdannes til andre nuklider.
Kjernefysikerne kjenner i dag til 3000 nuklider. Brorparten av dem er radioaktive. Bare 284 er stabile.
Ustabile nuklider er radioaktive. Det betyr at de etter hvert, og helt spontant, omdannes til andre nuklider. Kjernefysikerne har et eget begrep for dette. De bruker begrepet ? henfalle til noe annet.
Noen av de radioaktive nuklidene finnes naturlig rundt oss. De fleste lages i kjernefysiske laboratorier.
Kjernefysikerne har en egen oversikt over egenskapene til alle nuklidene. De er samlet i et nuklidekart. Dette er bibelen for kjernefysikere.
En av de viktige egenskapene til radioaktive nuklider er halveringstiden. Det er den tiden det tar f?r halvparten av nukliden har henfalt til noe annet. Noen ganger er halveringstiden s? kort som millisekunder. Andre ganger kan det v?re snakk om flere milliarder ?r. I nuklidekartet f?r kjernefysikerne en grei og lettfattelig oversikt b?de over halveringstiden og hva slags str?ling det er snakk om n?r en nuklide henfaller til en annen nuklide.
De ulike kreftene
N? begynner det ? bli morsomt. Jeg lover! For ? skj?nne kjernefysikk m? du forholde deg til mer enn gravitasjonskraften (som s?rger for at masse tiltrekker seg masse) og elektromagnetismen (som s?rger for at elementer med like ladninger frast?ter hverandre og at elementer med motsatte ladninger tiltrekker hverandre). Begge disse kreftene virker p? lang avstand.
Hvis disse to kreftene var de eneste som fantes i universet, ville protonene i atomkjernen – og du husker vel at protoner er positivt ladde partikler? – bli skj?vet fra hverandre. Da hadde alt rundt oss brutt sammen. Takk og lov finnes det enda en sv?rt viktig kraft som holder det hele samlet. Den kalles den sterke kjernekraften.
– Selv om den sterke kjernekraften er den sterkeste kraften vi har, n?r den ikke langt.
Rekkevidden er utrolig nok bare lengden av et proton eller et n?ytron.
Hvis et n?ytron kommer n?r nok atomkjernen, vil det bli fanget inn av den sterke kjernekraften.
Det krever derimot mer energi ? dytte et proton inn i atomkjernen. Den elektromagnetiske kraften presser protonet vekk. Hvis protonet derimot sendes inn med h?y nok hastighet, vil det klare ? passere barrieren.
– Da vil den sterke kjernekraften overvinne den elektromagnetiske kraften og s?rge for at protonet blir fanget inn i atomkjernen.
Dette er forklaringen p? at kjernefysikere bygger partikkel-akseleratorer. Her kan de akselerere opp farten p? protoner og n?ytroner slik at de f?r h?y nok hastighet til ? overvinne den elektromagnetiske kraften og bli fanget inn av atomkjernen.
Einsteins energilov
For ? beregne hvor mye energi som kreves eller frigj?res n?r en nuklide henfaller til en annen nuklide, m? kjernefysikerne forholde seg til den ber?mte formelen til Einstein som gir en klar sammenheng mellom masse og energi. Hvis en nuklide mister masse, dannes det energi. Og omvendt.
Det er faktisk mulig ? skape enorme mengder energi ved ? smelte sammen to lette atomkjerner. Denne sammensmeltingen kalles for fusjon. Det er ogs? mulig ? skape energi ved ? dele opp tunge atomkjerner i to lettere atomer. Denne oppsplittingen kalles for fisjon.
Det er nettopp oppdagelsen av fisjon og fusjon som har gjort det mulig for menneskeheten ? forst? hvordan de lette grunnstoffene forbrennes i solen og hva som skal til for ? hente ut energi fra kjernefysiske reaksjoner. Den nye kunnskapen har ogs? v?rt sv?rt viktig for ? kunne lage moderne kreftmedisin.