Samantekt

21.1 Bygging og stöðugleiki kjarna

Atómkjarni samanstendur af róteindum og nifteindum, sem kallast einu nafni kjarneindir. Þótt róteindir hrindi hver annarri frá sér helst kjarninn þétt saman vegna skammdrægs en mjög öflugs krafts sem kallast sterki kjarnakrafturinn. Kjarni hefur minni massa en heildarmassi kjarneindanna sem hann er gerður úr. Þessi „vantaði“ massi er massarýrnun og hefur breyst í bindiorkuna sem heldur kjarnanum saman samkvæmt jöfnu Einsteins um jafngildi massa og orku, E = mc². Af þeim fjölmörgu kjarntegundum sem eru til er aðeins lítill hluti stöðugur. Kjarntegundir með jafnan fjölda róteinda eða nifteinda, eða með töfratölur kjarneinda, eru sérstaklega líklegar til að vera stöðugar. Þessar stöðugu kjarntegundir mynda mjótt stöðugleikabelti á línuriti yfir fjölda róteinda á móti fjölda nifteinda. Bindiorka á kjarneind er mest hjá frumefnum með massatölu nálægt 56; þetta eru stöðugustu kjarnarnir.

21.2 Kjarnajöfnur

Kjarnar geta gengið í gegnum hvörf sem breyta fjölda róteinda, fjölda nifteinda eða orkuástandi þeirra. Margar mismunandi eindir geta tekið þátt í kjarnahvörfum. Algengastar eru róteindir, nifteindir, jáeindir (jákvætt hlaðnar rafeindir), alfaeindir (α, orkuríkir helíumkjarnar), betaeindir (β, orkuríkar rafeindir) og gammageislar (γ, orkurík rafsegulgeislun). Líkt og efnahvörf eru kjarnahvörf alltaf stillt. Þegar kjarnahvarf á sér stað haldast massatala og heildarhleðsla óbreytt.

21.3 Geislavirk hrörnun

Kjarnar með óstöðugt hlutfall nifteinda og róteinda (n:p) ganga í gegnum sjálfkrafa geislavirka hrörnun. Algengustu tegundir geislavirkni eru α-hrörnun, β-hrörnun, γ-útgeislun, jáeindageislun og rafeindaföngun. Kjarnahvörf fela einnig oft í sér γ-geisla og sumir kjarnar hrörna með rafeindaföngun. Hver þessara hrörnunarleiða myndar nýjan kjarna með stöðugra n:p-hlutfalli. Sum efni ganga í gegnum geislavirka hrörnunarröð og verða fyrir mörgum hrörnunum áður en þau enda sem stöðug samsæta. Öll kjarnahrörnunarferli fylgja fyrsta stigs hvarfhraðafræði og hver geislasamsæta hefur sinn einkennandi helmingunartíma, þann tíma sem þarf til að helmingur atómanna í sýninu hrörni. Vegna mikils munar á stöðugleika kjarntegunda spannar helmingunartími geislavirkra efna mjög breitt bil. Mörg þessara efna nýtast við sjúkdómsgreiningu og læknismeðferð, aldursgreiningu fornleifa og jarðfræðilegra sýna og margt fleira.

21.4 Kjarnabreytingar og kjarnorka

Hægt er að framleiða ný atóm með því að skjóta kjörnum eða hraðfleygum eindum á önnur atóm. Afurðir slíkra kjarnabreytingarhvarfa geta verið stöðugar eða geislavirkar. Fjöldi manngerðra frumefna, þar á meðal teknetín, astat og transúranfrumefni, hefur verið framleiddur á þennan hátt.

Kjarnorka og sprengingar kjarnorkuvopna geta orðið til með kjarnaklofnun, það er hvörfum þar sem þungum kjarna er klofið í tvo eða fleiri léttari kjarna og nokkrar nifteindir. Þar sem nifteindirnar geta komið af stað frekari klofnunarhvörfum þegar þær rekast á aðra þunga kjarna getur keðjuverkun orðið. Nýtanleg orka fæst ef klofnunarferlið fer fram í kjarnaofni. Umbreyting léttra kjarna í þyngri kjarna, kjarnasamruni, framleiðir einnig orku. Enn sem komið er hefur ekki tekist að innhólfa þessa orku nægilega vel og hún er of dýr til að vera raunhæf til raforkuframleiðslu í atvinnuskyni.

21.5 Notkun geislasamsæta

Efnasambönd sem kallast geislavirk ferilefni geta nýst til að fylgjast með hvörfum, rekja dreifingu efna, greina og meðhöndla sjúkdóma og margt fleira. Önnur geislavirk efni koma að gagni við meindýraeyðingu, myndgreiningu bygginga, brunaviðvaranir og í mörgum öðrum tilgangi. Hundruð milljóna kjarnalæknisfræðilegra rannsókna og aðgerða, þar sem notaðar eru fjölbreyttar geislasamsætur með tiltölulega stuttan helmingunartíma, eru framkvæmdar ár hvert í Bandaríkjunum. Flestar þessara geislasamsætna hafa tiltölulega stuttan helmingunartíma og sumar eru svo skammlífar að framleiða þarf þær á staðnum á heilbrigðisstofnunum. Geislameðferð nýtir orkuríka geislun til að drepa krabbameinsfrumur með því að skemma DNA þeirra. Geislunin sem notuð er í þessari meðferð getur komið utan frá eða innan úr líkamanum.

21.6 Líffræðileg áhrif geislunar

Við verðum stöðugt fyrir geislun frá ýmsum náttúrulegum og manngerðum uppsprettum. Þessi geislun getur haft áhrif á lifandi lífverur. Jónandi geislun er skaðlegust þar sem hún getur jónað sameindir eða rofið efnatengi. Það skemmir sameindirnar og veldur truflunum í frumuferlum. Hún getur einnig myndað hvarfgjörn hýdroxýlsindurefni sem skemma líffræðilegar sameindir og raska lífeðlisfræðilegum ferlum. Geislun getur valdið líkamsfrumuskemmdum eða erfðaskemmdum og er skaðlegust frumum sem fjölga sér hratt. Tegundir geislunar eru ólíkar hvað varðar getu til að smjúga í gegnum efni og skemma vefi. Alfaeindir smjúga minnst en geta valdið mestum skaða, en gammageislar smjúga mest.

Ýmis tæki, þar á meðal Geiger-teljarar, sindurteljarar og geislamælar, eru notuð til að greina og mæla geislun og til að vakta geislaálag. Við notum nokkrar mælieiningar til að mæla geislun: becquerel eða curie fyrir hraða geislavirkrar hrörnunar, gray eða rad fyrir gleypta orku og rem eða sívert fyrir líffræðileg áhrif geislunar. Geislaálag getur valdið margvíslegum heilsufarsáhrifum, frá vægum áhrifum til alvarlegra, þar með talið dauða. Hægt er að lágmarka áhrif geislunar með hlífum úr þéttum efnum eins og blýi, með því að fjarlægjast geislagjafann og með því að takmarka tímann sem dvalið er í geisluninni.