Redan #1898 # hade Rutherford upptäckt att en del av strålningen från uran stoppades av en bit papper, medan resten hade mycket större genomträngningsförmåga. Han döpte dessa båda olika komponenter av strålningen till α- och β-strålning. Några år senare upptäcktes ytterligare en typ av strålning som var ännu mer genomträngande än β-strålningen. Den fick namnet γ-strålning. Se figur #11.7. # Vid naturlig radioaktivitet omvandlas en atomkärna spontant, utan yttre påverkan. Radioaktivitet kräver alltså att massenergin för den ursprungliga kärnan är större än massenergin för restprodukterna.

#11.7# Exempel på de olika stråltypernas genomträngnings­förmåga.

En radioaktiv kärna av ett grundämne X skickar ut en alfapartikel och omvandlas till en kärna av ett grundämne Y. Alfapartikeln är en heliumkärna, MATHsfie #8# H #9# B #2# I. Vi beskriver reaktionen på följande sätt:

MATHkjxgbeY #4# Mc

När en atomkärna sänder ut en alfapartikel, sjunker protontalet med två enheter och masstalet med fyra enheter. Se figur #11.8. # Andra exempel på alfastrålning är

MATHsaJHp #4# eakt

#11.8# Alfastrålning

Den ursprungliga kärnan kallas moderkärna och kärnan som den sönder­faller till kallas dotterkärna.

Det kallas för transmutation när ett ämne omvandlas till ett annat genom radioaktivt sönderfall.

#11.10#

En radioaktiv kärna av ett grundämne X skickar ut en elektron och omvandlas till en kärna av ett annat grundämne Y. Från början beskrev fysikerna reaktionen på följande sätt:

MATHEO #6# SNhlEDl

Lägg märke till sättet att beteckna elektronen. Talet #0 v# isar att elektronen inte är en nukleon, och talet #-1 v# isar att laddningen är en negativ elementarladdning.

Ursprungligen ansåg fysikerna att betastrålningen bara innehöll elektroner. Till exempel skulle en reaktion kunna se ut så här:

MATHN #9# jxQ #5# YZ #28#

Här borde elektronen komma ut med samma kinetiska energi, från alla MATHSQtTx #3# iqzn #-k# ärnor. Man beräknade energin till #2,50 \cdot 10^{-14} # J. Men mät­ningar visade att elektronerna kom ut med en energi som varierade mellan #0 # och #2,50 \cdot 10^{-14} # J. Se figur #11.11. # Det kunde se ut som om totalenergin inte bevarades vid betastrålning.

#11.11#

Lösningen kom med en märklig partikel som heter antineutrino, MATH #6x# qqZbNHg #6. # Den saknar laddning och har nästan ingen massa. Antineutrinon är därför mycket svår att påvisa. Tillsammans för elektronen och antineutrinon med sig energin #2,50 \cdot 10^{-14} # J vid varje omvandling av MATHSQtTx #3# iqzn #-k# ärnor. Det som varierar, är det sätt på vilket de två partiklarna fördelar energin. Om elektronen tar liten kinetisk energi, så får antineutrinon stor energi, och tvärt om. Antineutrinon påvisades första gången år #1956.#

Elektronerna i betastrålning kommer från atomkärnorna, men kärn­orna innehåller ju inte elektroner! Det måste betyda att elektronerna skapas vid själva omvandlingen. Reaktionsformlerna visar att nukleon­talet är oförändrat, medan protontalet ökar med #1. # Den nya kärnan har fått en proton mer och en neutron mindre än den gamla kärnan. Vi tänker oss därför att en neutron omvandlas till en proton, samtidigt som det skapas en elektron och en antineutrino:

MATHiqASf #1# jOxS

Denna reaktion går av sig själv, eftersom neutronen har större massa än protonen. Se figur #11.12 # a.

Vi kan nu skriva den fullständiga reaktionen för β-sönderfall på följande sätt:

MATHGJw #4# Lkg #01# O

Följande reaktioner är exempel på betastrålning:

MATHMQT #6# o #4# lBU #9#

År #1934 # lyckades Irène och Frédéric Joliot-Curie skapa konstgjorda radioaktiva isotoper. Vissa av dem sände ut en annan typ av beta­strålning, nämligen en positron och en neutrino ν. Ett exempel är följande reaktion

MATHOBzuNA #6# PfN

#11.12# Betastrålning sker på två sätt.

a) En neutron omvandlas till en proton, en elektron och en antineutrino. Denna process frigör energi.

b) En proton omvandlas till en neutron, en positron och en neutrino. Denna process kräver energi.

Positronen är en så kallad antipartikel (även antineutrino är en antipartikel). Den liknar på alla sätt en positiv elektron, men om en elektron och en positron möts, förintas båda i en blixt av gammastrålning. Positronen har samma massa som elektronen, men motsatt laddning. Vi räknar med att positronen blir till i kärnan på följande sätt:

MATH #6# H #8# B #5# Z #8# Rc #2#

Se figur #11.12 # b. Denna process kräver energi.

För att kunna skilja mellan de olika β-sönderfallen brukar de kallas β #^{-} res# pektive β #^{+}.#

Gammastrålning är fotoner med mycket hög energi. Gamma­strål­ningen kommer från atomkärnan. Vi räknar med att en atomkärna kan befinna sig i olika energitillstånd. Dotterkärnan efter alfa­strålning eller betastrålning är oftast exciterad. När dotterkärnan går ner till ett lägre energitillstånd eller ända ner till grundtillståndet, sänder kärnan ut ett eller flera gammakvanta som är karakteristiskt för varje nuklid. Vi kan beskriva reaktionen på följande sätt:

MATHNADqD #5# ADW #7#

där stjärnan #* v# isar att kärnan är exciterad. När en atomkärna sänder ut gammakvanta, förändras inte protontalet eller nukleontalet. Ett exempel på gammastrålning är

MATHG #8# ao #424# tzk Se figur #11.9#

#11.13# Bilden är tagen av mexikanska militärer med hjälp av gammastrålning. Tekniken används för att avslöja pengasmuggling. De ljusa fyrkanterna i bilden är sedelbuntar.