Et av de store spørsmålene i menneskehetens historie er hva materie er bygd opp av. For mer enn to tusen år siden lanserte den greske filosofen Demokrit (460 til 370 f.Kr.) atomteorien. Han mente alt kunne deles inn i mindre biter inntil man nådde en nedre grense og kalte den minste biten for et atom.
Først på 1700- og 1800-tallet fikk vitenskapen en større forståelse av materiens fascinerende verden.
– Kjemikerne skjønte 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 Görgen på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo (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 være den systematiske oversikten kunne Mendelejev forutsi en rekke ukjente grunnstoffer.
– I dag kjenner vi til 118 grunnstoffer, sier Görgen.
Uran, grunnstoff nummer 92, er det tyngste grunnstoffet som finnes naturlig på jorda. Alle de andre grunnstoffene som er tyngre enn uran, er menneskeskapt.
– Akkurat som kjemikere kan sette sammen molekyler med ulike atomer, kan vi kjernefysikere bygge opp atomkjerner med elementære byggesteiner, forteller Görgen.
For å kunne forstå hvordan atomene er bygd opp, er fysikerne nødt til å studere kjernereaksjoner.
– Ved å se på de ustabile stoffene og hvordan de endrer seg, kan vi forstå strukturen i grunnstoffer.
Vitenskapshistorien
La oss først ta et historisk overblikk.
Da den franske fysikeren Henri Becquerel (1852–1908) jobbet med uran-forbindelser, oppdaget han radioaktivitet.
– Selv om Becquerel fikk æren for oppdagelsen, skjønte han ikke mye av hva det var.
Den første som avslørte radioaktiviteten, var den polskfødte fysikeren Marie Curie (1867–1934), for øvrig den eneste som er blitt tildelt nobelprisen i både fysikk og kjemi. Hun slo fast at strålingen skyldtes en egenskap ved uran-atomet.
– Frem til da tenkte man at atomet var den minste byggesteinen. Hvis det kom stråling fra atomet, kunne ikke atomet være den minste byggesteinen. Atomet måtte ha en indre struktur.
Etter at radioaktiviteten ble oppdaget, begynte forskerne å forstå hvordan grunnstoffene er satt sammen.
Marie Curie slo fast at radioaktiv stråling skyldtes en egenskap ved atomet. Hun oppdaget også de radioaktive grunnstoffene polonium og radium. Her er hun sammen med datteren Irene. Foto: Ap / NTB Marie Curie oppdaget også stoffer som sendte ut mye mer stråling enn det som kunne komme fra uran. Det måtte derfor finnes andre radioaktive stoffer enn uran. Hun oppdaget polonium, oppkalt etter hjemlandet hennes, Polen, og radium, oppkalt etter ordet radius, som betyr stråle på latin.
Tre typer stråling
En annen viktig og banebrytende vitenskapsmann er den britiske fysikeren Ernest Rutherford (1871–1937). Han regnes som grunnleggeren av den eksperimentelle kjernefysikken.
Takket være forsøkene hans kunne han slå fast at det finnes tre ulike typer stråling. Han døpte dem for alfa, beta og gamma, oppkalt etter de tre første bokstavene i det greske alfabetet. Alfa-stråler når ikke langt. De stoppes opp av noe så tynt som papir. Beta-stråler stoppes opp av tynne aluminiumsplater, mens gamma-stråler trenger gjennom det meste. De kan stanses av tykke blyvegger.
Da Rutherford studerte hvordan strålene passerte elektromagnetiske felt, oppdaget han at alfa-og beta-stråler ble avbøyd i hver sin retning. På den måten kunne han slå fast at beta-stråler var negativt ladet, mens alfa-stråler var positivt ladet.
– I dag vet vi at alfa-stråler er atomkjerner til helium, at beta-stråler er elektroner og at gamma-stråling er elektromagnetiske bølger med høy energi, forteller Görgen.
Radioaktivitet var den gang et nytt fenomen.
– Samtiden trodde på radioaktiviteten. Mange tenkte det var sunt.
Folk kjøpte radioaktiv hudkrem og tannkrem med radioaktivitet. Radioaktivt vann skulle være bra for helsen. Noen mente dessuten at radioaktivitet hjalp mot kreft, diabetes og tuberkulose.
– Kvakksalveriet varte i noen år, før folk skjønte at dette ikke var så lurt likevel. En fyr var så 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 ladet.
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.
Niels Bohr slo fast at elektronene i atomer bare kunne bevege seg i bestemte baner med en viss energi. Foto: Alan Richard/AP/NTB Du må for all del ikke sammenligne elektronbaner med planetbanene rundt solen. Planetene har ingen begrensninger på hvilke baner de kan følge. Slik er det ikke i den kvantefysiske verden.
– Elektronene må følge helt bestemte baner. Denne egenskapen er ikke mulig å forstå ut fra klassisk fysikk. Dette ble begynnelsen på kvantefysikken, forteller Görgen.
Partiklene i atomer
Nå gikk vitenskapen fremover med stormskritt. Den britiske kjemikeren og fysikeren Francis William Aston (1877–1945) klarte å måle massen til atomer med høy 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 en enhet, har de fleste neon-atomene masse 20, mens en del har masse 22 og noen få har masse 21.
Dette kunne forklares ved at det finnes to ulike byggesteiner i atomkjerner: protoner med positiv elektrisk ladning og nøytroner uten ladning. Elektrisk nøytrale 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 nøytroner i neon kan variere mellom 10, 11 og 12. Variasjonene av det samme grunnstoffet kalles for isotoper.
– Det er umulig å skille isotoper med kjemiske eksperimenter, påpeker Görgen.
Fellesnavnet for isotopene til alle grunnstoffene er nuklider. Én nuklide er altså ett atom med et gitt antall protoner og nøytroner i kjernen.
For å lage moderne kreftmedisiner, forstå hvordan grunnstoffene er dannet i universet og hvordan kjernekraft fungerer, er det viktig å 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 å 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 før halvparten av nukliden har henfalt til noe annet. Noen ganger er halveringstiden så kort som millisekunder. Andre ganger kan det være snakk om flere milliarder år. I nuklidekartet får kjernefysikerne en grei og lettfattelig oversikt både over halveringstiden og hva slags stråling det er snakk om når en nuklide henfaller til en annen nuklide.
De ulike kreftene
Nå begynner det å bli morsomt. Jeg lover! For å skjønne kjernefysikk må du forholde deg til mer enn gravitasjonskraften (som sørger for at masse tiltrekker seg masse) og elektromagnetismen (som sørger for at elementer med like ladninger frastøter hverandre og at elementer med motsatte ladninger tiltrekker hverandre). Begge disse kreftene virker på 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 skjøvet fra hverandre. Da hadde alt rundt oss brutt sammen. Takk og lov finnes det enda en svært viktig kraft som holder det hele samlet. Den kalles den sterke kjernekraften.
– Selv om den sterke kjernekraften er den sterkeste kraften vi har, når den ikke langt, sier Görgen.
Rekkevidden er utrolig nok bare lengden av et proton eller et nøytron.
Hvis et nøytron kommer nær nok atomkjernen, vil det bli fanget inn av den sterke kjernekraften.
Det krever imidlertid mer energi å dytte et proton inn i atomkjernen. Den elektromagnetiske kraften presser protonet vekk. Hvis protonet derimot sendes inn med høy nok hastighet, vil det klare å passere barrieren.
– Da vil den sterke kjernekraften overvinne den elektromagnetiske kraften og sørge for at protonet blir fanget inn i atomkjernen.
Dette er forklaringen på at kjernefysikere bygger partikkel-akseleratorer. Her kan de akselerere opp farten på protoner og nøytroner slik at de får høy nok hastighet til å overvinne den elektromagnetiske kraften og bli fanget inn av atomkjernen.
Albert Einstein viste en klar sammenheng mellom masse og energi. Foto: AP / NTB
Einsteins energilov
For å beregne hvor mye energi som kreves eller frigjøres når en nuklide henfaller til en annen nuklide, må kjernefysikerne forholde seg til den berømte 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 å skape enorme mengder energi ved å smelte sammen to lette atomkjerner. Denne sammensmeltingen kalles fusjon. Det er også mulig å skape energi ved å dele opp tunge atomkjerner i to lettere atomer. Denne oppsplittingen kalles fisjon.
Det er nettopp oppdagelsen av fisjon og fusjon som har gjort det mulig for menneskeheten å forstå hvordan de lette grunnstoffene forbrennes i solen og hva som skal til for å hente ut energi fra kjernefysiske reaksjoner. Den nye kunnskapen har også vært svært viktig for å kunne lage moderne kreftmedisin.
Artikkelen ble først publisert i Apollon
