Spørg Fagfolket: Hvornår er en atomkerne ustabil?

Illustration: Bigstock/gritsalak karalak

Vores læser Bjørk har spurgt:

Hvornår er en atomkerne ustabil?

Jens Ramskov, videnskabsredaktør på Ingeniøren, svarer:

Det korte og forenklede svar er, at det er den, når de kræfter, der vil splitte atomkernen ad, er større end de kræfter, der vil holde den sammen.

Hydrogenkernen har ikke noget problem med stabilitet, for den består blot af en proton. Varianten med både en proton og neutron i kernen kaldes deuterium. Denne atomkerne er også stabil. Kemisk set er der ingen forskel mellem almindelig hydrogen og deuterium. Det er samme atom, men to forskellige isotoper.

Læs også: Spørg Fagfolket: Hvor store partikelacceleratorer er der planer om?

Stabilitet kræver en passende balance

Men varianten med en proton og to neutroner i atomkernen, kaldet tritium, er ustabil. Har du en samling tritium-atomer i en flaske, vil der 12 år senere kun være halvdelen tilbage, idet tritium undergår radioaktivt henfald, hvor den ene neutron i kernen omdannes til en proton, en elektron og neutral neutrino. Atomkernen bliver derved til helium-3, som er en stabil atomkerne.

Går vi en tand op i det periodiske system, er både den mest almindelige form for helium med to protoner og to neutroner, helium-4 og - som nævnt - helium-3 stabile atomkerner. Uden neutroner i kernen går det derimod ikke: Helium-2 med kun to protoner er ustabil. For mange neutroner er dog også et problem: Helium-5 med to protoner og tre neutroner er ustabil, og det samme er heliumisotoper med endnu flere neutroner i kernen.

Stabile hydrogen- og heliumkerner har altså et passende forhold mellem protoner og neutroner i kernen. Det samme gælder også for alle andre atomer. Det er sådan set ikke så overraskende, for - bortset fra hydrogen med kun en proton - vil den elektriske frastødning mellem protoner medvirke til at gøre atomkernen ustabil. Den stærke kernekraft, der virker for både protoner og neutroner, er derimod med til at holde atomkernen sammen.

Jo flere protoner, der i kernen, jo flere neutroner skal der altså være for at holde atomkernen stabil. Men der må ikke være alt for mange, for så går det også galt, som det ses med tritium og helium-5.

Fysikerne taler om, at der findes en neutrondryplinje, idet neutroner så at sige vil dryppe ud af kernen, hvis de er for mange.

Læs også: Spørg Fagfolket: Hvor slutter det periodiske system?

Mange partikler giver ustabilitet

En fyldestgørende forklaring på, hvorfor det er tilfældet, kræver, at man detaljeret beregner bindingsenergien for kernepartikler. Det kompliceres af, at ligesom elektroner i atomet findes i forskellige skaller, så er der også skalmodel for atomkernen. Det er således ikke helt simpelt at beregne bindingsenergien. Men det viser sig, at der er visse magiske tal for antallet af protoner og neutroner, hvor atomkernen er meget tæt bundet sammen.

Den højeste bindingsenergi pr. kernepartikel finder man hos isotoper af nikkel og jern. De er derfor naturlige slutprodukter for kernereaktioner, og det forklarer også, hvorfor disse atomer hører til blandt de mest almindelige i Mælkevejen - en liste som ellers domineres af meget lettere grundstoffer.

Endelig gælder det også, at over et bestemt antal partikler i kernen, er der slet ingen stabile atomkerner. Alle grundstoffer med atomnummer større end 82 (bly) er i princippet ustabile, selv om der er visse isotoper med halveringstider så lange, at de i praksis kan anses som stabile.

Spørgsmålet om stabilitet af atomkerner har i øvrigt relation til to andre spørgsmål til Fagfolket, jeg har forsøgt at besvare. De kan også være nyttige at læse, og du finder linkene her nedenfor.

Læs også: Spørg Fagfolket: Hvor slutter det periodiske system?

Læs også: Spørg Fagfolket: Er technetium fejlplaceret i det periodiske system?

Spørg fagfolket

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Jens Ramskov skriver i en tidligere artikel om hvor store atomerne kan blive:

Walter Griener og Stefan Schramm fra J. W. Goethe-Universität i Frankfurt har for flere år siden vist, at hastigheden for elektroner, der skal findes i større og større elektronskaller, sætter en teoretisk øvre grænse på størrelsen af neutrale atomer, der går omkring grundstof nr. 173.

Så svaret på læserspørgsmålet er altså, at det er elektronhastighederne, der bestemme, hvor det periodiske system slutter.

Hvis man udelukkende betragter atomkernen og ser på fuldt ioniserede atomer, ser det ud til at den teoretiske øvre grænse ligger omkring 210 protoner.

Jeg tænkte på, at hvis elektronerne virkelig har betydning for, hvor store at atomerne kan blive, så de har måske betydning for halveringshastigheden, specielt for store atomer?

Kan vi forestille os, at f.eks. et atoms halveringstid kan påvirkes elektrisk?

Jeg har hidtil troet, at atomerne var lukkede systemer, og at f.eks. halveringstider ikke blev påvirket af eksterne forhold, som elektronerne, men at kun neutroner kunne trække ind i atomkernerne, og påvirke dem.

Når man fremstiller store atomer, gør man så noget for at stribbe dem for elektroner, for at øge deres levetid?

  • 0
  • 1

Endnu en kort, informativ og velskrevet perle fra JR.

Vedrørende dette: "Kemisk set er der ingen forskel mellem almindelig hydrogen og deuterium" kan det undre, at tungt vand er giftigt.

Wikipedia siger: Experiments in mice, rats, and dogs have shown that a degree of 25% deuteration causes (sometimes irreversible) sterility, because neither gametes nor zygotes can develop. High concentrations of heavy water (90%) rapidly kill fish, tadpoles, flatworms, and Drosophila. Mammals (for example, rats) given heavy water to drink die after a week, at a time when their body water approaches about 50% deuteration. The mode of death appears to be the same as that in cytotoxic poisoning (such as chemotherapy) or in acute radiation syndrome (though deuterium is not radioactive), and is due to deuterium's action in generally inhibiting cell division. ...

  • 2
  • 0

Hvad gør, at en neutron i tritium kan henfade til en proton.. Og hvad udløser selve henfaldet? Der må være nogle fysiske forhold som i gennemsnit forekommer hvert 12. år, som udløser henfaldet i neutronen, men som ikke påvirker neutronen i stabil deuterium.. Vil sådan en påvirkning ske lige ofte, afhængigt af hvor mange procent "overskud" af neutroner der er i forhold til protoner? 😊

  • 0
  • 1

Vedrørende dette: "Kemisk set er der ingen forskel mellem almindelig hydrogen og deuterium" kan det undre, at tungt vand er giftigt.

Det er "giftigt" i omtrent samme forstand som salt, eller for den sags skyld enhver form for fødevare, i den forstand at hvis du intager det i tilstrækkelige mængder, kan du dø af det.

Det er næppe praktisk muligt at indtage så meget tungt vand at man dør af det, men med et betydeligt niveau af tungt vand i kroppen, kan dets anderledes fysiske proportioner have negativ indflydelse på diverse organer.

Det kan sammenlignes med at det er mere skadeligt at indtage en liter frossen vand end en liter optøet vand, selvom det kemisk set er identisk.

  • 4
  • 3

Det er "giftigt" i omtrent samme forstand som salt, eller for den sags skyld enhver form for fødevare, i den forstand at hvis du intager det i tilstrækkelige mængder, kan du dø af det.

@Søren, en interessant vending! faktisk er den dødelige dosis af drikkevand ret lav, vistnok omkring 6-7 liter/dagligt. Det har medført en morsom leg med dødelige doser, f.eks. har nogle regnet ud, at drikkevand var mere giftigt end roundup! Det skal nok tages med et gran salt, men ifølge eksperter er den dødelige dosis roundup indeholdt i ca. 20-30 tons sprøjtklar opløsning. Men der er da mange andre og langt bedre og mere underholdende måder at slukke sin tøst på.

  • 2
  • 7

Svar på:

Neutronstjerner holdes sammen af tyngdekraft. Det er i hvert fald én forskel mellem en sådan og en atomkerne.

Hej Henrik

Bemærk:

June 3, 2020, New Exotic Type of Matter Discovered Inside Neutron Stars: Citat: "... A Finnish research group has found strong evidence for the presence of exotic quark matter inside the cores of the largest neutron stars in existence. The conclusion was reached by combining recent results from theoretical particle and nuclear physics to measurements of gravitational waves from neutron star collisions. ... Inside what are called neutron stars, atomic matter is, however, known to collapse into immensely dense nuclear matter, in which the neutrons and protons are packed together so tightly that the entire star can be considered one single enormous nucleus. ..."

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten