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.
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.
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.
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.
