For 2400 år siden fremsatte den græske filosof Demokrit den teori, at et stof ikke kan deles i det uendelige. Men da Daltons teori kom holdt Demokrits ikke længere. Dalton sagde at alt stof var sammensat af kugleformet partikler, han gav disse partikler et navn, atomer. Men nu er man gået tilbage til Demokrits teori da atomerne ikke er udelelige.

Tiden efter anden verdenskrig er blevet kaldt atom-alderen. Vores hverdag er stærkt præget af den viden, man har opnået i løbet af de sidste 50 år. I de første årtier mente man at man havde en utømmelige energikilde. Men nu er det anderledes de atomkraft er skadeligt for menneskeheden.

Atomer er så små, at man ikke kan se dem med det blotte øje, men med et specielt mikroskop. Gennem tiderne har videnskabsmænd ved hjælp af forsøg arbejdet på at skabe gode modeller af atomerne. Efterhånden som man lærte mere om atomerne måtte man flere gange ændre på den model, man havde, når nye kendsgerninger ikke stemte med modellen.

Det mest simple atom, man kender, er hydrogen-atomet (brint-atomet). I 1912 opstillede den danske fysiker Niels Bohr (1885-1962) en model, der mod sagde alle andre for opstillinger.

De positive partikler kaldes protoner.

De negative partikler kaldes neutroner.

Det er antallet af protoner i kerne, der bestemmer et atoms nummer.

i atomfysikken er det ikke praktisk kun at angive den kemiske betegnelse for et atom. Man skriver også atomers nummer (øverst) og antal kernepartikler (nederst), man skrive alt dette FØR navnet. Antallet af kernepartikler kaldes atomets massetal.

Partiklerne i kernen kan skrive på samme måde:

¹₁p proton

Det tunge vand blev opdaget i 1932 af den amerikanske forsker Harold Urey, som fik Nobelprisen for sin opdagelse. Han fandt ud af, at der i 5 kg rent vand er gennemsnitligt knap et gram tungt vand. Det lykkedes for ham at udskille en meget lille portion tungt vand. Man kan udskille tungt vand fra almindeligt vand fx. ved elektrolyse eller ved destillation. Men begge metoder kræver adgang til meget vand og et meget stort energiforbrug. Inden 2. verdenskrig var der kun ét sted i verden, hvor man fremstillede tungt vand i større mængder: ved Rjukan i Norge. Her udnyttede firmaet Norsk Hydro de enorme vandkraftreserver. Under 2. verdenskrig blev den første atom-reaktor bygget, og også de første atombomber. Man havde beregnet, at netop tungt vand ville være velegnet i atom-reaktorer, så en af kampene i 2. verdens krigen drejede sig om tungt vand. Deuterium har en særlig egenskab, som gør den "interessant". Hvis luftarten opvarmes til en temperatur, der ligger over 14000000⁰ C, sker der er sammensmeltning af den atomkerner. Det er denne proces, der sker inde i Solen og so skaber den energi, som Solen sender ud i verdensrummet. Her på Jorden har menneskene efterlignet processen i brintbomber. Hvis man kan lære at kontrollere denne proces, er verdens energiproblemer løst, uden problemer med farlige affalds stoffer.

Radioaktivitet.

De radioaktive (ustabile) atomer i Jordens indre frigør energi, som opvarmer Jorden. Det er en proces, der har fundet sted i mange milliarder af år.

• I et radioaktivt stof er atomkernerne under ændring, samtidig med at de udsender stråling.

Uran, plonium og radium er eksempler på radioaktive stoffer. Strålerne fra et radioaktivt kan hvis de rammer et atom, slå elektroner løs fra atomet. Derved bliver atomet en ion, og derfor kaldes de radioaktive stråler for ioniserende stråler.

Dem er tre slags af:

Alfa-stråling: a

Beta-stråling: b

Gamma-stråling: g

Man kan ikke lugte eller se strålingen.

I 1895 opdagede fysikeren Henri Becquerel (1852-1908), at nogle stoffer kunne sværte fotografiske plade, selv om pladerne var pakket ind. Siden har man opfundet nogle instrumenter til måling af stråling. Den bedst kendte er geigertælleren (opfundet af tyskeren Hans Geigei i 1913 og senere forbedret af Geiger og hans elev, Walther Müller).

Geigertælleren består af et metalrør, der er fyldt med en luftart (fx. 90% argon og 10% sprit). I midten af røret er der en elektrode, der er isoleret fra metalrøret. Mellem elektroden og metalrøret er der en spændingsforskel på 300-500 volt. I enden af røret er der et tyndt vindue af glimmer (et mineral, der kan skæres meget tyndt. Det bruges fx. til ruder i kakkelovne. Når ioniserende stråling trænge ind gennem glimmervinduet, slår den elektroner løs fra luftmolekylerne, som så bliver til ioner. Derved kan der opstå strømstød mellem elektroden og metalrøret. Disse strømstød forstærkes og kan fx. tælles i et tælleapparat, eller til at gengive den som en lyd.

Der vil altid være stråling, selv om man ikke holde noget radioaktivt i nærheden. Dette skyldes baggrundsstråling, noget af dette kommer fra rummet (kosmisk stråling), eller fra bygninger, undergrunden. I Aalborg er den 43 millirem. Når man måler noget skal man huske at trække baggrundsstrålingen fra.

Den stråling, der udsendes af forskellige radioaktive stoffer, har ikke samme biologiske virkninger og er altså ikke farlige. Biologerne måler radioaktiviteten i en enhed, der kaldes en rem. Med denne måle-enhed tager de både hensyn til, hvilken stråling der drejer sig om, og til hvilken virkning stråling har levende væv.

Enheden rem kan opdeles:

1 rem = 1000 mrem (milli-rem)

Ved arbejde med radioaktivt materiale har man fastsat faregrænsen ved 2,5 mrem pr. time.

Alfa-stråling standes af et stykke papir.

Beta-stråling standses af nogle kladdehæfter eller en tynd metalplade.

Gamme-stråling svækkes først mærkbart af tykke metalplader eller betonvægge.

Alfa-stråling består af partikler, alfa-partikler. Disse partikler består af to protoner og to neutroner, det samme som helium-kerner.

Beta-stråling består af meget hurtige elektroner, der udsendes fra en radioaktiv atomkerne med en fart på næsten 300000 km/s.

Gamma-stråling er elektro-magnetiske bølger i "slægt" med røntgen-stråler, men langt mere energirige og dermed langt farligere.

Når der fra en atomkerne udsendes en alfa- eller beta-partikel, frigøres der også energi. Det viser sig ved, at den udsendte partikel har kinetisk-energi (bevægelsesenergi).

I 1895 opdagede Wilhelm Röntgen (1845-1923) en ny slags stråler, som sener blev opkaldt efter ham: røntgen-ståler. De nye stråler kunne "gennemlyse" fx. en hånd, så man kunne se knoglerne. Rundt om i verden studerede man Röntgens opdagelse. Og en fransk professor, Henri Becquerel (1852-1908), fik den idé at undersøge, om der var en sammenhæng mellem røntgen-satråler og flourescens. Visse krystaller kan efter at være belyst senere selv lyse i mørke, det kaldes flourescens. Og professoren ville undersøge, om det var røntgen-stråler, der blev udsendt. Men til sidste fandt han ud af at det var pga. at krystallerne indeholdt lidt uran.

At et radioaktivt stof henfalder, vil sige, at det udsender ioniserende stråling samtidig med, at det omdannes til et nyt grundstof. Efterhånden som det henfalder bliver der mindre og mindre igen.

Eksempler på halveringstider:

Risøs a -kilde: Am 241 470 år

Risøs b -kilde: Sr 90 28 år

Risøs g -kilde: Cs 137 30 år

Rn 215 2,4 m s (1 m s = 0,000001 sekund)

Pa 234 1,18 min

Th 234 24,10 dage

Ra 226 1600 år

U 238 4,47 ^. 10⁹ år

Den radioaktive kulstof-isotop kulstof-14 (¹⁴₆C) dannes hele tiden i atmosfæren, hvor den udgør ca. 0,000001% af kulstofatomerne i forbindelsen CO₂ (kuldioxid). Alle levende organismer vil derfor indeholde netop denne fordeling af radioaktivt og ikke-radioaktivt kulstof. Når livsprocessen og dermed optagelsen af kulstof standses, så fornys det radioaktive kulstof ikke længere, men det fortsætter med at henfalde og halveringstiden er 5730 år. Kulstof-14-metoden kan bruges til at alders-bestemme fx. et træ, knogler, horn, hud og planterester op til en aldersgrænse på 20000 år. Når genstandene er ældre, kan radioaktiviteten fra kulstof-14 kun dårligt måles.

Kul, olie, gas og føde er energikilder, der kan føres tilbage til Solen, solenergi er så at sige oplagret i dem.

I atomkerner er der oplagret energi. En del af denne energi frigøres, hvis kernerne smeltes sammen, det er det der sker i Solens indre og i brintbomber. Der kan frigøres energi, hvis man går den modsatte vej og spalter atomkerne, det er det der sker i atomrektorer og i atombomber.

• Ved en kernereaktion ændre antallet af protoner i atomkernerne, der sker en grundstofforvandling.

Elektronerne omkring en atomkerne holdes fast i deres bane af den elektriske tiltrækning fra kernens protoner. Tiltrækningen skyldes, at protoner og elektroner har forskellig elektrisk ladning. Hvis deres ladning havde været den samme, ville de have frastødt hinanden.

Det er kernekræfterne, som holder kernen sammen, selv som der virker elektriske frastødningskræfter mellem protonerne.

Men der er en vigtigere forskel:

• Kernekræfterne virker kun på nabo-partiklerne.

Det betyder, at de kernekræfter, der virker på partikel, ikke vokser, når antallet af partikler i kernen vokser.

• I modsætning hertil virker de elektriske frastødningskræfter over større afstand.

Det betyder, at den frastødning, der virker på en proton, stammer fra alle de andre protoner i kernen og derfor vokser frastødningen, når antallet af protoner vokser.

Når antallet af protoner i kernen bliver over 83, er de frastødende kræfter så store, at kernen bliver ustabil. Alle grundstoffer over nummer 83 er derfor radioaktive. Dette er angivet med en stjerne i det periodiske system.

Når en neutron rammer en urankerne, medbringer den tilstrækkelig energi til at få kernen til at "svuppe" frem og tilbage (ligesom en vanddråbe). Hvis urankernen under denne "svuppen" bliver for langstrakt, kan kernekræfterne ikke mere holde sammen på partiklerne, og så spaltes urankernen. I urankernen er oplagret potentiel energi, dels på grund af de elektriske frastødningskræfter, og de enorme kernekræfter, der binder partiklerne sammen. Når kernen spaltes, bliver en del af denne potentielle energi omdannet til kinetisk energi. Når en atomkerne deler sig i to nye kerne, siger man, at der sker en fission. Fission betyder spaltning.

• Fission = kernespaltning

Den første atomspaltning, som mennesker satte i gang, blev foretaget i 1938 af tyskerne Otto Hahn og Fritz Strassmann. Men det varede noget, inden man fandt ud af, hvad der egentligt var sket. Hahn, der ikke kunne finde nogen teoretisk forklaring på fænomenet, skrev historien til sin gamle medarbejder Lise Meitner, som drøftede problemet med sin nevø, fysikeren Otto Frisch. Meitner og Frisch nåede i løbet af nogle får dage at fremsætte en forklaring på , hvad der var sket. Allerede i 1905 havde Albert Einstein nemlig fremsat en teori, hvoraf man kunne se, at spaltede men en kerne, ville de to stykker tilsammen ikke veje så meget som kernen, før den blev spaltet, næsten 1% af kernens masse ville blive forvandlet til energi. Den danske fysiker Niels Bohr, som netop skulle rejse til USA, fik historien af Otto Frisch. På den måde kom nyheden om, at uran kunne spaltes, til USA. En nyhed, der skulle få vidtrækkende konsekvenser.

En reaktion, der foregår hurtigt, er naturligvis umulig at stoppe. Den kaldes derfor en ukontrolleret kædereaktion.

• Ved en kædereaktion vil de frigjorte neutroner få reaktionen til løbe videre af sig selv.

I en atombombe spaltes et ufatteligt stort antal kerner på en milliontedel sekund. Når bomben eksploderer, kommer der et skærende lysglimt og en stærk varmebølge, efterfulgt af en trykbølge (som en kraftig orkan). Desuden kommer der en kraftig stråling fra de radioaktive stoffer, der dannes ved spaltningen. Den første atombombe blev udviklet i 1945 i USA, og blev prøvesprængt den 23. juli i New Mexicos ørken. Og allerede i starten af august kastede USA to atombomber over Japan for at slutte Den 2. Verdenskrig.

I en atombombe ligger to adskilte portioner spaltelig materiale fx. uran-235. Når de to portioner skydes sammen, overstiger de den kritiske masse, og der stater en ukontrolleret kædereaktion.

I en kernereaktor foregår der spaltning af urankerner. Blot har man her kontrolleret kædereaktion, så kun en bestemt energimængde frigøres hvert sekund. Verdens første kernereaktor startede i december 1942 under et fodboldstadion i Chicago. Den udviklede mindre varme end en god dyppekoger. Fra midten af 1950’erne blev de første egentlige atomkraftværker bygget. Det er ligger nærmest Danmark (da der ikke findes atomkraftværker i Danmark) er det svenske atomkraftværk i Barsebärk. I en atomreaktor afgives energien i form af varme og stråling. En del af varme-energi kan omformes til elektrisk energi, som sendes ud til forbrugerne. Der findes mange forskellige former for atomreaktorer i verden. Denne der vil bliver gennem gået er en trykvands-reaktor.

I reaktortanken opvarmes vand ved kernespaltningerne. Dette vand pumpes rundt i et primær-kredsløb. Vandet i primærkredsløbet opvarmer i en dampgenerator vandet i et sekundær-kredsløb så meget, at det koger. Dampen fra det kogende vand driver en turbine, som driver en generator. Når dampen har passeret turbinen, forsættes det til vand igen i en kondensator. Til kondensatoren kræves kølevand, som fx tages fra havet eller en flod. Kølevandet ledes tilbage til havet eller floden igen, uden at været inde i selve reaktoren, men nu en smule varmere.

I reaktortanken er anbragt brændsels-elementer, som indeholder uran. For at kunne kontrollere fissions-processen kan der nedsænkes kontrol-stænger mellem brændsels-elementerne. Kontrolstængerne består af et stof, fx. cadmium, som let kan indfange neutroner. På den måde kan man hindre, at der spaltes for mange urankerner på én gang. I reaktortanken bevæger neutronerne sig med forskellig fart. Bruger man tungt vand (D₂O) i reaktortanken, vil dette fungere som moderato. Når de hurtige neutroner rammer de tunge brintatomer, vil farten til sidst nedsættes så meget, at neutronerne kan spalte uran-235. En reaktor, hvor man bruger tungt vand, kaldes en tungtvandsreaktor. En reaktor, hvor man bruger almindeligt vand, kaldes en letvandsreaktor. Men i disse reaktortyper bruger man beriget uran, beriget uran betyder at man har forøget indholdet af uran-235 i brændsels-elementerne til ca. 3%.

I dag er der mange hundrede kernekraftværker rundt om i verden, flest i USA, men også mange i England, Frankrig og Tyskland. I Østeuropa er der mange kernekraftværker ikke mindst i Sovjetunionen.

I naturen forekommer uran overvejende i form af isotopen uran-238 nemlig 99,3%. Men i atomreaktoren er det kun isotopen uran-235, der spaltes. Hvis en hurtig neutron rammer en uran-238-kerne, bliver den indfanget, hvorved der dannes en radioaktiv uran-isotop. Uran-239 udsender beta-partikler og omdannes til grundstoffet neptunium. Det nye stof, neptunium, er radioaktivt og udsender beta-partikler. Det dannede stof er plutonium, som er alfa-radioaktivt med en halveringstid på ca. 24000 år. Plutonium kan, ligesom uran-235, spaltes af neutroner, men det skal være hurtige neutroner. Ved at beskyde det ubrugelig uran-238 med hurtige neutroner, får man plutonium, som kan bruges i en reaktor. En reaktortype, hvor uran-238 omdannes til plutonium i større mængder, kaldes en formeringsreaktor. I formeringsreaktoren anvender man ca. 20% uran-235 eller plutonium, uden om er så anbragt ca 80% uran-238. De neutroner, der bruges, er hurtige neutroner. Derfor anvendes der ikke nogen moderator i formeringsreaktorerne, men det betyder også, at man heller ikke kan bruge vand som kølermiddel. I stedet anvendes flyende natrium, som er et godt kølemiddel, der ikke bremser neutronerne. Ved hjælp af formeringsreaktoren vil det være muligt at udnytte 50-60 gange mere energi fra naturligt uran end i en almindelig reaktor. Dog anvendes formeringsreaktoren som en forsøgs reaktor i får lande, fordi opbygningen af formeringsreaktoren er kompliceret og derfor også dyr.

De udbrændte elementer opbevares i nogle måneder i kraftværkets vandbassin, så de farlige atomkerner som fx jod-131 kan henfalde. Derefter sendes affaldet til en oparbejdningsfabrik. Her skiller man det brugbare uran og plutonium fra resten af det radioaktive affald. Det højradioaktive affald består bl.a. af strontium-90 og cæsium-137. Hvis man indtager strontium-90, der har en halveringstid på 30 år, vil det koncentrere sig i knoglerne, hvor dets stråling kan forårsage knoglekræft. Selv om man på oparbejdningsfabrikken har skilt plutonium fra affaldet, vil der alligevel være lidt tilbage. Plutoniums halveringstid er 24000 år, og det betragtes som et uhyre giftigt stof på grund af dets radioaktivitet. Blot ¹/₁₀₀ gram i lungerne har man skrevet sin egen død.

Derfor er der det store problem: Hvor skal man opbevare affaldsstofferne?

En mulig løsning er at opbevare affaldet indstøbt i glas dybt i undergrunden. Det skulle så være steder, hvor ikke fx. jordskælv pludselig kunne "vende op og ned på det hele. For tiden anbringer man lavradioaktivt affald i gamle saltminer i indstøbt i cementtromler. Dog har man ikke fundet et stedet for det Høj-radioaktive affald, endnu.

Uran er et grundstof, der blev fundet første gang i 1786. Det er radioaktivt og spiller en stor rolle i såvel den fredelige udnyttelse af kerneenergien som i den militære. Sædvanligvis findes uran i kemiske forbindelser, mest i begblende, der er et sort mineral, som indeholder ca. 80% uran-oxid. Urans halveringstid er omtrængt 4¹/₂ mia. år. Naturligt forekommende uran består af to forskellige isotoper: