Elektromagnetisk stråling

1865: Skotten James Maxwell la frem en matematisk teori for elektrisitet og magnetisme. Han påviste at når partikler med elektrisk ladning gir fra seg energi, sendes det ut en form for bølger som blir kalt elektromagnetiske bølger.
Beveger seg med samme hastighet som lys = synlig lys er en form for elektromagnetiske bølger.

Viktige egenskaper ved elektromagnetiske bølger

Bølgelengde:

Måles fra topp til topp

En nm = en milliarddels meter

Synlig lys à 400-800nm

Frekvens:

Antall svingninger bølgen gjør per sekund

Måleenhet: Hz (Hertz)

4 Hz = 4 svingninger på ett sekund

Lyset øyet vårt kan oppfatte à svært store frekvenser (mange billioner svingninger i sekundet)

Energi:

Ulik bølgelengde = ulik energi

Svinger raskt = mest energi

Jo kortere bølger og jo høyere frekvens bølgene har à større energi

Viktig å vite når man skal se på skadevirkningene

Lyshastigheten:

Lyshastigheten i luft eller lufttomt rom: 300 000 km/s = 3 * 108 m/s

Alle elektromagnetiske bølger beveger seg med denne hastigheten

Hva er elektromagnetisk stråling?

Elektromagnetisk stråling oppstår når elektriske ladninger sviner frem og tilbake.

Energi i bevegelse

Elektriske ladninger kan skape kontinuerlig stråling over lang tid eller stråling som varer bare et kort øyeblikk

Emisjonsspektre – elektromagnetisk stråling fra atomene:

Når et elektron i et atom blir tilført energi, for eksempel når to atomer skumper borti hverandre eller et annet elektron gir det en dytt, hopper elektronet til et av de høyere nivåene i atomet. Senere kan det falle ned igjen til et lavere nivå.
Når elektronet faller ned til et lavere nivå, gir det fra seg en energimengde som tilsvarer forskjellen mellom de to nivåene. Denne energien sendes ut som elektromagnetisk stråling.

Strålingen som sendes ut = mål på forskjellene mellom de ulike nivåene i atomet.

Alle grunnstoffatomenes elektronskall har sine helt spesielle nivåhøyder, og gir opphav til stråling med helt spesielle energier og bølgelengder.

Energiovergangene er kartlagt, og man kan derfor lese av bølgelengden for å bestemme hvilket stoff det er. Strålingen kalles emisjonsspekteret til stoffet

Radiobølger

Fellesbetegnelse for en stor gruppe av bølger med lange bølgelengder (ca 1mm – flere mil)

Radioen og mobiltelefonen:

I mobiltelefonen er det både en radiosender og en radiomottaker. I motsetning til vanlige radiosendinger, kan signalet i en mobiltelefonsamtale kun fanges opp av ett bestemt apparat. Dette gjøres ved at hvert apparat overfører og mottar signaler med en helt bestemt bølgelengde.

Små forskjeller i bølgelengdene à forstyrrer hverandre = forbudt med mobil på fly

Mikrobølger:

De korteste radiobølgene à 1mm – noen få cm

Brukes i radarer, til overvåking og navigering om bord i fly og skip

I mikrobølgeovner: Mat som inneholder fett og vann blir varmet ved av mikrobølgene trenger inn i dem og varmer dem opp innenfra.

Infrarød stråling:

Litt for lange bølgelengder til at vi kan se dem

Brukes i alarmer, fjernkontroller, ovner, lyspærer.

Varmefølende kamera brukes til å søke etter savnede personer, finne ut om et hus er godt eller dårlig isolert, undersøker blodårer og celler under huden hos mennesker

Synlig lys:

400 nm – 800 nm

Omfatter hele fargespekteret fra rødt til fiolett (fiolett, indigo, blå, grønn, gul, oransje, rød)

Laserlys:

Består av bølger med bare én bestemt bølgelengde

Kan brukes til å lage en svært konsentrert lysstråle med høy energi

CD-spillere, øyeoperasjoner og avstands- og hastighetsmålere

Ultrafiolett stråling:

Kortere bølgelengde og større energi enn synlig lys

Brukes i butikker og banker for å finne ut som sedlene er ekte

I teater og på diskotek for å lage spesielle lyseffekter

Blir absorbert i noen stoffer, for eksempel vindusglass

Soling:

UV-C strålene har kortest bølgelengde og regnes som mest farlige fordi de er mest energirike – Absorberes i atmosfæren

Røntgenstråling:

1895: Tyske fysikeren Wilhelm Conrad von Röntgen

Trenger igjennom de bløte delene av et menneske, men stanses av bein

Stor energi som kan forårsake skader i cellene hos mennesker

Gammastråling:

Korteste bølgene i det elektromagnetiske spekteret

Svært stor energi - kan skade eller drepe celler hos planter, dyr og mennesker

Utnyttes til strålebehandling av kreft

Det strålende sola

Sola sender ut elektromagnetisk stråling og partikkelstråling.

Partikkelstrålingen (solvinden) består stort sett av elektroner og protoner, og gir opphav til nordlys

Den elektromagnetiske strålingen fra sola består i hovedsak av infrarød stråling, synlig lys og ultrafiolett stråling. Den kraftigste UV-strålingen blir heldigvis absorbert i atmosfæren (200-300 nm blir helt absorbert)

Ozonlaget:

15-20km over bakken

Stopper mesteparten av UV-C-strålingen og en del av UV-B-strålingen

Mengden varierer med årstiden, hvilket sted på jorden vi befinner oss på, gassutslipp fra vulkanutbrudd og ulike værforhold

KFK-gassene spaltes når de kommer opp i høyere luftlag. Da dannes det frie kloratomer, som kan bryte ned ozonmolekyler i atmosfæren. Disse kjemiske reaksjonene er kjedereaksjoner, og ett kloratom kan ødelegge det ene ozonmolekylet etter det andre.

KFK-gassene bruker lang tid opp igjennom atmosfæren, og de reagerer lite med andre stoffer. = lang levetid i atmosfæren

KFK = Klor, Fluor og Karbon

Farlig?

UV-B-stråling kan trenge 10-20m ned i klart vann

Enkelte planktonalger skades av strålingen

1. bekymring:

Fotosyntesen i planktonalgene legger grunnlaget for næringskjedene i hav og ferskvann. Endringer eller reduksjon i produsentleddet får en dominoeffekt oppover i næringskjeden.

2. bekymring:
Fotosyntesen i planktonalgene trekker CO2 ut av atmosfæren.

Strålingen kan skade DNA-molekylene i hudcellene, slik at de kan utvikle seg til kreftceller.
Farligste: føflekk-kreft

Huden kan bli rynkete

Øynene kan skades

Nordlys:

Nordlys oppstår når partikler fra solen trekkes inn mot jordens magnetfelt. Partiklene treffer gassmolekyler i atmosfæren, slik at gassmolekylene sender ut energi i form av lys.

Oksygen og nitrogen gir opphav til nordlys i forskjellige farger.

Kristian Birkeland

Radioaktiv stråling:

Radioaktiv stråling kommer fra en ustabil atomkjerne. (Faller fra hverandre)

Naturlig radioaktiv stråling deles inn i alfa-, beta- og gammastråling:

Alfastrålene er heliumkjerner

Betastrålene er elektroner med stor hastighet

Gammastråling er energirik elektromagnetisk stråling

Alfastråling:
Lett stanset av klær eller et tynt papir.
Noen få cm i luft

Ved en alfautsendelse blir det dannet et nytt grunnstoffatom med lavere atomnummer enn den opprinnelige kjernen. Et eksempel på dette er når en urankjerne desintegrerer og omdannes til en thoriumkjerne:

(Tegning)

Det er gjerne tunge grunnstoffatomer som uran, radon og plutonium som sender ut alfapartikler.

Betastråling:
Noen få meter i luft

Går gjennom klær og et stykke inn i huden. Stoppes av tre.

Et nøytron i kjernen blir omdannet til et proton og et elektron. Det dannes også en bitteliten nøytral partikkel, nøytrion.

Deretter sendes elektronet ut med stor fart. Kjernen som blir igjen, inneholder da ett proton mer enn tidligere, og det blir dannet et grunnstoffatom med høyere atomnummer enn den opprinnelige kjernen.

Eks: En karbonkjerne desintegrerer og omdannes til en nitrogenkjerne:

(Tegning)

Gammastråling:
Går rett gjennom, stoppes nesten av bly

Når en atomkjerne har sendt ut en alfapartikkel eller betapartikkel, er det som om protonene og nøytronene som er igjen i kjernen, må finne seg nye plasser. Energien de gir fra seg når de ”faller på plass” i kjernen, sendes ut i form av energirik elektromagnetisk stråling som kalles gammastråling. Derfor sendes det vanligvis også ut gammatråling i forbindelse med alfastråling eller betastråling.

(Se for deg en haug med appelsiner)

Halveringstid:

Halveringstiden til et radioaktivt stoff angir den tiden det tar før halvparten av alle atomkjernene i stoffet har desintegrert. Alle levende organismer inneholder en viss mengde karbon-14. Når et dyr eller en plante dør, vil mengden av karbon-14 avta etter hvert som årene går.  

Aktivitet og dose

Becquerel:

Henri Bequerel

Knøttliten målenhet

Måler antall radioaktive partikler som sendes ut hvert sekund (virkning på oss mennesker)

10 Bq = 10 atomkjerner omdannes hvert sekund i det radioaktive stoffet

Måles med en Geiger-Müller-teller. Hver gang radioaktiv stråling kommer inn i røret, skapet et elektrisk signal

Gray: (Gy)

Måler hvor mye av strålingen som treffer cellene i vår kropp.

Forteller hvor stor energimengde som blir avsatt i kroppsvevet vårt (per kg)

Harold Gray

Sivert: (Sv)

Måler den biologiske virkningen av strålingen

Vurderer hvor farlig strålingen er for mennesker

Rolf Sivert

1 Sv = 1000 mSv

Bakgrunnsstråling:

Bakgrunnsstråling er små doser av stråling som kommer fra verdensrommet, murveggene, kroppen vår, berggrunnene. Over alt.
Bakgrunnsstrålingen er stråling som har vært der til alle tider, og som alle levende organismer er utsatt for.

Bakgrunsstrålingen i Norge tilsvarer omtrent 5 mSv, som er en svært liten stråledose

Ioniserende stråling:

Den radioaktive strålingen har stor nok energi til å slå løs elektroner fra atomer og molekyler, slik at de bli til ioner, det vil si elektrisk ladde partikler.

Noen ganger blir cellene så skadd at de dør = Akutt stråleskade

Hvis mange celler dør, vil organene virke dårligere, og mennesket vil i verste fall dø av organsvikt

Celler kan også bli skadd uten å dø. De alvorligste skadene skjer i arvestoffet. Kroppen vil ofte klare å reparere skadene selv.

(Tegning side 128)

Stråledose og risiko:

All bruk av stråling skal være nyttig

Stråledosene skal være så små som mulig

Ett røntgenbilde hos tannlegen: 0,03 mSv

Gjennomsnittlig bakgrunsstråling i Norge: 5 mSv/år

Første symptomer på strålesyke ved helkroppsbestråling på én gang: 250 mSv

Alle dør i løpet av to dager: Mer enn 50 Sv

Tsjernobyl-ulykken:

Over 400 mennesker var på stedet da ulykken skjedde, og ble utsatt for store stråleskader. På grunn av vindretningen og nedbøren var Norge det landet utenom det gamle Sovjetunionen som mottok mest radioaktivt nedfall etter Tsjernobyl-ulykken. I løpet av Norge det første året: En stråledose som er litt mindre enn den vi ville fått hvis vi flyttet fra et trehus til et murhus 50 år etter ulykken vil den ekstra stråledosen føre til omtrent åtte dødsfall på grunn av kreft her i Norge.

Medisin:

CT:

Kan avbilde lag for lag av tynne sjikt

Signalene behandles i store datamaskiner

Man kan få frem 3D-bilder

Kan lokalisere akkurat hvor svulsten er

MR:

Benytter radiosignaler i sterke magnetfelt til å lage bilder

Vil etter hvert erstatte røntgen, og dermed redusere stråledosene

Kan se finere detaljer i vevet enn med CT

Kreft:

Fellesbetegnelse på flere sykdommer

Cellene vokser unormalt

Over 80% av tilfellene skyldes at enkelte kjemiske stoffer over tid kan skape irritasjoner og endringer i cellene.

Behandlingsmetoder:

I de fleste tilfeller ved elektromagnetisk stråling

Genereres i lineærakseleratorer

Kreft et stykke inne i kroppen: kartlagt ved hjelp av CT

En kreftpasient pleier å få 1-2 Gy hver dag, slik at de friske cellene skal få tid til å reparere skadene og hente seg inn mellom hver bestråling

Omtrent en tredel av alle kreftpasienter i Norge får tilbud om strålebehandling.

Andre vanlige behandlingsformer: kjemoterapi ved hjelp av cellegift eller hormoner, eller kirurgisk inngrep.

50% kureres

Lineærakseleratoren:

Oppfunnet av nordmannen Rolf Widerøe

Ved hjelp av lineærakselerator sendes strålingen inn fra flere kanter, slik at det blir relativt små stråledoser til de friske cellene langs hver strålebane, og stor stråledose til svulsten, som ligger der alle strålebanene krysser hverandre.

I fremtiden:

Strålebehandling med protoner

Så å si all energien avsettes innenfor ett område (kan bestemme hvor energien skalavsettes)

Ikke i Norge ennå, 1 apparat = én milliard kroner

Teknisk bruk av stråling:

Røntgenbilder av hver eneste sveiseskjøt i Nordsjøen

Håndbagasje på flyplasser

En del kryddertyper for å forhindre bakterier

Gallerier og museer – bilde under bilde

Fisjon:

En stor og tung urankjerne kan bli ustabil, og sprekke når den treffes av et nøytron. Da kan det dannes mellomstore atomkjerner (som for eksempel bariumkjerner), og det vil også dannes 2-3 nøytroner med stor fart (energi).

(Tegning side 135)

Teorien til Einstein:

Når en urankjerne deles, blir noe masse borte. Denne masen blir frigjort i form av energi

E = energi

M = masse

C = lysets hastighet

Fusjon:

Lette atomkjerner smelter sammen og danner tyngre atomkjerner.
Noe av massen bli borte og frigjort som energi

Høy temperatur (mange millioner grader) fordi atomkjernene er positivt ladd, og derfor frastøter hverandre kraftig. Med høy temperatur beveger atomkjernene seg så fort at de allikevel kolliderer.

Fusjon får solen og alle de andre stjernene til å gløde:

Hydrogenkjerner smelter sammen og danner en heliumkjerne. Disse energiene får solen til å sende ut lys og varme.