Kerneenergi og radioaktivt henfald er en interaktiv 3D-simulation af atomkernen: hvorfor nogle kerner er ustabile, hvad de udsender, hvad strålingen gør, og hvor kerneenergien kommer fra. Du bygger en kerne af protoner og neutroner, ser alfa-, beta- og gammastråling forlade den, afskærmer en detektor med papir, aluminium og bly, følger antallet af radioaktive kerner i en prøve over flere halveringstider og vejer en kerne før og efter henfaldet. Den samme kurve over bindingsenergi pr. nukleon forklarer derefter både fission i en reaktor og fusion i Solen. Simulationen dækker kapitlet om radioaktivitet og kerneenergi i gymnasiets fysik.
En kerne holdes sammen af den stærke kernekraft, som kun virker mellem nukleoner, der ligger tæt ved hinanden, mens den elektriske frastødning mellem protonerne virker gennem hele kernen. En kerne med for mange neutroner eller for mange protoner i forhold til sin størrelse bliver mere stabil ved betahenfald (β⁻ eller β⁺), hvor en neutron omdannes til en proton eller omvendt. En meget tung kerne, hvor frastødningen mellem de mange protoner er blevet for stor, kan udsende en alfapartikel. Gammastråling ændrer ikke forholdet mellem protoner og neutroner: Det er den overskydende energi, en kerne afgiver, når den står tilbage i en exciteret tilstand, typisk lige efter et alfa- eller betahenfald.
Alfastråling er heliumkerner med ladningen +2; den ioniserer meget kraftigt og stoppes af et stykke papir. Betastråling er hurtige elektroner (β⁻) eller positroner (β⁺); den ioniserer mindre og stoppes af få millimeter aluminium. Gammastråling er fotoner med stor energi og uden ladning og masse; den bliver aldrig stoppet helt, kun svækket, og derfor bruges tykt bly til afskærmning.
Halveringstiden T½ er den tid, det tager, før halvdelen af kernerne i en prøve er henfaldet. Hver enkelt kerne henfalder tilfældigt, men mange kerner følger henfaldsloven N = N₀·(½)^(t/T½). Aktiviteten er A = k·N, hvor henfaldskonstanten er k = ln 2 / T½, og aktiviteten måles i becquerel (henfald pr. sekund). Kulstof-14 har en halveringstid på ca. 5730 år og bruges til at datere organisk materiale.
Gray (Gy) er enheden for strålingsdosis, dvs. den energi, strålingen afsætter pr. kilogram væv: D = E/m. Sievert (Sv) er enheden for ækvivalent strålingsdosis, H = D·Q, hvor kvalitetsfaktoren Q angiver, hvor skadelig strålingstypen er — 20 for alfa og 1 for beta og gamma. Den samme strålingsdosis fra alfastråling giver derfor en langt større ækvivalent strålingsdosis end gammastråling.
Bindingsenergien pr. nukleon er størst for kerner omkring jern og nikkel. Når en tung kerne som uran-235 spaltes, og når lette kerner som hydrogen smelter sammen, dannes der kerner med større bindingsenergi pr. nukleon, så produkterne har mindre masse end udgangskernerne. Masseforskellen frigøres som energi ifølge E = mc² — ca. 200 MeV pr. spaltning af uran og 26,7 MeV, hver gang Solen omdanner fire hydrogenkerner til én heliumkerne, når energien fra de to positroner, der annihilerer med elektroner, regnes med (en lille del slipper ud med neutrinoerne).
Alfa-, beta- og gammastråling er ioniserende stråling: Den har så meget energi, at den kan slå elektroner løs fra atomer, så atomerne bliver til ioner. I levende væv ødelægger strålingen molekyler, og rammer den DNA-molekylet, kan DNA-strengene gå i stykker. Cellerne reparerer det meste af skaden, men en stor strålingsdosis kan slå celler ihjel, og en varig fejl i DNA'et kan føre til kræft. Den samme virkning bruges med vilje ved strålebehandling til at ødelægge kræftceller.
Kernekortet er et koordinatsystem med neutrontallet N på x-aksen og protontallet Z på y-aksen, hvor hver kendt atomkerne har sit eget felt. De stabile kerner ligger i et smalt bånd. Kerner med for mange neutroner ligger under båndet og henfalder ved β⁻-henfald, kerner med for mange protoner ligger over båndet og henfalder ved β⁺-henfald eller elektronindfangning, og de tungeste kerner henfalder ved α-henfald. Hvert henfald flytter kernen til et nyt felt, så man kan aflæse på kortet, hvilken datterkerne der dannes.
Et kernekraftværk (atomkraftværk) fungerer som et kulkraftværk, bortset fra at kedlen er erstattet af en reaktor. I reaktoren spaltes uran-235-kerner, når de indfanger en langsom neutron, og der frigøres energi og 2–3 nye neutroner. De nye neutroner er hurtige, så en moderator – som regel vandet i reaktoren – bremser dem, så de kan spalte nye kerner. Nogle neutroner slipper ud eller absorberes af andre materialer, og kontrolstængerne regulerer absorptionen, så hver spaltning i gennemsnit giver netop én ny spaltning, og effekten holdes konstant. Varmen får vand til at koge, og dampen driver en turbine, der er koblet til en generator. En kondensator gør derefter dampen til vand igen. Kun omkring en tredjedel af varmen bliver til elektricitet.
Kosmisk stråling danner hele tiden kulstof-14 (C-14) ud fra nitrogen-14 højt oppe i atmosfæren. Levende organismer optager løbende kulstof og indeholder derfor den samme lille andel radioaktivt kulstof-14 som atmosfæren. Når organismen dør, stopper optagelsen, og kulstof-14 henfalder med en halveringstid på ca. 5730 år. Ved at måle, hvor meget kulstof-14 der er tilbage i forhold til en levende prøve, finder man, hvor mange halveringstider der er gået, siden organismen døde, og dermed alderen.
Baggrundsstråling er den stråling, alle hele tiden modtager fra naturlige kilder: radon, der siver op fra jorden og ind i husene, radioaktive stoffer i jord og byggematerialer, kosmisk stråling fra rummet og radioaktivt kalium-40 og kulstof-14 i vores egen krop. I Danmark er radon indendørs det største enkeltbidrag. Hertil kommer undersøgelser på hospitalet, fx CT-scanninger, som giver et ekstra bidrag.