ATOM OCH KÄRNFYSIK
Atomens uppbyggnad
Atomen består av tre elementarpartiklar:
Protoner (p+)
Elektroner (e-)
Neutroner (n)
Elektronerna rör sig runt kärnan i bestämda banor med så stor hastighet att de
bildar ett skal.
Protoner och neutroner finns i atomkärnan.
Atomens massa är nästan helt samlad i kärnan och en proton och neutron väger
ungefär lika mycket.
Elektronen väger ca 1800 gånger mindre än en proton.
Det mesta av en atom är tomrum.
Liknelse – Om en atom vore lika stor som globen skulle atomkärnan var stor som
ett blåbär.
Några begrepp
•
Masstal - anger antal protoner och neutroner i atomkärnan.
•
Atomnummer - anger hur många protoner det är i atomkärnan.
masstal
14
7𝐶
atomnummer
•
Isotop - Det kan finnas olika varianter av ett grundämne och de kallas isotoper.
Antalet protoner är desamma men antalet neutroner kan variera.
•
Exempel på isotoper av väte. Den vanligaste isotopen har ingen neutron,
deuterium har en neutron och tritium har två neutroner i kärnan.
1
1𝐻
2
1𝐻
3
1𝐻
ATOM OCH KÄRNFYSIK
Joniserande strålning
•
Strålning kan slå bort elektroner från atomer inne i våra celler så att de
förvandlas till joner, då säger man att strålningen är joniserande.
•
Jonerna i cellerna kan börja fungera annorlunda än de vanliga atomerna.
•
Det blir allvarligt om det är i generna. Då kan det leda till cancer och andra
sjukdomar.
•
Joniserande strålning kan också användas för att medvetet skada celler, tex
cancerceller.
ATOM OCH KÄRNFYSIK
Elektronbanor
Elektroner cirkulerar runt atomkärnan i skal. Om man
tillför energi till en atom kan en elektron hoppa
mellan olika skal. Atomen blir instabil. När elektronen
har möjlighet hoppar den tillbaka till sitt
ursprungsskal. Då frigörs det energi i form av
strålning. Ljusblixten kallas foton. Det blir olika ljus
beroende på vilka skal elektronen hoppar emellan.
Röntgenstrålning
•
Röntgenstrålning upptäcktes av Willhelm Röntgen 1895.
•
En röntgenapparat är en sorts kamera som både sänder ut och
fångar upp röntgenstrålning.
•
På sin väg tränger strålningen igenom allt i kroppen. Olika delar av
kroppen fångar dock upp strålningen olika mycket. Skelettet fångar
upp mest strålning och blir därför ljus på röntgenbilden.
•
Röntgen används till att undersöka benbrott och sprickor i balkar och
svetsfogar.
Radioaktivitet
•
Upptäcktes av en slump av Henri Bequerel radioaktivitet år 1896.
•
Strålning kan uppkomma när elektroner hoppar mellan skal men den kan också
uppkomma i atomens kärna.
•
Strålningen uppkommer hos isotoper av grundämnen där kärnan innehåller för
mycket energi. Då blir den instabil och vill göra sig av med sin energi för att
komma i balans. Strålning sänds då ut från kärnan, man säger att kärnan
sönderfaller.
•
Det finns tre olika typer av strålning:
Alfastrålning
Betastrålning
Gammastrålning
•
De ämnen som sänder ut sådan strålning kallas radioaktiva.
ATOM OCH KÄRNFYSIK
Alfastrålning
•
Alfastrålning består av positiva alfapartiklar, 42𝐻𝑒 , α-partiklar (αpartiklar=heliumkärna)
•
När ett ämne sönderfaller skjuts då en alfapartikel ut och ett nytt ämne bildas.
•
Ex. 238
92𝑈 →
234
4
90𝑇ℎ + 2𝐻𝑒
Betastrålning
•
Betastrålning, β består av negativt laddade elektroner.
•
I kärnan finns inga elektroner men då omvandlas en neutron i kärnan till en
proton och elektron.
•
Då kan elektronen lämna kärnan och sänder då ut betastrålning.
•
Vi får ett nytt ämne med ökat antal protoner i kärnan.
•
Alfa- och Betasönderfallen fortgår så länge det finns icke stabila kärnor kvar.
Efter en serie sönderfall får man kvar en blyatom från den ursprungliga
uranatomen.
Gammastrålning
•
Vid en del sönderfall bildas det en annan typ av strålning och den kallas för
gammastrålning, γ
•
Denna strålning är inte partiklar utan en elektromagnetisk strålning.
•
Efter vissa alfa- och betasönderfall finns det ”överskottsenergi” kvar i kärnan.
Den är så energirik att det bildas gammastrålning.
Hur långt når strålningen?
•
Den strålning som uppkommer i samband med
olika sönderfall har olika förmåga att tränga
igenom olika ämnen.
•
Alfastrålning – 5 cm i luft kan stoppas med ett
papper. Alfastrålning har en kort räckvidd.
•
Betastrålning – Kan stoppas av en 1 cm tjock
plexiglasskiva.
•
Gammastrålarna är svåra att stoppa men det som stoppar är bly.
ATOM OCH KÄRNFYSIK
Halveringstid
•
Alla radioaktiva ämnen är instabila, vilket betyder att de sönderfaller efter hand.
•
Det går inte att säga när ett visst ämne sönderfaller för det sker slumpvis men
man kan beräkna när hälften av alla atomer har sönderfallit.
•
Detta kallas för halveringstid.
Ex.
Po – 210 138 dygn
Pb 22 år
U - 238 4,5 miljarder år
Varje radioaktivt ämne har sin egen halveringstid. Ju längre halveringstiden är
desto mindre aktivitet har ämnet dvs. strålningen från ämnet blir lägre.
•
•
Aktiviteten mäts i becquerel (Bq).
•
1 Bq motsvarar 1 sönderfall per sekund.
Kol-14 metoden
•
Grundämnet kol har en isotop som heter kol-14.
•
Det är ett radioaktivt ämne. Så länge en organism är levande tar den hela tiden
upp kol från luften och då är halten av kol-14 konstant.
•
Dör organismen börjar halten kol-14 att minska i takt med att dessa atomer
sönderfaller.
•
Halveringstiden för kol-14 är 5600år.
•
Om man vill datera gamla föremål av organiska ämnen använder man sig av kol14 metoden.
•
Ska man t.ex. datera ett träföremål undersöker man först aktiviteten hos färskt
trä och jämför med aktiviteten i det gamla föremålet. Då får man reda på hur
mycket kol-14 det är kvar i det gamla föremålet. Om 80% av kol-14 finns kvar så
är det gamla föremålet ca 2000år.
Vår strålningsmiljö
•
Vi utsätts ständigt för strålning. Det strålar från t.ex. rymden, bostäder, marken,
kroppen och medicinsk strålning.
•
Marken: I marken finns uran och andra radioaktiva ämnen som hela tiden
sönderfaller och utsänder strålning.
ATOM OCH KÄRNFYSIK
•
Rymden: Där finns det kosmisk strålning.
•
I kroppen: T.ex. kol-14
•
Bostäder: I lättbetong finns det radium och när det sönderfaller bildas ämnet
radon. Den ger upphov till sönderfallsprodukter som kan vara skadliga för oss att
andas in. Finns i s.k. radonhus.
•
Inom medicin: Av röntgenundersökningar och strålbehandlingar.
•
För att få använda vissa apparater måste man få det godkänt av SSI, Statens
strålningsinstitut. De kontrollerar även strålningen i kärnkraftverk.
Dosimeter
•
Strålningen kommer in i vår kropp genom
näsan, munnen och huden.
•
Vi har inget sinne som gör att vi kan upptäcka
strålning.
•
Personer som arbetar på kärnkraftverk bär därför en dosimeter som registrerar
hur mycket strålning som personen blivit utsatt för.
•
Det finns sådana som man avläser direkt och sådana som man framkallar i efter
hand och kan då se ett resultat över lång tid.
Användning av radioaktiva ämnen
•
Vissa grundämnen har isotoper som är radioaktiva. I vissa fall behöver vi
använda dessa.
•
Joniserande strålning – den bryter ner levande vävnad. Utnyttjas för att förstöra
elakartade tumörer. Ibland dricker man en lösning som innehåller jod och sedan
mäter man strålningen i kroppen för att upptäcka förändringar i kroppen.
•
Radioaktiv konstgödning – Man kan mäta radioaktiviteten i växter för att ta reda
på hur bra växten tar upp konstgödslingen. Man kan också använda den för att
förändra egenskaper hos en växt och den kan då bli bättre.
•
Vid papperstillverkning- för att pappret ska bli en viss tjocklek låter man ett
radioaktivt preparat stråla igenom pappret. Strålningen fångas upp av en
detektor. Blir strålningen för svag så är pappret för tjockt är det för stor strålning
är pappret för tunt.
ATOM OCH KÄRNFYSIK
Fission – Kärnklyvning
•
Om en urankärna beskjuts med en neutron klyvs urankärnan i två nya, ungefär
lika tunga delar.
•
Samtidigt som en kärna klyvs, frigörs två eller tre
nya neutroner. Dessa kan i sin tur klyva andra
atomer. Det sker en kedjereaktion.
•
Vid varje kärnklyvning frigörs energi i form av
värme. Den värmen drar man nytta av i en
kärnkraftreaktor.
Hur fungerar ett kärnkraftverk?
•
I ett kärnkraftverk finns kärnreaktorerna. Bränslet man använder är urandioxid
(innehåller en blandning av uran-235 och uran-238) vilket ger långsam
energiutveckling.
•
Man har också styrstavar som fångar
upp neutroner så att man kan
kontrollera kedjereaktionen.
•
Vattnet i reaktorn har också har en
bromsande effekt på neutronerna.
•
Vattnet kokar av värmen och ångan
leds till en turbin som i sin tur driver
en elektrisk generator.
Atombomb
•
För att en kedjereaktion ska fungera måste det finnas tillräckligt med klyvbart
material, det kallas den kritiska massan.
•
I en atombomb sammanför man två massor som var för sig inte är kritiska.
•
De kan dock tillsammans starta en kedjereaktion som växer mycket snabbt.
•
Rent uran-235 och plutonium kan användas för att tillverka kärnvapen.
ATOM OCH KÄRNFYSIK
Fusion
•
Vid fusion slås lättare atomkärnor samman så att tyngre atomkärnor bildas.
•
Vid fusion kan man utnyttja väteisotoperna deuterium ( 21𝐻) och tritium ( 31𝐻).
•
När dessa slås ihop bildas en heliumatom och en fri neutron. Samtidigt frigörs
enorma mängder energi.
•
Det är det som sker i solen och andra stjärnor.
