Synligt ljus

ATOM och
KÄRNFYSIK
1
Bohrs atommodell
2
Chadwicks atommodell
3
Modern atommodell
4
I modellen av Bohr cirkulerar elektronerna i
exakta banor.
Schrödingers ekvation visar att elektroner inte
har exakta banor.
Det finns bara en sannolikhet att en elektron
befinner sig på en specifik position .
Vi använder ordet elektronmoln för att beskriva
fördelningen av sannolikhetstäthet.
5
Kvantmekanisk beskrivning av väteatomen
Elektronens sannolikhetsfördelning
Den kvantmekaniska beskrivningen ger förutom
energinivåer också sannolikheten att hitta elektronen
i ett givet läge.
Dessa sannolikhetsfördelningar varierar från
tillstånd till tillstånd.
Elektronernas rörelser beskrivs av Schrödingers ekvation.
6
Sammanfattning atommodeller
400 f. Kr Demokritos
330 f. Kr Aristoteles
1810
Dalton
1888
Rydberg
1900
Thomson
1910
1913
Rutherford
Bohr
Tomrum + odelbara atomer
4 elementen, kontinuerlig materia
Hård sfär
Systematiserade experimentella spektra
"Russinkaka", negativa elektroner inbäddade i positiv
laddning
Klassiskt omöjlig planetmodell, liten tung kärna
Postulerade stabil planetmodell, introducerar kvantisering
1924
1924
1930
De Broglie
Schrödinger,
Heisenberg
Dirac
Våg-partikel dualism
Icke-relativistisk kvantmekanik.
Sannolikhetstolkning, vågfunktioner
Relativistisk kvantmekanik. Förklarar spinn och antipartiklar
1950
Feynman
1970
1990
Kvantelektrodynamik (QED). Kvantiserat EM fält som finns
även i vakuum. Spontan emission
Weinberg/Salam Elektrosvag växelverkan. QED + svag växelverkan
"Standardmodellen"; QED + svag vv + stark vv
7
Atomen
Atomen består av en atomkärna i centrum med ett antal
elektroner roterande runt kärnan. Mellan kärnan och
elektronerna är det tomrum.
Atomens massa utgörs huvudsakligen av protonens och
neutronens massa (elektronens massa är så förtvivlat liten i
förhållande till de andra två att man kan bortse från den när
man beräknar atomens massa).
8
Atomkärnan består av protoner och neutroner.
Protoner är positivt laddade.
Neutroner är neutrala, dvs. oladdade.
Elektronerna är negativt laddade.
Atomen som helhet är oladdad. Kärnans positiva laddning
motsvaras av en lika stor negativ laddning.
En atom har lika många protoner i kärnan
Antalet elektroner i varje skal
2n²
n = skalets nummer
Skalen K,L,M,N osv.
9
Masstalet = antalet protoner + antalet neutroner
Atomnummer =antal protoner
Antalet neutroner kan beräknas genom att dra bort
(subtrahera) atomnumret från masstalet.
10
ISOTOPER
Vanligt väte
Tungt väte
(Deuterium)
Tritium
En proton
En proton och
en neutron
En proton och
två neutroner
Atomnummer = 1 Atomnummer = 1 Atomnummer = 1
Masstal = 1
Masstal = 2
Masstal = 3
11
12
13
Elektronbanor
14
Elektronbanor
En atom är uppbyggd av bl.a elektroner som kretsar runt
atomens kärna i bestämda banor. När ett ämne värms upp
tillförs varje atom i ämnet energi, detta göra att
elektronen/elektronerna rubbas från sin bestämda bana
runt kärnan, sitt grundtillstånd (normala banan), till en
bana längre ut från kärnan. Ju längre ut från kärnan
elektronen kretsar desto större är atomens energi.
När sedan elektronen "strävar" efter att ta sig tillbaka till
sin ursprungliga bana. Detta gör den genom att "hoppa"
direkt till den normala banan eller att "mellanlanda" i en av
de andra banorna. När elektronen "hoppar" in avger
atomen energi i form av en ljusblixt med en bestämd färg,
en s k foton. Fotonens energi är ljusets färg.
15
Bohrs väteatom - beskrivning av modellen
Bohr utgick från Rutherfords bild av atomen,
dvs en positivt laddad kärna omgiven av
elektroner, men gjorde två nya antaganden.
+
• Elektronerna kan bara befinna sig i vissa
diskreta energinivåer.
• Elektronerna utsänder inte e-m vågor
i dessa banor.
Dessa tillstånd/banor kallas därför för
stationära tillstånd.
När en elektron byter tillstånd så utsänds en foton
n =1
n =2
n =3
Ei
Ef
-
+
16
Fotonens energi beror på mellan vilka banor elektronerna faller.
När elektronen faller
till bana 2 avges
synligt ljus.
Rött ljus
Blått ljus
Blått ljus har högre
energi än rött ljus.
17
Vilket ljus det blir växlar beroende
på till vilken bana elektronen faller
in på. Den faller inte alltid tillbaka
till ursprungsbanan med det samma
utan "mellanlandar" på en bana på
vägen till den ursprungliga. Det är
dock endast då elektronen faller in
på bana två som det avges synligt
ljus. En det blir blått ljus har
elektronen fallit från en bana längre
ut än en som ger rött ljus. Alltså en
atom som avger blått ljus har större
energi en som avger rött ljus.
Ultravioletta strålar bildas då
elektronen faller in till bana 1 och
infrarött ljus då elektronen faller in
till bana 3.
Endast när elektronen faller in till
18
bana 2, ger den synligt ljus.
Hoppande elektroner skapar ljus
19
Stålverk
När järnet smälts tillförs
energi.
Elektronen hoppar till ett
yttre skal, men så snart
som möjligt hoppar den
tillbaka igen.
Energin som frigörs sänds
ut som strålning t.ex.
gulrött ljus, en foton med
en bestämd färg.
20
Hertz verifierade den elektromagnetiska
strålningen 1887
Heinrich Hertz var en tysk fysiker som intresserade sig för de av
Maxwell förutsedda elektromagnetiska vågorna. Ingen hade innan
dess kunnat påvisa dem. 1887 publicerade han en avhandling där
han redogjorde för sina experiment.
21
22
Hertz använde en gnistinduktor för att skapa gnistor. Han
satte en antenn vid gnistgapet, för han räknade med att
om det hände något där, så skulle detta stråla ut. För att
kunna se om något hände, så tog han en spole, där han
förenade ändarna med ett gnistgap. Han kunde då se att
det blev gnistor, som skapades från de gnistor, som han
genererade i gnistinduktorn, som ju stod en bit därifrån
utan elektrisk koppling till spolen. Energin hade alltså gått
genom luften. Hertz påvisade att den elektromagnetiska
strålningen hade samma egenskaper som ljuset.
23
Hertz visade även att deras utbredningshastighet
var densamma som för ljuset men att de hade en
mycket större våglängd. Dessa vågor kom att
kallas hertzska vågor men kallas numera kort och
gott radiovågor. Experimenten var den slutliga
bekräftelsen av Maxwells förutsägelser om
existensen av elektromagnetiska vågor både som
långvågiga radiovågor och kortvågigt ljus.
Till Hertz ära har enheten för frekvens uppkallats
efter honom.
24
Elektromagnetiska vågor
En elektromagnetisk våg kan genereras från
laddningar i rörelse, t ex i en antenn.
En elektromagnetisk våg är en transversell
våg, (utslaget är vinkelrätt mot vågens
rörelseriktning) en fortskridande våg, t.ex.
vågorna på vatten, ljudvågor och radiovågor.
Utbredningshastigheten i vakuum är lika
med ljushastigheten  3,00·108 m/s
25
Elektromagnetiska strålningens
viktigaste
egenskap är dess våglängd. I olika våglängdsområden
kallar vi den elektromagnetiska strålningen för olika
saker:
Radiovågor
Mikrovågor
Infraröd strålning
Synligt ljus
Ultraviolett strålning
Röntgenstrålning
Gammastrålning
26
Ofta anges våglängden i nano-meter ( 1 nm= 10-9 m)
27
SYNLIGT LJUS
RÖD ORANGE GUL GRÖN BLÅ INDIGO VIOLETT
ROGGBIV
28
Radiovågor
Radiovågor har de längsta våglängderna i det
elektromagnetiska spektrat. Därmed har de också det lägsta
energiinnehållet och därför helt ofarliga för oss människor.
Radiovågorna används för att sända radio- och TV-signaler runt
hela jordklotet. Radiovågor går rakt fram och släcks snabbt ut mot
mark eller berg. Vid kortare våglängder kan jonosfären användas
som reflekterande skikt så att vågorna når längre.
Mikrovågor
Mycket kortare vågor, mikrovågor, kan tränga in genom föda och
får vattenmolekyler i maten att vibrera, vilken då uppvärms.
29
Infraröd strålning (IR)
IR har våglängder som ligger i intervallet 1 mm till 1 cm.
Strålningen kommer från molekyler och molekyler som roterar
och vibrerar. Egentligen utsänder alla föremål IR-strålning.
IR-strålning är osynlig, men kan vid hög värme bli synlig eftersom
IR-våglängder gränsar till våglängder för synligt ljus. Med hjälp
av värmekänslig film kan IR-strålning registreras och göras
’synligt’. Vår hud har även värmekänsliga receptorer för IRstrålning. En spisplatta som glöder utsöndrar rött ljus samt även
infraröd strålning. Strålningen har längre våglängd än rött ljus
och våra ögon kan inte se den. Men vi känner den i form av
värme. Därför kallas strålningen även för värmestrålning.
30
Synligt ljus
Synligt ljus uppkommer ursprungligen från glödande ämnen, t.ex.
i vår sol. Självlysande ljuskällor kallas primära.
Andra ljuskällor kallas sekundära eftersom de endast reflekterar
strålning från primära ljuskällor.
Ljus (vitt) är egentligen sammansatt av 7 huvudfärger: rött,
orange, gult, grönt, blått, indigo och violett som har olika
våglängd (700 nm till 400 nm).
Svarta föremål sänder ej ut någon egen sekundär strålning.
31
Ultraviolett strålning (UV)
•UV-strålning skapas i atomernas elektronskal.
•Solen sänder ut stora mängder av UV-ljus. Sådant ljus kan också
skapas i s.k. solarier och ljusrör.
•UV-ljus är osynligt för oss människor.
•UV-ljus är i stor mängd skadligt för huden och kan ge
32
brännskador och tom en form av hudcancer (malignt melanom).
Röntgenstrålning
Röntgenstrålning uppkommer från elektronskalen.
Strålningen uppstår på liknande sätt som ljus. När en elektron i
ett av de innersta skalen slås ut ur sitt skal, ersätts tomrummet av
en elektron från ett av de yttersta skalen. Då avger atomen
röntgenstrålning.
Denna strålformer kan tränga djupt in i många material.
Röntgenstrålningens förmåga att tränga igenom kroppens olika
organ gör att vi har stor användning av den inom sjukvården t.ex.
för att studera inre organ i kroppen.
33
Gammastrålning
•bildas t.ex. när radioaktivt material sönderfaller.
•har den kortaste våglängden och är den mest energirika
strålningen.
•kan tränga djupt in i många material.
•är farlig för oss människor.
34
Kontinuerligt spektrum
Ett spektrum uppstår då t ex vitt ljus passerar
genom en prisma och i prisman delar upp ljuset i
olika färger, ett s k spektrum. Ljuset från en
glödtråd ger kontinuerligt spektrum (alla
färger).
I ett spektrum ingår färgerna röd, orange, gul,
grön, blå, indigo och violett. ROGGBIV
35
Linjespektrum
Ljuset från upphettad lysande gas ger ett s k
linjespektrum. Det är när enbart en eller några
färger syns från det kontinuerliga spektrumet.
36
Absorptionsspektrum
Om man skulle "blanda" vitt ljus med ljuset från
kall vätgas skulle man inte se linjerna från
vätgasen utan det skulle vara ett kontinuerligt
spektrum med svarta streck där vätgasens
linjespektrum skulle vara. Man säger att vätgasen
absorberar sitt eget spektrum. Alltså vätgasen
suger upp sitt spektrum så att det inte syns. Detta
kallas för absorptionsspektrum.
37
Spektrum
Alla ämnen har sitt eget speciella spektrum.
Det är på detta sätt som man kan se vilka
grundämnen som finns i en ljuskälla.
T.ex. för att veta vilka grundämnen som solen
och andra stjärnor består av. Det gör man med
hjälp av ett instrument som heter spektrometer,
spektrometern visar ljuskällans spektrum.
38
SPEKTRUM
39
Symbol för radioaktivitet
40
Strålningens pionjärer
År 1895 upptäckte Wilhelm Conrad Röntgen
den strålning som, på många språk, har fått
hans namn (själv kallade han den för Xstrålar). Den började tidigt användas inom
läkarvetenskapen för att bland annat avbilda
ben och diagnosticera benbrott. 1901 fick
Röntgen det första nobelpriset i fysik för sin
upptäckt.
41
Strålning i industrin
Röntgenstrålning och strålning från radioaktiva ämnen
används på många håll inom industrin. Konstruktioner
med höga kvalitetskrav kontrolleras med röntgenstrålning
både vid tillverkning och vid underhållsarbete. Det gäller
allt från broar till kretskort i datorer.
Inom stora delar av industrin används strålning för
nivåmätning av vätskor och för tjocklekskontroller, av till
exempel papper. Vid behov av absolut dammfria ytor, till
exempel vid billackering, används strålning för att
eliminera statisk elektricitet. Strålning används också för
att sterilisera medicinska engångsartiklar.
Även inom forskningen används joniserande strålning i
stor omfattning.
42
Henri Bequerel
År 1896 fann Henri Becquerel
att en liten mineralklump hade
lämnat skuggor på en
fotografisk plåt (den tidens
fotofilm) som den råkat ligga
på. Eftersom plåten inte varit
utsatt för synligt ljus, insåg
Becquerel att det var fråga om
någon annan typ av strålning,
som måste komma från den
lilla stenen. Stenen innehöll
uran och Henri Becquerel hade
därmed upptäckt fenomenet
radioaktivitet.
43
Pierre och Marie Curie
Fann radium och polonium, två
radioaktiva ämnen. Radium ("det
strålande").
Bequerel och makarna Curie fick dela
nobelpriset i fysik 1903.
Marie använde sig av röntgenbilder
under första världskriget och hjälpte
många sårade.
Marie Curie dog av leukemi 1934, offer
för sin egen upptäckt.
44
Radioaktiva ämnen är instabila, har ett högt
energiinnehåll och strävar efter stabilitet,
en lägre energinivå.
Ämnet sänder ut sin överskottsenergi och
sönderfaller då till andra ämnen, som ibland
också kan vara radioaktiva och skicka ifrån sig
energi i form av strålning.
Så håller det på till dess att det inte finns
någon överskottsenergi och ämnet antingen
är stabilt, har övergått till ett nytt annat
grundämne eller en ny isotop har bildats.
45
RADIOAKTIVA ÄMNEN
GER UPPHOV TILL
JONISERANDE STRÅLNING
alfa-strålning
beta-strålning
gamma-strålning
46
Alfastrålning består av relativt stora och tunga partiklar
(heliumkärnor bestående av två neutroner och två protoner).
De sänds oftast ut av instabila tunga radioaktiva ämnen
som uran, radium, radon och plutonium.
Alfastrålningens räckvidd är ett par cm i luft och den hejdas
lätt när den stöter emot någonting. Den stoppas av ett tunt
papper och kan inte tränga igenom huden.
Därför är alfastrålning bara farlig för människan om det
alfastrålande ämnet kommer in i kroppen, till exempel
genom inandningsluften till lungorna eller genom födan.
47
Betastrålning består av elektroner
som utsänds när vissa radioaktiva
ämnen sönderfaller. Betastrålning har
längre räckvidd än alfastrålning; upp till
tio meter i luft. Tjocka kläder eller
glasögon stoppar strålningen och precis
som vid alfastrålning, utgör
betastrålning en risk för människan
bara om partiklarna kommer in i
kroppen.
48
Gammastrålningen bildas när
radioaktiva atomkärnor sönderfaller.
Gammastrålning har mycket lång räckvidd,
och större genomträngningsförmåga än
alfa- och betastrålning. Det krävs ett
blyskikt på flera centimeter, decimetertjock
betong eller ett par meter vatten för att
dämpa gammastrålning till en acceptabel
nivå.
49
50
Radioaktivitet
Enheter
Aktiviteten från ett radioaktivt ämne mäts i becquerel (Bq).
1 Bq = 1 sönderfall/sekund.
51
ISOTOPER
Vanligt väte
Tungt väte
(Deuterium)
Tritium
En proton
En proton och
en neutron
En proton och
två neutroner
Atomnummer = 1 Atomnummer = 1 Atomnummer = 1
Masstal = 1
Masstal = 2
Masstal = 3
52
Atomkärnan
Kärnor med samma antal protoner, men olika antal
neutroner kallas för isotoper, t ex:
24
12
Mg
25
12
Mg
26
12
Mg
+
+
+ +
+
+++ +
+
+
+
53
54
 sönderfall
Exempel på  sönderfall
238
92
Moderkärna
U
234
90
Th
+
Dotterkärna
4
2
He
 partikel
55
 sönderfall
Exempel på  sönderfall
234
90
Th
Moderkärna
234
91
Pa
+
Dotterkärna
0
1
e
- partikel
56
Halveringstid
•Radioaktiva ämnen sönderfaller.
•Den tid det tar för hälften av ett visst radioaktivt ämne att
sönderfalla kallas halveringstid.
•Tiden varierar beroende på vilket radioaktivt ämne det gäller.
•Halveringstiden för olika radioaktiva ämnen kan variera från
bråkdelen av en sekund till miljarder år.
•Efter en halveringstid återstår hälften av ämnet.
•Efter ytterligare en halveringstid återstår en fjärdedel.
•Efter den därpå följande halveringen återstår en åttondel.
57
Radioaktivt sönderfall och halveringstid
•Antalet radioaktiva kärnor som finns vid en given tid avtar
• Tiden då halva mängden sönderfallit, kallas för halveringstid.
140
120
100
80
60
40
20
T1/2
2T1/2
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
Antal radioaktiva kärnor
Radioaktivt sönderfall
Tid
58
Sönderfallskedjor
• När en radioaktiv kärna
sönderfaller så är ofta
den nya kärnan också
radioaktiv.
• Därför finns det
sönderfallskedjor,
dessa slutar på en
stabil kärna.
•Halveringstiden för
238U är 4,5 miljarder år
210Po är 140 dygn
59
Kol 14 metoden
Radioaktiva ämnen kan användas för att bestämma ålder på
olika material.
För åldersbestämning av organiska material kan man använda
14C isotopen.
Ett organiskt material är ett material som innehåller kol.
Då ett träd växer blir halten 14C konstant i själva trädmaterialet.
Då trädet dör börjar 14C sönderfalla.
Ju mindre 14C det finns kvar i det gamla trämaterialet, desto
äldre är träbiten.
Halveringstiden för
14C
är cirka 5600år.
60
Vår strålmiljö
Stråldos mSv = millisievert
61
Filmdosimeter
Röntgen och gammastrålning svärtar fotografisk
film, ju mer strålning desto svartare film.
En dosimeter som bygger på film består av en
hållare med en film som förpackats ljustätt.
Efter framkallning av filmen kan dosen bestämmas
genom graden av svärtad film.
Personer på kärnkraftverk och på
röntgenavdelningar bär filmdosimeter.
62
FISSION!
Fission innebär att en kärna klyvs.
En neutron träffar atomkärnan, atomkärnan kommer i svängning.
Atomkärnan klyvs.
Samtidigt som en kärna klyvs, frigörs det nya neutroner.
Dessa neutroner kan klyva andra atomkärnor.
En kedjereaktion sker.
Vid varje kärnklyvning frigörs energi i form av värme.
63
FISSION!
1 neutron +
235U
→
94Kr
+
139Ba
+ 3 neutroner + energi
64
Denna kedjereaktion utnyttjas i kärnkraftverk
där man låter denna reaktion fortgå, men
kontrollerar neutronmängden med styrstavar.
Blir det för många fria neutroner skickas
styrstavarna ner och absorberar neutroner
och på det sättet kan man ha reaktionen
under kontroll.
65
Utan styrstavarna skenar
reaktionen iväg och det är på den
principen atombomben bygger.
66
FUSION!
Det går även att utvinna energi genom att slå
samman lätta kärnor.
Fusion innebär att två atomkärnor slås
samman så att en tyngre kärna bildas.
67
FUSION!
Atomkärnan hos deuterium består av en proton och en neutron.
Tritiumkärnan består av en proton och två neutroner.
Vid fusionen slår sig en deuteriumkärna samman med en
tritiumkärna.
Vid reaktionen bildas en heliumatom, en fri neutron och energi
68
frigörs.
Är fusion framtidens energikälla?
Nackdelar
• För att fusionen ska kunna ske måste
temperaturen vara så hög som 50 miljoner
grader Celsius.
• Problemet ligger i att starta en fusionsprocess.
69
Fusionens fördelar mot fissionen
• Vätet tar aldrig slut, nästan obegränsad
tillgång på bränsle i havsvattnet.
• Det skapas inte lika mycket radioaktivt avfall
vid fusion som i dagens kärnkraftverk.
• Avfallet vid en fusionsreaktor är ofarligt efter
ca. 100 år.
• Avfallet vid en fissionsreaktor ofarligt efter
ca. 10 000 år.
70
• http://www.absorblearning.com/media/item.
action?quick=bt
71