Atom- och kärnfysik

Atom- och kärnfysik
Atomens uppbyggnad
• Atomen består av tre elementarpartiklar:
Protoner (+)
Elektroner (-)
Neutroner (neutral)
• 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
4
atomkärnan.
2 He
• 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 vanlig isotopen har ingen
neutron, deuterium har en neutron och tritium har två
neutroner i kärnan. 11 H 12 H 13 H
• Atommassa - är medelatommassan för blandningen av de
förekommande isotoperna av ett grundämne. Atommassa
anges i atommassaenheten, u.
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 (se bild s. 207).
Elektromagnetiska vågor
• Ljus består av elektromagnetiska vågor. Olika
våglängder ger olika ljus. Det är bara vissa
våglängder vi kan se.
• Infraröd strålning är värmestrålning och har
längre våglängd än synligt ljus och ultraviolett
strålning har kortare våglängd (se bild s. 210).
• Infraröd strålning ger oss värme och
ultraviolett strålning ger oss solbränna.
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
• Av en slump upptäckte 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.
Alfastrålning
• Alfastrålning består av positiva alfapartiklar,
4
2𝐻𝑒, α
• När ett ämne sönderfaller skjuts då en
alfapartikel ut och ett nytt ämne bildas.
• Ex.
238
92𝑈
->
234
90𝑇ℎ
+ 42𝐻𝑒
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
elektromagnetiskstrålning.
• Efter vissa alfa- och betasönderfall finns det så
mycket energi 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.
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.
Halveringstid
• Alla radioaktiva ämnen är instabila.
• Det 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 kol-14 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.
• 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.
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.
Fusion
• Vid fusion slås lättare atomkärnor samman så att
tyngre atomkärnor bildas.
• Vid fusion kan man utnyttja väteisotoperna
deuterium ( H) och tritium ( H).
• 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.