Atom- och kärnfysik Stora namn inom kärnfysiken • • • • Marie Curie – radioaktivitet Lise Meitner – fission Ernest Rutherford – atomkärnan (Niels Bohr – atommodellen) Atomens uppbyggnad • Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) p+ Neutroner (o) Elektroner (-) e- • Protoner och neutroner finns i atomkärnan • Elektronerna rör sig runt kärnan i bestämda banor med så stor hastighet att de bildar ett ”skal” eller elektronmoln Atomens uppbyggnad • Atomens massa är nästan helt samlad till atomkärnan • En proton och en neutron väger ungefär lika mycket (1 u) • Elektronen väger ca 1800 gånger mindre än en proton • Det mesta av en atom är tomrum. (Globen - blåbär) • 1 u = 1,67 x 10-27 kg Atomnummer och masstal • Atomnummer anger antalet protoner i atomkärnan • Masstal anger antalet protoner + neutroner i kärnan Olika grundämnen • I en atomkärna förekommer två olika krafter: • Elektrostatiska kraften- vill spränga sönder kärnan • Den starka kraften - håller ihop kärnan Isotoper • Det kan finnas olika varianter av ett grundämne = isotoper. • Antalet protoner är alltid detsamma för ett grundämne men neutronerna kan variera i antal • Nästan alla grundämnen har isotoper • Atommassa - Medelmassan av ett grundämnes olika isotoper Elektronbanor • Elektroner cirkulerar runt atomkärnan i ”skal” • Olika grundämnen har olika många skal beroende på hur många elektroner de har • Skalen heter K, L, M, N...osv Elektronbanor • Om man tillför energi till en atom kan en elektron hoppa mellan olika skal. • Atomen blir ’exciterad’ - mer instabil. • Den har fått mer energi än den behöver. • Elektronerna vill gärna hoppa tillbaka till ursprungsskalet. • Den frigör energi i form av en ljusblixt - foton • Det blir olika ljus beroende på vilka skal elektronen hoppar emellan. Ljus • Ju kortare våglängd desto mer energirik Gamma ← Röntgen ← UV ← ROGGBIV →IR → Mikro →Radio Ljus = elektromagnetiska vågor • Ljus - olika långa ljusvågor • Beroende på grundämne och hur mycket energi som tillförts, hoppar e- tillbaka och sänder ut strålning med olika våglängder Ljusets spektrum Synligt ljus • Vitt ljus innehåller alla färger (våglängder) • En prisma kan dela upp de olika färgerna • Varje färg har en egen våglängd som bryts olika mycket • Regndroppar är prismor ROGGBIV Ljusets spektra • Kontinuerligt spektrum • Linjespektrum • Absorptionsspektrum Röntgenstrålning • Upptäcktes av Willhelm Röntgen år 1895 • En röntgenapparat är en kamera som både sänder ut och fångar upp röntgenstrålning • Olika delar av kroppen fångar upp olika mycket strålning. Skelettet fångar upp mest och blir därför ljust på röntgenbilden • Röntgen används till att undersöka benbrott och sprickor i balkar och svetsfogar. Radioaktivitet • Av en slump upptäckte Henri Becquerel radioaktivitet år 1896. • Strålning kan uppstå när e- hoppar mellan skal men den kan också uppstå i atomens kärna • Strålningen uppkommer hos isotoper av grundämnen där kärnan innehåller för mycket energi. • Atomen blir instabil och vill göra sig av med energi för att komma i balans. • Strålning sänds ut från kärnan. Man säger att kärnan sönderfaller. Radioaktivitet • • • • Det finns tre olika typer av ”radioaktiv” strålning Alfastrålning α Betastrålning β Gammastrålning γ • Exempel på radioaktiva ämnen är Naturliga radioaktiva grundämnen • • • • • • • Aktinium Polonium Protaktinium Radium Radon Torium Uran Syntetiska radioaktiva grundämnen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Californium Copernicium Curium Darmstadtium Dubnium Einsteinium Fermium Flerovium Hassium Lawrencium Livermorium Meitnerium Mendelevium Moscovium Neptunium Nihonium Nobelium Oganesson Plutonium Prometium Rutherfordium Röntgenium Seaborgium Teknetium Tenness • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Unbibium Unbiennium Unbihexium Unbikvadium Unbinilium Unbioktium Unbipentium Unbiseptium Unbitrium Unbiunium Unkvadbium Unkvadkvadium Unkvadnilium Unkvadtrium Unkvadunium Untribium Untriennium Untrihexium Untrikvadium Untrinilium Untrioktium Untripentium Untriseptium Untritrium Untriunium Ununennium Joniserande strålning • Strålning kan slå bort elektroner från atomer inne i våra celler. Atomerna blir laddade joner. • Man säger att strålningen är joniserande • Jonerna i cellerna fungerar annorlunda än de vanliga oladdade atomerna. • Händer detta i cellkärnan kan det leda till bl a cancer. • Joniserande strålning kan också användas för att skada t ex cancerceller. Alfastrålning α • Vid alfastrålning slungas det iväg 2 protoner och 2 neutroner från kärnan. • 2 protoner + 2 neutroner = en heliumkärna • Man kan alltså säga att en heliumkärna slungas iväg vid alfastrålning • Vad händer då med den ursprungliga kärnan?? Alfastrålning α • Kärnan skjuter ut en alfapartikel = heliumkärna • Det kallas att kärnan sönderfaller • Då bildas ett nytt ämne som har 2 protoner mindre och 2 neutroner mindre. Alfastrålning α Betastrålning β • Vid betastrålning omvandlas en neutron i kärnan till en proton och en elektron • Elektronen slungas iväg medan atomkärnan ökar med en proton Betastrålning β Gammastrålning γ • Vid vissa sönderfall bildas inga partiklar, utan elektromagnetisk strålning = fotoner = gammastrålning • Efter vissa α- och β-sönderfall finns ännu mycket energi kvar i kärnan. Då kan den fortsätta sönderfalla och gammastrålning bildas. • Gammastrålning påverkar varken masstal eller atomnummer! Hur långt når strålningen? • α-strålning - tunga partiklar. Kort räckvidd. 5 cm i luften kan stoppas med papper. • β-strålning - mindre än α, svårare att skydda sig mot. Kan stoppas med 1 cm plexiglas. • γ-strålning - svår att stoppa men stoppas av bly. Halveringstid • Alla radioaktiva ämnen är instabila • Det betyder att de sönderfaller efter hand. • Det går inte att säga exakt när en atom sönderfaller, men man kan beräkna när hälften av alla atomer i ett ämne sönderfaller. • Detta kallas för halveringstid • T ex Po 210 138 dygn Pb 22 år U 238 4,5 miljarder år Kol 14 5730 år Rn 3,8 dygn Halveringstid • Varje ämne har alltså sin egen halveringstid. • Ju längre halveringstid desto mindre aktivitet har ämnet = lägre strålning. • Aktiviteten mäts i becquerel (Bq) • 1 Bq motsvarar 1 sönderfall per sekund Halveringstid Kol-14 metoden • Grundämnet kol har flera isotoper • Kol-14 är radioaktivt • Så länge en organism lever tar den upp kol från luften och då är kol-14 konstant • När organismen dör minskar halten kol-14 • Halveringstiden för kol- 14 är 5730 år Kol-14 metoden • Vill man datera gamla föremål av organiska ämnen använder man kol-14 metoden • T ex datering av gamla träföremål: man undersöker först aktiviteten hos färskt trä och jämför med det gamla föremålet. • Om 80 % av kol 14 finns kvar i föremålet är det ca 2000 år gammalt. Ismannen Ötzi • Åldern på ismannen Ötzi, som upptäcktes i de italienska alperna 1991, bestämdes med kol14-metoden till 5200 år. Vår strålningsmiljö • Vi utsätts ständigt för strålning T ex från rymden, bostäder, marken, kroppen och medicinsk strålning Vår strålningsmiljö • Rymden: kosmisk strålning • Bostäder: I lättbetong finns radium som vid sönderfall bildar radon. Det ger upphov till sönderfallsprodukter som kan vara skadliga att andas in. • Marken: I marken finns uran och andra radioaktiva ämnen som sönderfaller och utsänder strålning. Vår strålningsmiljö • Kroppen: T ex radioaktivt pollonium och radium, kalium och kol, ädelgaser och tritium • Medicin: Röntgenutrustningar och strålbehandlingar Användning av radioaktiva ämnen • Vissa grundämnen har isotoper som är radioaktiva. Ibland behöver vi använda dessa. • Joniserande strålning – bryter ner levande vävnad. Utnyttjas för att förstöra elakartade tumörer. Man kan t ex dricka jod och mäta strålningen i kroppen för att upptäcka förändringar. • Radioaktiv konstgödsling – Man kan ta reda på hur bra växterna tar upp konstgödslingen genom att mäta radioaktiviteten • Papperstillverkning – Kontroll av papprets tjocklek. Ett radioaktivt preparat strålas genom pappret. För svag strålning = för tjockt papper och vice versa. Fission • Om en urankärna beskjuts med en neutron klyvs urankärnan i två nya, ungefär lika tunga delar. • Samtidigt som kärnan klyvs, frigörs 2-3 nya neutroner. Dessa kan i sin tur klyva nya atomer. Det sker en kedjereaktion. • Vid varje kärnklyvning frigörs energi i form av värme. Den värmen drar man nytta av i en kärnkraftreaktor. • I 1 gram uran finns det 253 000 triljoner uranatomer…. Hur fungerar ett kärnkraftverk? • I ett kärnkraftverk finns kärnreaktorerna. Bränslet man använder är urandioxid (blandning mellan uran-235 och uran-238). Det ger en långsam energiutveckling. • Man har också styrstavar som fångar upp neutroner så att man kan kontrollera kedjereaktionen. • Vattnet i reaktorn har också en bromsande effekt på neutronerna. • Vattnet kokar av värmen och ångan leds till en turbin som i sin tur driver en elektrisk generator Mäta radioaktivt sönderfall • Becquerel (Bq) Becquerel är måttenheten för radioaktivt sönderfall. 1 becquerel = 1 sönderfall per sekund. • Halterna av radioaktiva ämnen i livsmedel anges som becquerel per kg eller liter (Bq/kg eller Bq/l). För vanliga livsmedel ligger gränsvärdet på 300 Bq/kg och för t ex viltkött, svamp och bär, som man äter mer sällan, ligger gränsvärdet på 1 500 Bq/kg. • Sievert (Sv) Sievert är måttenheten för stråldos (efter den svenske vetenskapsmannen, prof. Rolf Sievert). 1 Sv är en hög stråldos, på gränsen till allvarliga skadeverkningar. Oftast använder man de mindre enheterna millisievert (mSv) = 0,001 Sv och mikrosievert (µSv) = 0,000001 Sv. • Den naturliga bakgrundsstrålningen ger stråldosen ungefär 0,1 µSv på en timme 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 däremot tillsammans starta en kedjereaktion som växer mycket snabbt. • Rent uran-235 och plutonium 239 kan användas för att tillverka kärnvapen • http://laromkarnvapen.se/vad -ar-karnvapen/ Fusion • Vid fusion slås lättare atomkärnor samman så att tyngre atomkärnor bildas. • Vid fusion kan man utnyttja väteisotoperna deuterium och tritium. • 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.