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
2๐ป๐, α
• När ett ämne sönderfaller skjuts då en
alfapartikel ut och ett nytt ämne bildas.
• Ex.
238
92๐
->
234
90๐โ
+ 42๐ป๐
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.
