Atomoch
Kärnfysik
Namn: _________________________
Mentor: _________________________
Datum: _________________________
Atomkärnan
Väteatomens kärna (hos den vanligaste väteisotopen) består endast av en proton.
Kring kärnan kretsar en elektron som hålls kvar i sin bana p g a den elektriska
dragningskraften mellan protonen och elektronen. Laddningarna hos dessa partiklar
är lika stora men protonens massa är ca 2000 gånger större än elektronens.
Elektronen rör sig runt kärnan med en hastighet av sju miljoner miljarder varv per
sekund! På grund av denna enorma hastighet kan man säga att elektronen ”finns
överallt” kring kärnan. Eftersom omloppsbanan dessutom hela tiden vrider sig,
säger man att den bildar ett skal kring kärnan.
Det allra mesta av en atoms volym är tomrum. Om vi tänker oss att atomen kunde
förstoras så att den blev som en badboll med 1 meters diameter, skulle kärnan inte
vara större än ett dammkorn som svävade i centrum av bollen.
Isotoper
Atomkärnor i ett grundämne har alltid lika många protoner men de flesta
grundämnen kan ha olika antal neutroner i kärnan. De olika varianterna av ett
grundämne kallas isotoper. Isotoper av ett grundämne uppför sig på samma sätt när
det gäller kemiska reaktioner.
Väte har tre isotoper. ”Vanligt” väte har en proton i kärnan, ”tungt” väte
(deuterium) har en proton och en neutron i kärnan och tritium har en proton och två
neutroner i kärnan. Ungefär 1 väteatom av 7000 är deuterium.
Uppgift:
Rita atommodellen för de tre väteisotoperna:
Vill man på ett kortfattat sätt ange vilken isotop en atom man har, kan man göra på
detta sätt.
18
8
O
O anger att det är fråga om en syreatom. 8 nere till vänster talar om antalet
protoner = atomnumret. 18 uppe till höger talar om totala antalet partiklar i kärnan
(protoner och neutroner) = masstalet. Man brukar kalla protoner och neutroner för
nukleoner (nuklid = kärna).
Uppgift:
68
30
Zn
Vilket grundämne är detta en atom av?_______________
Hur många protoner finns i dess kärna? ______________
Hur många nukleoner finns i dess kärna? _____________
Hur många neutroner finns i dess kärna? ______________
Hur många elektroner har atomen, när den är? __________
Vilket atomnummer har atomen? ____________________
Hur skulle man förkortat skriva en nickelatom med 31 neutroner? ___________
Radioaktivitet
Om krafterna mellan protoner och neutroner i en atomkärna är i jämvikt, säger man
att kärnan är stabil. De flesta grundämnen har stabila kärnor med nästan lika
många protoner som neutroner. Om proportionerna mellan antalet protoner och
neutroner inte är det rätta, blir atomkärnan instabil eller radioaktiv. Förr eller
senare kommer den att utsända radioaktiv strålning. Radioaktiv strålning indelas i
tre grupper:
-strålning (alfastrålning)
En atomkärna som utsänder alfastrålning, kastar ut en så kallad alfapartikel. Den
består av två protoner och två neutroner (=en heliumkärna).
Exempel: En uranatom med 143 neutroner är radioaktiv. Den sänder förr eller
senare ut en alfapartikel.
235
92
U
sönderfaller till +
4
90
Th
231
Eftersom antalet protoner i kärnan minskar med två, bildas vid sönderfallet en atom
av ett annat grundämne, nämligen torium. Alla atomkärnor med mer än 82 protoner
är radioaktiva för alfastrålning. De är för stora för att vara stabila.
-strålning (betastrålning)
Det finns två olika slags betastrålning.
-
1. -strålning
Isotopen kol-14 (en kolatom med 6 protoner och 8 neutroner) har för stor övervikt
av neutroner för att vara stabil. Den är alltså radioaktiv. Under kärnkrafternas
inverkan kan i kärnan en neutron ombildas till en proton och en elektron. Protonen
stannar i kärnan men elektronen kastas ut från kärnan. En sådan elektron som
bildas i och kastas ut ifrån kärnan kallas en betapartikel. Atomkärnan utsänder
betastrålning.
C sönderfaller till
14
6
-0
14
+ 7N
(Minustecknet visar att betapartikeln är negativ.)
Uppgift:
Vilket grundämne tillhör den atomkärna som bildas vid sönderfallet? __________
2. -strålning
+
En kvävekärna med 7 protoner och 5neutroner är ett exempel på en kärna där
protonöverskottet är för stort för att kärnan skall vara stabil. Förr eller senare
ombildas en av kärnans protoner till en neutron som stannar i kärnan och en
partikel som kallas positron som kastas ut. Positronen är en elementarpartikel med
lika stor massa som elektronen men med positiv laddning.
N sönderfaller till
12
7
+0
12
+ 6C
(Plustecknet visar att betapartikeln är positiv.)
Positronen är alltså en betapartikel .
Uppgift:
Vilket nytt grundämne bildas av kväveatomen? ____________________
Hur har kärnans laddning ändrats? ______________________________
Får atomkärnan större eller mindre laddning då den avger en positron på detta
sätt? _____________________________________________________
-strålning (gammastrålning)
Elektronerna i atomens elektronmoln kan befinna sig på olika energinivåer. När en
elektron beger sig från en högre energinivå till en lägre avges strålning, t ex i form
av ljus. Även atomkärnans partiklar kan befinna sig på olika energinivåer. När en
nukleon hoppar till en lägre energinivå avger den strålning. Denna strålning är av
samma typ som ljuset (elektromagnetisk strålning). Den är dock mycket
energirikare. Den kallas gammastrålning. Gammastrålning utsänds ofta från
atomkärnor i samband med att de utsänder alfa- eller betapartiklar.
Sammanfattning
Alfastrålning består av heliumkärnor
Betastrålning består av elektroner eller positroner
Gammastrålning utgörs av elektromagnetisk strålning
Uppgift:
Vilken eller vilka strålningstyper utgörs av partiklar med massa?
______________________________________________________________
I de fall då kärnans laddning ändras vid sönderfallet, rättar sig antalet elektroner i
elektronmolnet efter detta. Skall elektroner upptas eller avges från en atoms
elektronmoln och i så fall hur många vid:
1. -sönderfall _____________________________________________
2. -sönderfall _____________________________________________
3. -sönderfall _____________________________________________
Sönderfallsserier:
Det är inte säkert att en atomkärna som sönderfaller direkt når ett tillstånd där den
är stabil. Den nya kärnan som bildas kan fortfarande vara radioaktiv och
sönderfalla i sin tur senare. När kärnor på detta sätt sönderfaller i flera omgångar
innan de når ett stabilt stadium kallas det sönderfallsserier. Nedan visas ett exempel
på en sönderfallsserie som startar med uran-235. Ovanför pilen visas vilken typ av
sönderfall det är frågan om. I stället för grundämnenas förkortningar har hela namn
skrivits ut.
Fyll i vid pilarna vilken typ av sönderfall som skett. Gammastrålning utsänds vid
flertalet sönderfall.
OSTABIL
Uran-235
Torium-231
Protaktium-231
Aktinium-227
Torium-227
Radium-223
Radon-219
Polonium-215
Astat-215
Vismut-211
Polonium-211
STABIL
Bly-207
Joniserande strålning
Både alfa-, beta- och gammastrålning är joniserande strålning. När strålningen
passerar andra atomer kan den slita bort elektroner ur dessas elektronmoln. Då
bildas joner av de atomer som passeras. Radioaktiv strålning är farlig för bland
annat människan. När de molekyler som bygger upp människokroppen träffas av
radioaktiv strålning slits de sönder. Om alltför många molekyler slits sönder hinner
inte kroppen med att reparera skadorna.
Uppgift:
Tag reda på t ex i någon lärobok vilken strålningstyp som är farligast.
_____________________________________________________________
Vilken är minst farlig?
_____________________________________________________________
Med räckvidden för t ex alfastrålande preparat menas hur långt de utstrålande
alfapartiklarna hinner genom något material innan de stannats upp. Räckvidden är
olika i olika material.
Ungefär hur lång är räckvidden för alfastrålar i luft?
_____________________________________________________________
Ungefär hur lång är räckvidden för betastrålar i luft?
_____________________________________________________________
Vilka olika sätt kan du komma på att göra om man vill utsätta sig för så lite
radioaktiv strålning som möjligt från ett radioaktivt preparat?
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
Halveringstid:
Man kan inte se på förhand vilka människor som kommer att bli offer i trafiken ett
kommande år. Däremot kan man säga ganska säkert hur många det kommer att bli.
Det förhåller sig på liknande sätt med ett preparat som innehåller radioaktiva
atomer. Man kan inte förutsäga när en viss atom kommer att sönderfalla. Dock kan
man säga hur lång tid det kommer att ta innan hälften av alla preparatets atomer
sönderfallit, eller preparatets aktivitet har minskat till hälften. Det kallas det
radioaktiva ämnets halveringstid. Med aktivitet menar man antal sönderfall per
sekund. Ju längre halveringstiden är, desto lägre aktivitet har ämnet.
Halveringstiden kan variera mellan 0,000 000 000 1 sekunder och
1 000 000 000 000 000 år.
Uppgift:
Av ett radioaktivt preparat har hälften av atomerna sönderfallit efter 3 h. Hur lång
är preparatets halveringstid? _______________________________________
Hur lång tid tar det innan 3/4 av ett preparat sönderfallit om dess halveringstid är
1 000 år? _____________________________________________________
Av ett preparat har 7/8 av atomerna sönderfallit efter 3 h. Hur lång är preparatets
halveringstid? __________________________________________________
Kärnreaktioner
På senare tid har man lärt sig hur man kan få atomkärnor att reagera med varandra.
Man utför kärnreaktioner. Observera skillnaden mellan kemiska reaktioner och
kärnreaktioner.
Vid kemiska reaktioner slår sig atomer ihop på olika sätt genom att
elektronmolnen ”fäster vid varandra”.
Vid kärnreaktioner förändras kärnorna så att det bildas nya grundämnen eller
andra isotoper av grundämnet. Antalet elektroner i atomens elektronmoln ändrar sig
efter vad som händer med kärnorna.
Ett relativt enkelt sätt att åstadkomma kärnreaktioner är att bombardera atomkärnor
med neutroner. Neutronerna är oladdade och kan därför nå atomkärnnorna utan att
ha höga hastigheter. Huvudsaken är att de har rätt riktning så att de träffar en kärna
(kärnan är ju mycket liten jämfört med hela atomen). Sänder man många neutroner
under en längre tid mot ett föremål av någon sorts atomer, kommer förr eller senare
en av dess kärnor att träffas av en neutron. Genom att bombardera olika atomer
med neutroner och se vad som händer har man lärt sig mycket om atomkärnan.
Exempel: Om en kväve-14 kärna träffas av en neutron, släpper den ifrån sig en
proton och atomkärnan blir en kolisotop, som är radioaktiv, kol-14.
14
N
7
1
+n
blir
14
C
6
+
1
p
Uppgift:
Skall elektronerna upptas eller avges från atomens elektronmoln, när dess kärna
omvandlas på detta sätt, och hur många?
_____________________________________________________________
Vill man få t ex en proton att reagera med en atomkärna är problemen större.
Protonen och atomkärnan har samma laddning. Man måste ha oerhört stor
rörelseenergi på protonen om den skall kunna komma så nära atomkärnan att
kärnkrafterna skall kunna fånga in den. För att kunna utföra sådana reaktioner,
fordras apparater t ex cyklotroner, synkrotroner, synkroncyklotroner o s v. Det är
ofta mycket stora och dyra att bygga. De rektioner som kan utföras med dem ger
mycket kunskaper om atomkärnorna och elementarpartiklarna.
Atomenergi
Einsteins relativitetsteori är en modell som beskriver hur föremål beter sig då de
når hastigheter nära ljusets. En konsekvens av hans teori är att materia är en form
av energi. På samma sätt som värme kan omvandlas till någon annan form av
energi t ex mekaniskt arbete (i en ångmaskin), skulle alltså också materia kunna
omvandlas till energi i annan form. Det finns flera exempel på att detta är riktigt.
Exempel: Positronen, en av betapartiklarna, har tidigare nämnts. Det är en partikel
som har samma massa som en elektron men den har positiv laddning. När en
positron kommer i närheten av en elektron försvinner plötsligt bägge partiklarna
och i stället bildas gammastrålning. Energin som förekom som materia i elektronen
och positronen har alltså omvandlats till energi i form av strålning. Man säger att
positronen är elektronens antipartikel. När en partikel träffar sin antipartikel
övergår deras materia till energi i form av strålning.
elektron
positron
gammastrålning
1 kg motsvarar enorma mängder energi. Omvandlingen från kg till joule följer
formeln
E=m c
2
energin i joule = massan i kg (ljusets hastighet i m/s)
Massan 1kg ger energimängden:
2
1 (300 000 000) =90 000 000 000 000 000joule.
2
Uppgift (för dig som kan tiopotenser):
I solen omvandlas materia till strålning genom kärnreaktioner. Genom att mäta den
strålning, som når jorden, kan man beräkna att solen varje sekund avger
25
energimängden 36 . 10 joule. Hur mycket minskar solens massa varje sekund?
_____________________________________________________
Atomreaktorn
235
Om en mycket tung atomkärna, t ex 92U , träffas av en neutron, faller den sönder i
två ungefär lika stora kärnor samtidigt som 2 - 3 neutroner frigörs. Jämför man
massan på den ursprungliga kärnan med slutprodukterna finner man att ungefär 0,1
% av massan försvunnit. Materia har alltså omvandlats till energi i annan form. I
detta fall blir det strålning och värme (rörelseenergi hos de partiklar som bildas).
56
Ba 144
n
92
U 235
n
n
36
Kr 89
n
I figuren ser du att det till exempel kan bildas en bariumkärna och en kryptonkärna
av urankärnan.
Om man i en klump uran klyver en av atomkärnorna med en neutron, kan de då
nybildade neutronerna i sin tur klyva andra kärnor i klumpen o s v. Man får en
kedjereaktion där energi hela tiden frigörs i form av värme och strålning. Det
utnyttjas i en atomreaktor. Som bränsle används stavar av atomer med tunga
kärnor, som klyvs då de träffas av neutroner varvid samtidigt nya neutroner frigörs.
Man får kedjereaktionen att gå lagom fort genom att absorbera (suga upp)
neutronerna om de blir för många. Värmen från reaktorn kan förånga vatten som
kan driva turbinhjul som driver generatorer. Värmeenergin kan alltså omvandlas till
t ex elektrisk energi.
I en atomreaktor klyvs alltså tunga atomkärnor varvid massa omvandlas till energi i
annan form. Man kallar detta fission (atomklyvning).
Uppgift:
Hur mycket massa omvandlas till annan energiform vid klyvning av 1 kg uran?
________________________________________________________________
Hur mycket energi får man alltså av 1 kg uran? __________________________
Klarar du detta?
1 kg bensin ger vid förbränning ungefär 4 . 10 joule. Hur många kilo bensin
motsvarar 1 kg uran energimässigt?
7
________________________________________________________________
Atombomben
När man slår ihop mycket lätta atomkärnor till tyngre omvandlas också materia till
energi i annan form. Det är sådana reaktioner som sker i solens inre. Där
omvandlas bland annat vätekärnor efter flera delreaktioner till heliumkärnor. Vid
denna reaktion omvandlas ungefär 0,7 % av massan till energi i annan form
(strålning och värme).
Väte finns det gott om i jordens världshav. Det vore därför önskvärt att man lär sig
att bygga en reaktor där man kan få dessa reaktioner att ske i lagom takt. Som
tidigare nämnts fordras hög hastighet på kärnorna för att de skall kunna komma i
kontakt med varandra och reagera. Det innebär att det behövs hög värme, minst
fem millioner grader Celsius, för att reaktionen skall komma igång. Än så länge har
man bara lärt sig att sätta igång reaktionen (vätebomben). Man har inte lärt sig hur
man kan bromsa den.
En kärnreaktion där man slår ihop lätta kärnor till tyngre varvid materia övergår till
energi i annan form kallas fusion. I solens inre och i vätebomben sker alltså
fusioner.
