Atomfysik ht 2011

Atomfysik ht 2011
Atomens historia
Atom = grekiskans a´tomos som betyder
odelbar
 Filosofen Demokritos, atomer.
 Stort motstånd, främst från Aristoteles
Trodde på läran om de fyra elementen
Alla ämnen bildas utav en blandning av luft,
eld, vatten och jord

Atomens historia
Slutet av 1800-talet trodde man att man hade
en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.
Detta var innan röntgenstrålningen,
radioaktiviteten, elektronen och Einsteins
relativitetsteori var upptäckta
Thomsons atommodell (1897)


Upptäckte elektronen och att dessa gick att
frigöra från atomen, den var alltså inte
odelbar.
Hans modell bestod av att elektronerna var
inbäddade i en positivt laddad sfär.
Rutherfords atommodell (1911)

Upptäckte protonen (atomkärnan).
Bohrs atommodell (1913)
Elektronerna finns som ett moln kring kärnan.
 De olika skalen (banorna) är lägen där
chansen är störst att det finns elektroner.
 Elektroner som befinner sig i olika skal har
olika energier.
Bohrs modell kan liknas med vårt
planetsystem där planeterna (elektronerna)
kretsar kring solen (protonerna) i olika banor.

Kvantmekaniska
atommodellen (ca 1925):

Elektronerna finns runt kärnan men rör sig
inte runt den i banor utan med vågrörelser
mot eller ifrån kärnan.
de Broglie, Louis
Atomens uppbyggnad



En atom består av 2
delar
Kärnan: atomkärnan
består av positivt
laddade protoner och
neutrala (ingen
laddning) neutroner.
Runt kärnan kretsar
negativt laddade
elektroner.
Atomens uppbyggnad



Protoner, neutroner och
elektroner =
Elementarpartiklar
Protoner och Neutroner
= Nukleoner
En atom består av lika
många protoner (+) som
elektroner (-). Därför blir
alla atomen neutrala.
Atomens uppbyggnad

Protonerna och neutronerna har ungefär lika
stora massor. Dessa har ungefär 2000
gånger så stor massa som elektronen. Därför
återfinns större delen av en atoms massa i
kärnan.
Atomens uppbyggnad

Elektronerna finns i olika skal kring kärnan,
dessa betecknas K, L, M, N …
I det innersta K-skalet får det plats 2
elektroner, i nästa (L-skalet) får det plats 8
elektroner o.s.v.
Grundämne

Ett grundämne består av ett slags atomer ex.
guld (Au), Järn (Fe), Syre (O). Det finns idag
ett hundratal kända grundämnen.
Sammansatt ämnen


Ett sammansatt ämne består av molekyler,
vilket innebär att flera atomer, av ett eller
flera olika sorter, sitter ihop med bindningar.
Ex. är Syrgas (O2), vatten, (H2O), m.m.
Atomnummer och masstal

Atomnumret anger hur
många protoner det finns
i kärnan. Väte har 1
proton i kärnan, järn har
26 stycken medan guld
har 79 stycken.
O
16
8

Masstalen anger hur
många
protoner + neutroner det
finns i kärnan.
Isotop

Isotoper är atomer av ett grundämne
som har olika antal neutroner, men
samma antal protoner.

Atomkärnan i väte består endast av en
enda proton
En atom med en neutron och en
proton kallas tungt väte (deuterium).
Är det två neutroner och en proton i
kärnan kallas det tritium.



Dessa är alltså isotoper av väte.
Diskutera
Vilka påståenden är sanna?
- Idag vet vi exakt hur en atom ser ut.
- Atomkärnan består av lika många
neutroner som protoner.
14
-
C innebär att atomkärnan består av 6
protoner och 8 neutroner.
6
- I L-skalet får det plats 8 elektroner.
Diskutera

Vad är det som bestämmer vad det är för ett
grundämne: protonerna, neutronerna eller
elektronerna?

Vad innebär sammansatt ämne?

Vad är det för skillnad på två olika isotoper av en
atom?

Vad består en atom av mest?
Vad är ljus?
Partikel eller vågor?
 Ljus är en vågrörelse (transversella vågor)
 Ljusets hastighet är 300 000 km/s.
 Det som sänds ut är fotoner (energipaket).
 Det ljus (spektrum) som vi kan se kallar vi för
elektromagnetisk strålning.
Foton

Mycket mindre än en atom.

Forskarna tror att den är utan massa
 Att den kan färdas i ljusets hastighet.

Kvant partikel. Både partikel och en våg.
Hur uppstår ljusets färger? (del 1)


Tillför man energi till
en atom kan
elektronerna lämna
sitt skal för att hoppa
till ett skal längre ut
(exitererat tillstånd).
När elektronen sen
hoppar tillbaks
sänds strålning ut,
ibland som synligt
ljus.
+
K
L
M
+
Hur uppstår ljusets färger? (del 2)

Ju mer energi som matas in i elektronen ju
längre bort från kärnan kommer den och ju
mer energi får den.
Energi fattigt
Korta hopp
Energi rikt
Långa hopp
Förklara för grannen!
Använd orden: Energi, exitererat tillstånd, energi nivå,
foton, strålning, synligt spektra
Diskutera

Vad är ljus?

Bildas alla färger när det är lite ljus? Vi ser ju
bara svart/vitt i mörker.

Kan man se på en låga vad det är varmast?
Elektromagnetiskt spektra
Strålning

Vilken sorts strålning atomen sänder ut beror
på hur stort hopp elektronen gjort. Olika
färger motsvarar olika långa hopp.

Röntgenstrålning skapas när en elektron
hoppar från ett yttre skal till ett av de innersta,
alltså ett långt hopp, vilket innebär att
röntgenstrålning är väldigt energirik.
Röntgen






Wilhelm Röntgen
Elektron som gör långa hopp
mellan skalen
Atomen avger då röntgenstrålar
Energirik och tränger lätt in i
kroppens vävnader
Skelettet fångar upp
strålningen bäst
Tandläkare, läkare
Radioaktiva ämnen
•
•
•
•
•
•
Upptäcktes av en slump
1896
Henri Becquerel
Marie och Pierre Curie
Radium och Polonium
Nobelpriset i fysik 1903
med Becquerel
Radioaktivitet




Ett radioaktivt ämne har en instabil kärna som
genom att släppa ut energi blir stabilare. Radioaktiv
strålning sänds alltså ut från atomkärnan.
Många ämnen har isotoper med instabila kärnor,
dessa är radioaktiva, t.ex. kol-14
Många av de naturligt radioaktiva ämnena har stora
kärnor (många protoner och neutroner) t.ex. uran,
radon, radium.
När kärnan sönderfaller sänds radioaktiv strålning
ut, denna kan vara av tre slag:
Sönderfall

Sönderfall är när ett nytt ämne bildas
eftersom antalet protoner och neutroner
ändras.

Kärnan avger radioaktiv strålning när
sönderfall sker.
Alfastrålning (α)
• Alfastrålning består av positivt laddade partiklar. En
alfapartikel består av två protoner och två neutroner.
Det är alltså samma sak som en atomkärna av helium.
• Om en atomkärna sänder ut en alfapartikel sänder den
alltså ut protoner, på grund av det bildas ett nytt
grundämne med två färre protoner i kärnan.
Betastrålning (β)

Betastrålning är negativt laddade elektroner.

Elektronerna sänds ut från kärnan där det inte finns
några elektroner. Dessa bildas när en neutron
sönderfaller i en proton och en elektron.
• Betastrålning innebär då att atomkärnan förlorar en
neutron och får en proton, vilket leder till att atomen nu
är ett annat grundämne.
Gammastrålning (γ)
• Gammastrålning består inte av partiklar. Det
är istället elektromagnetisk strålning.
• Gammastrålning är samma sorts strålning
som ljus och röntgenstrålning. Den är dock
energirikare och har därför kortare våglängd.
Strålningens genomtränglighet



Alfastrålningen har kort räckvidd och stoppas lätt av
ett papper eller av huden.
Betastrålningen har längre räckvidd (några meter i
luft) och stoppas av några mm tjock aluminium- eller
träskiva, stoppas även av ett lager kläder.
Gammastrålningen tränger igenom det mesta, den
kräver ett tjockt lager bly för att stoppas.
Sönderfallsserie
Att mäta radioaktivitet


Mängden strålning ett radioaktivt ämne
sänder ut kallas aktivitet. Aktiviteten mäts i
becquerel (Bq) och innebär antal sönderfall
per sekund. 1Bq innebär alltså ett sönderfall
på en sekund.
Radioaktiv strålning kallas också joniserande
strålning. Detta eftersom strålningen har
energi nog att slå bort elektroner från atomer
och på så sätt bilda joner.
Att mäta radioaktivitet


Geiger-Müller räknare (GM-rör) är
ett sätt att mäta aktiviteten hos ett
radioaktivt ämne.
Dosimeter är en liten dosa som
registrerar radioaktivitet. Alla som
arbetar med radioaktiva material
ska bära en dosimeter så att man
kan kontrollera att de inte blir
utsatta för farliga mängder
strålning.
Att mäta radioaktivitet


I en dimkammare utnyttjar man att den
radioaktiva strålningen är joniserande.
Den radioaktiva strålningen går genom
vattenånga eller ånga av alkohol och
skapar där joner som binder
vattenångan och detta kan man se som
dimspår.
En bubbelkammare är ett annat
exempel där man utnyttjar att det bildas
joner där den radioaktiva strålningen
har varit. I en bubbelkammare bildas
små vätgasbubblor kring jonerna och
på så sätt kan man se vart den
radioaktiva strålningen har varit.
Halveringstid
•
•
•
•
•
Atomkärnor faller inte
sönder samtidigt i ett
radioaktivt ämne
Halveringstid = ett mått på
hur fort sönderfallet går
Tid för hälften av alla
atomkärnor att sönderfalla
När Radium omvandlas till
Radon är halveringstiden
1620 år
Kan variera kraftigt, från en
sekund till flera miljoner år.
Halveringstiden på Cesium
efter Tjernobyl olyckan 1980
Åldersbestämning
Kol 14 metoden.
Man jämför sönderfallet av isotopen kol-14,
genom att se hur många procent av den
radioaktiva isotopen som finns kvar.
Halveringstiden för kol-14 är ca 5500 år.

Kärnenergi
Tillverkning av grundämnen





Grundämnen kan omvandlas till ett annat
grundämne
Radioaktivt sönderfall
Konstgjord väg
Ernest Rutherford 1919
Sköt alfapartiklar (heliumkärnor) mot kväve
Alfakärnan tränger in i kvävekärnan  ny instabil
kärna av syre
Atomklyvning (Fission)




Första atomklyvningen gjordes 1939
Fission
Sköt neutroner på atomkärnor
Kedjereaktion
Kärnenergi
+ Energi
Atombomben






Nyfunnen kunskap spelade
stor roll i andra världskriget
Atombomben
Miljarders miljarder
atomkärnor frigörs
Okontrollerad kedjereaktion
Mängder av energi frigörs
Explosion
Atombomben
Hiroshima 6 augusti, 1945
Nagasaki 9 augusti, 1945
Ny energikälla



Inte bara negativa effekter
Ny energikälla  kärnenergi
Använda energin som frigörs till att värma upp
vattnet i reaktorn.
Fusion



Kärnenergi skapas inte bara på jorden
Enorma mängder energi frigörs i alla
universums stjärnor
Fusion  lättare atomkärnor slås ihop
Einstein






Materia kan omvandlas till energi
Lite mängd materia = stor mängd energi
Formel: E = m • c2
W = energi och mäts i joule
m = massan i kilogram
c = ljusets hastighet m/s