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
ömnen 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.
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
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
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 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.
