Atom- och kärnfysik

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 2𝐻𝑒, α • När ett ämne sönderfaller skjuts då en alfapartikel ut och ett nytt ämne bildas. • Ex.

238 92𝑈

->

234 90𝑇ℎ

+ 42𝐻𝑒

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.

Vår strålningsmiljö • Vi utsätts ständigt för strålning. Det strålar från t.ex. rymden, bostäder, marken, kroppen och medicinsk strålning. • Marken: I marken finns uran och andra radioaktiva ämnen som hela tiden sönderfaller och utsänder strålning. • Rymden: Där finns det kosmisk strålning. • I kroppen: T.ex. kol-14 • Bostäder: I lättbetong finns det radium och när det sönderfaller bildas ämnet radon. Den ger upphov till sönderfallsprodukter som kan vara skadliga för oss att andas in. Finns i s.k. radonhus. • Inom medicin: Av röntgenundersökningar och strålbehandlingar. • För att få använda vissa apparater måste man få det godkänt av SSI, Statens strålningsinstitut. De kontrollerar även strålningen i kärnkraftverk.

Dosimeter

• Strålningen kommer in i vår kropp genom näsan, munnen och huden. • Vi har inget sinne som gör att vi kan upptäcka strålning. • Personer som arbetar på kärnkraftverk bär därför en dosimeter som registrerar hur mycket strålning som personen blivit utsatt för. • Det finns sådana som man avläser direkt och sådana som man framkallar i efter hand och kan då se ett resultat över lång tid.

Användning av radioaktiva ämnen • Vissa grundämnen har isotoper som är radioaktiva. I vissa fall behöver vi använda dessa. • Joniserande strålning – den bryter ner levande vävnad. Utnyttjas för att förstöra elakartade tumörer. Ibland dricker man en lösning som innehåller jod och sedan mäter man strålningen i kroppen för att upptäcka förändringar i kroppen. • Radioaktiv konstgödning – Man kan mäta radioaktiviteten i växter för att ta reda på hur bra växten tar upp konstgödslingen. Man kan också använda den för att förändra egenskaper hos en växt och den kan då bli bättre. • Vid papperstillverkning- för att pappret ska bli en viss tjocklek låter man ett radioaktivt preparat stråla igenom pappret. Strålningen fångas upp av en detektor. Blir strålningen för svag så är pappret för tjockt är det för stor strålning är pappret för tunt.

Fission – Kärnklyvning • Om en urankärna beskjuts med en neutron klyvs urankärnan i två nya, ungefär lika tunga delar. • Samtidigt som en kärna klyvs, frigörs två eller tre nya neutroner. Dessa kan i sin tur klyva andra 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 (innehåller en blandning av uran-235 och uran-238) vilket ger långsam energiutveckling. • Man har också styrstavar som fångar upp neutroner så att man kan kontrollera kedjereaktionen. • Vattnet i reaktorn har också har 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 dock 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 ( H) och tritium ( H). • 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.