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 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
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.
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.
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 U 238 Kol 14 Rn 22 år 4,5 miljarder år 5730 år 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 kol- 14-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
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 Atombomb
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.