Atom- och 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. 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 8O 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). 68 30Zn 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. 92 U235 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. 6 C14 sönderfaller till - 0 + 7 N 14 (Minustecknet visar att betapartikeln är negativ.)
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. 7 N12 sönderfaller till + 0 + 6 C 12 (Plustecknet visar att betapartikeln är positiv.) Positronen är alltså en betapartikel. 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 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 STABIL Bly-207 Polonium-211
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. 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. 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. 7 N14 + n 1 blir 6 C 14 + p 1 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) 2 Massan 1kg ger energimängden: 2 (300 000 000) =90 000 000 000 000 000joule. 1
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 energimängden 36. 10 25 joule. Hur mycket minskar solens massa varje sekund? Atomreaktorn Om en mycket tung atomkärna, t ex 92 U 235, 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). n 56 Ba 144 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). 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 7 joule. Hur många kilo bensin motsvarar 1 kg uran energimässigt?
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.