Atomfysik Partikelacceleratorn i Cern, Schweiz. Heliumatom Marie Curie, kärnfysiker, 1867 – 1934.

En presentation över ämnet: "Atomfysik Partikelacceleratorn i Cern, Schweiz. Heliumatom Marie Curie, kärnfysiker, 1867 – 1934."— Presentationens avskrift:

1 Atomfysik Partikelacceleratorn i Cern, Schweiz. Heliumatom Marie Curie, kärnfysiker, 1867 – 1934.

2 Atom (grek. odelbar) Ordet atom användes för att beskriva materians minsta beståndsdel. Nu vet vi att atomen också kan delas in i mindre delar. Dansken Niels Bohr utformade en modell för hur atomen fungerar. Modell av en kväveatom. 

3 Atomen delar Atomen består av en kärna som innehåller protoner (som är positivt laddade) och neutroner (som är oladdade). Runt kärnan kretsar elektroner (som är negativt laddade) på olika avstånd. Kolatomen har sex protoner i kärnan och har därför atomnummer 6.

4 Atom Fakta Atomen är som helhet oladdad (det finns lika många elektroner som protoner). I princip hela atomens massa är koncentrerad i kärnan. En proton och en neutron har ungefär lika stor massa. En neutrons massa är ungefär 2000 gånger så stor som elektronens. Kärnans densitet är enormt hög. Om en sockerbit hade samma densitet som en atomkärna skulle den väga ca 300 miljoner ton.

5 Elektronskalen Elektronerna befinner sig i olika elektronskal runt kärnan. Det innersta skalet (k-skalet) kan ha som mest 2 elektroner. Nästa skal (l-skalet) kan ha som mest 8 elektroner. Nästa skal (m-skalet) också 8. Atomen strävar efter att det yttersta skalet ska vara fullt. Det yttersta skalets elektroner kallas valenselektroner.

6 Isotoper Olika atomer av samma slag. Har lika många protoner men olika många neutroner. Har samma atomnummer men olika masstal. Många grundämnen består naturligt av en blandning av olika isotoper.

7 13-11-26 Vätets 3 isotoper Formerna ovan kallas för 1. ”vanligt väte”, 2. ”tungt väte” eller ”deuterium” och 3. ”supertungt väte” eller ”tritium” Observera! Väte förekommer alltså endast i dessa tre former och det kallas för ”vätets 3 isotoper”.

8 Elektroner kan ge sig iväg till ett yttre skal om man tillför energi t.ex genom att värma ett ämne.

9 13-11-26 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 + - -

10 13-11-26 Ju mer energi som matas in i elektronen ju längre bort från kärnan kommer den och ju mer energi får den. Hur uppstår ljusets färger? (del 2) Energi fattigt Korta hopp Energi rikt Långa hopp

11 13-11-26 Förklara för grannen! Använd orden: Energi, exitererat tillstånd, energi nivå, foton, strålning, synligt spektra

12 13-11-26 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.

13 Radioaktivitet De flesta grundämnena har stabila atomkärnor. En del har de inte, deras kärnor faller sönder så att två nya (mindre) atomer bildas. Dessa ämnen är radioaktiva. Radium Uran Polonium

14 Radioaktiv strålning Äldre benämning på joniserande strålning, strålningen är i sig inte radioaktiv utan sänds ut av radioaktiva ämnen.

15 Strålning inifrån Vi har strålning runt omkring oss och faktiskt i oss Vårt skelett innehåller radioaktivt polonium och radium, vi har radioaktivt kol och kalium i musklerna, vi har radioaktiva ädelgaser och tritium i lungorna

16 Varför tar kroppen upp allt detta då? Kroppen kan inte skilja på radioaktivt/icke radioaktivt ämne, den tar upp båda varianterna Ex: kol förekommer i 8 varianter (isotoper!) C12 och C13 är stabila, resten är mer eller mindre radioaktiv och alla formerna tas upp/ finns i vår kropp.

17 Strålning utifrån Ex. Tjernobyl Rymden Mobiler, TV, elektriska apparater Mat Bostadens byggmaterial (radon) Självlysande armbandsur, klockor,brandvarnare,blå dekorfärg i gammal porslin

18 Radioaktivitet Egenskap hos vissa atomkärnor att spontant sända ut joniserande strålning och då övergå till en dotterkärna (annat ämne).

19 Joniserande strålning Strålning som har förmågan att slå ut elektroner ur atomer och på så sätt förvandla dom till joner. Det finns många olika sorters joniserande strålning

20 Madame Curie Marie Curie, född 1867 i Polen, blev senare fransk medborgare. Arbetade tillsammans med sin man Pierre Curie, de studerade radioaktivitet. Fick nobelpriset två gånger: – 1903 tillsammans med Henri Becquerel för sitt arbete med radioaktivitet. – 1911 för upptäckten av grundämnena Radium och Polonium. Fick ett grundämne uppkallad efter sig (Curium). Dog 1934 av strålningen som hon utsattes för i sitt arbete.

21

22 Alfa-strålning  Uppstår vid alfa-sönderfall.  Består av heliumkärnor  Två Protoner och två Neutroner  Väldigt liten räckvidd (10cm i luft)  Stoppas av ett papper

23 Men vad är alfastrålning egentligen? När det gäller alfastrålning så slungas det iväg 2 protoner och 2 neutroner från kärnan.(2 protoner och 2 neutroner är en heliumkärna, så man kan även säga att en heliumkärna slungas iväg.) Vad händer då med den ursprungliga kärnan?

24 Hur förstörs vävnaden av strålningen? Alfastrålning stoppas mycket lätt av material i dess väg. Den kan exempelvis inte tränga igenom det yttersta lagret hud på människokroppen. Alfastrålning är endast farlig om man får i sig den genom födan eller genom inandning. Men! Har man fått i sig den, så gör den mycket skada! Det är som en elefant som bryter sig in genom en vägg…

25 Beta-strålning Uppstår vid beta-sönderfall. En neutron som omvandlas till en proton och en elektron. Består av elektroner. Når ca 10m i luft. Stoppas av en glasruta.

26 Vad är betastrålning? När det gäller betastrålning så omvandlas en neutron i kärnan till en proton, en elektron (och en antineutrinon) Elektronen slungas iväg medan atomkärnan ökar med en proton! Överkurs: neutrinon är en elementarpartikel som tillhör familjen leptoner och saknar elektrisk laddning.

27 Betastrålning Betapartiklar med en energi på 2 MeV har en räckvidd på ungefär en centimeter i vävnad och 10 meter i luft. Betapartiklar i stor mängd kan orsaka cancer eller vara dödande. Betastrålning kan enkelt skärmas med plåt eller glasrutor

28 Gamma-strålning Bildas tillsammans med alfa och beta- strålning. Består av elektromagnetisk strålning med kortare våglängd än Röntgen-strålning. Stoppas av en betongvägg eller bly.

29 Vad är gammastrålning? Gammastrålning är en typ av elektromagnetisk strålning som inte avger några partiklar! Andra typer av elektromagnetisk strålning är t ex röntgenstrålning, UV- ljus, osv I rymden finns mycket gammastrålning.

30 Gammastrålning Gammastrålning är den mest genomträngande formen av strålar som förekommer i samband med radioaktivitet. Gammastrålningen finns i den kosmiska strålningen. Den kan stoppas med hjälp av en betongvägg eller bly. radioaktivitetbetongväggbly

31 Alfastrålning och betastrålning När en atom sönderfaller avges strålning. Det finns olika sorters sönderfall – Alfasönderfall – Betasönderfall Från en atomkärna sticker det iväg två protoner + två neutroner (alltså en heliumkärna). Detta kallas alfastrålning. En neutron kan falla sönder och bli till en proton och en elektron. Elektronen skickas iväg och detta kallas betastrålning.

32 Strålningsskydd

33 Gammastrålning Vid vissa sönderfall uppstår också gammastrålning. Den är en sorts elektromagnetisk strålning som liknar röntgenstrålar. Gammastrålning tränger igenom mycket och det behövs en c:a 10 cm tjock blyplatta för att stoppa den. Om man utsätts för gammastrålning uppstår cancer.

34

35 13-11-26 Sönderfallsserie

36 Den här kunskapen kan vi använda för att bestämma åldern på t.ex. dinosaurieskelett. Kol-14-metoden handlar om att vi vet hur lång halveringstiden är på kol med atomvikten 14. Halveringstid I t.ex. ett stycke Uran sönderfaller atomerna i hyfsat jämn takt, inte alla samtidigt alltså. Den tid det tar för hälften av atomerna i uranstycket att sönderfalla, kallar man halveringstid. Olika ämnen har olika halveringstid.

37 13-11-26 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.

38 13-11-26 Halveringstid/ Kol-14 metoden Olika radioaktiva ämnen har olika halveringstider Halveringstid innebär hur lång tid det tar för hälften av ämnet att försvinna… Kol -14 isotopen har en halveringstid på 5730 år. Se hur ämnet halveras här till höger =>

39 13-11-26 kol-fjorton-datering, kol-14-datering, åldersbestämning som utnyttjar den radioaktiva kolisotopen 14C. När kosmisk strålning kolliderar med molekyler i jordens atmosfär bildas bl.a. neutroner. I övre atmosfären bildas den då radioaktiva kolisotopen 14C genom reaktioner mellan neutroner och kväve. I atmosfärens koldioxid blandas 14C homogent med de stabila kolisotoperna 12C och 13C. Via fotosyntesen tas koldioxid upp av växterna, vilka så länge de lever kommer att ha samma 14C/12C-förhållande som atmosfären. Djur lever direkt eller indirekt av växter och får därför också samma isotopkvot som atmosfären. När organismerna dött kan ingen mer atmosfärisk koldioxid tas upp, varför isotopkvoten 14C/12C successivt minskar genom radioaktivt sönderfall av 14C i det döda materialet. Genom att mäta 14C/12C-kvoten hos ett prov kan därmed dess ålder beräknas. Detta har inneburit ett stort framsteg för främst arkeologin och kvartärgeologin, eftersom forskarna kunnat upprätta årtalskronologier långt bakåt i tiden. Metoden kan inte användas för alltför gamla prover; bakre gräns är ca 70 000 år. Om Kol-14 metoden ifrån NE:

40 Hur mäter man radioaktivitet? Jo man mäter antalet sönderfall per sekund. Ett sönderfall per sekund = 1 becquerel (förkortas Bq). Med ett GM-rör kan man registrera sönderfall. GM är förkortning för Geiger-Müller

41 13-11-26 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.

42 13-11-26 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.

43 Varför är joniserande strålning farligt? Joner är kemiskt reaktiva och kan orsaka skador på levande vävnad. Strålningen bryter sönder DNA-spiralen. Hur farlig strålningen är beror på dos, exponeringstid och vilken sammansättning strålningen har.

44 Hur mäter man strålning? Ett ämnes radioaktivitet mäts i Becquerell (Bq). 1Bq är ett sönderfall per sekund. Stråldosen som man utsätts för mäts i millisievert (mSv)

45

46 13-11-26 Atomklyvning (Fission) Första atomklyvningen gjordes 1939 Fission Sköt neutroner på atomkärnor Kedjereaktion

47 Fission Fission är motsatsen till fusion. Atomkärnorna delas och blir till två mindre atomer. Vi har bemästrat fissionen och kan använda det både för att utvinna energi och som vapen. (Kallas klyvningsprodukter) 1.En neutron träffar en atomkärna 2.Den klyvs och blir till två mindre atomer, samtidigt frigörs fria neutroner + en massa värmeenergi 3.De fria neutronerna träffar andra atomkärnor, osv. 4.Det blir alltså en kedjereaktion

48 Fission Fission betyder klyvning. Betyder att man klyver atomkärnor. Sker i Kärnkraftverk och Kärnvapen. Vid klyvning av atomkärnor frigörs enorma mängder energi.

49 Fission eller kärnklyvning Med kärnklyvning menas att man splittrar atomkärnor genom att beskjuta dem med fria neutroner. För att en kärnklyvning skall kunna ske, måste det finnas tillgång till material som kan klyvas. I kärnkraft har man valt uran. Figur 1 visar en modell av kärnklyvning, av ämnet uran. När neutronen träffat atomkärnan, splittras atomkärnan i två ungefär lika stora delar. Härvid frigörs det även en mängd värmeenergi samt två eller tre nya neutroner. Det är sedan den frigjorda värmeenergin som tas till vara för att producera el. De nya neutronerna kan i sin tur klyva nya atomkärnor och man får ett fortsatt frigörande av energi, en så kallad kedjereaktion,se figur 2.

50 Kärnklyvning  Klyvbart material (Uran eller Plutonium)  En neutron skickas mot en klyvbar kärna.  Atom kärnan går i bitar.  Då frigörs 2-3 nya Neutroner och Energi.  De nya Neutronerna klyver nya kärnor.  En kedjereaktion har startats.  I ett kärnkraftverk är reaktionen kontrollerad medan den i kärnvapen är okontrollerad.

51 13-11-26 Kärnenergi + Energi

52 13-11-26 Varför är det viktigt att veta mycket om kärnkraft? 1. Hälften av vår el kommer från kärnkraftverk 2. För att kunna följa med i samhällsdebatten. 3. För att se fördelar/nackdelar med tekniken 4. För att själv ta ställning!

53 Kärnkraftverk I kärnkraftverkets reaktor sker hela tiden kärnklyvningar, där vi använder Uran som bränsle. Vi kan kontrollera hastigheten på reaktionerna med styrstavar och genom att kombinera uran-238 och uran-235 till rätt proportioner. Värmen som uppstår vid reaktionerna värmer upp vatten till ånga, som i sin tur driver en turbin som alstrar ström. Genom induktion!

54 13-11-26

55 Faror med kärnkraft Om vi tappar kontrollen över reaktionerna som kan en katastrof inträffa. Detta hände i Tjernobyl 1986. Trots att det skedde ända borta i nuvarande Ukraina så påverkade detta Sverige i form av höga stråldoser.

56 Kärnvapen Om man medvetet framkallar en okontrollerad kedjereaktion, kan detta användas som ett massförstörelsevapen. Konsekvenserna av att använda kärnvapen blir stora. Bl.a. genetiska sjukdomar hos de som överlever. Ironiskt nog har kärnvapen benämnts som en fredsbevarande uppfinning. Eftersom ingen vill starta kärnvapen krig, upprätthålls så kallad terrorbalans.

57 Fusion Fusion är en sammanslagning av atomkärnor. Detta sker hela tiden i solen, då två väteatomer slås ihop till en heliumatom.

58 13-11-26 Fusion Kärnenergi skapas inte bara på jorden Enorma mängder energi frigörs i alla universums stjärnor Fusion  lättare atomkärnor slås ihop

59 Fusion Betyder sammansmältning av atomkärnor. När atomkärnorna slås ihop frigörs enorma mängder energi. Solens energi kommer från fusion. På jorden förekommer bara fusion i större skala i vätebomber. För att fusion ska kunna ske måste först extrema temperaturer och tryck uppnås.

60 Fusion eller sammanslagning Fusion är den energi som driver solen och stjärnorna. Fusion sker då lätta ämnen, till exempel vätekärnor, smälter samman till tyngre ämnen, samtidigt som enorma mängder energi frigörs. För att detta skall kunna ske krävs extremt höga temperaturer och tryck. I solen och stjärnorna gör starka gravitationskrafter det enkelt för fusion att ske naturligt. På jorden är det mycket svårare att uppnå dessa förutsättningar dock skulle det vara mycket fördelaktigt att utnyttja fusion på jorden då det krävs nämligen endast 10 gram deuterium, framställt ur 500 liter vatten, och 15 gram tritium, framställt ur 30 gram litium, för att försörja en medelsvensk med all elektricitet han behöver under sin livstid.

61 Enorma mängder energi frigörs vid fusionen av två atomer. Om vi skulle kunna ta till vara denna energi skulle vi till stor del ha löst energifrågan. I filmen ”The Saint” från 1997, har Dr. Russel (t.v.) hittat ett sätt att ta till vara energin hos fusioner genom en metod som hon kallar Cold Fusion. I dagsläget kan vi inte göra detta i verkligheten, men kan vi det i framtiden?

62 Albert Einstein Föddes i Tyskland 1879, flyttade senare till Italien, Schweiz och slutligen till USA. Teoretisk fysiker som ligger bakom relativitetsteorin. Hans formel E = mc 2 förklarar sambandet mellan energi och massa. Fick nobelpriset i fysik 1921 för sina upptäckter om fotoelektrisk effekt. Hans arbete ledde senare bl.a. till uppfinningar som kärnkraft och kärnvapen.