Presentation laddar. Vänta.

Presentation laddar. Vänta.

ATOM och KÄRNFYSIK 1. Bohrs atommodell 2 Chadwicks atommodell 3.

Liknande presentationer


En presentation över ämnet: "ATOM och KÄRNFYSIK 1. Bohrs atommodell 2 Chadwicks atommodell 3."— Presentationens avskrift:

1 ATOM och KÄRNFYSIK 1

2 Bohrs atommodell 2

3 Chadwicks atommodell 3

4 Modern atommodell 4

5 I modellen av Bohr cirkulerar elektronerna i exakta banor. Schrödingers ekvation visar att elektroner inte har exakta banor. Det finns bara en sannolikhet att en elektron befinner sig på en specifik position. Vi använder ordet elektronmoln för att beskriva fördelningen av sannolikhetstäthet. 5

6 Kvantmekanisk beskrivning av väteatomen Elektronens sannolikhetsfördelning Den kvantmekaniska beskrivningen ger förutom energinivåer också sannolikheten att hitta elektronen i ett givet läge. Dessa sannolikhetsfördelningar varierar från tillstånd till tillstånd. Elektronernas rörelser beskrivs av Schrödingers ekvation. 6

7 Sammanfattning atommodeller 400 f. KrDemokritosTomrum + odelbara atomer 330 f. KrAristoteles4 elementen, kontinuerlig materia 1810DaltonHård sfär 1888RydbergSystematiserade experimentella spektra 1900Thomson"Russinkaka", negativa elektroner inbäddade i positiv laddning 1910RutherfordKlassiskt omöjlig planetmodell, liten tung kärna 1913BohrPostulerade stabil planetmodell, introducerar kvantisering 1924De BroglieVåg-partikel dualism 1924Schrödinger, Icke-relativistisk kvantmekanik. HeisenbergSannolikhetstolkning, vågfunktioner 1930DiracRelativistisk kvantmekanik. Förklarar spinn och antipartiklar 1950FeynmanKvantelektrodynamik (QED). Kvantiserat EM fält som finns även i vakuum. Spontan emission 1970Weinberg/SalamElektrosvag växelverkan. QED + svag växelverkan 1990"Standardmodellen"; QED + svag vv + stark vv 7

8 Atomen består av en atomkärna i centrum med ett antal elektroner roterande runt kärnan. Mellan kärnan och elektronerna är det tomrum. Atomens massa utgörs huvudsakligen av protonens och neutronens massa (elektronens massa är så förtvivlat liten i förhållande till de andra två att man kan bortse från den när man beräknar atomens massa). Atomen 8

9 Atomkärnan består av protoner och neutroner. Protoner är positivt laddade. Neutroner är neutrala, dvs. oladdade. Elektronerna är negativt laddade. Atomen som helhet är oladdad. Kärnans positiva laddning motsvaras av en lika stor negativ laddning. En atom har lika många protoner i kärnan 9 Antalet elektroner i varje skal 2n² n = skalets nummer Skalen K,L,M,N osv.

10 Masstalet = antalet protoner + antalet neutroner Atomnummer =antal protoner Antalet neutroner kan beräknas genom att dra bort (subtrahera) atomnumret från masstalet. 10

11 Vanligt väte Tungt väte (Deuterium) Tritium En proton En proton och en neutron En proton och två neutroner Atomnummer = 1 Masstal = 1Masstal = 2Masstal = 3 ISOTOPER 11

12 12

13 13

14 Elektronbanor 14

15 En atom ä r uppbyggd av bl.a elektroner som kretsar runt atomens k ä rna i best ä mda banor. N ä r ett ä mne v ä rms upp tillf ö rs varje atom i ä mnet energi, detta g ö ra att elektronen/elektronerna rubbas fr å n sin best ä mda bana runt k ä rnan, sitt grundtillst å nd (normala banan), till en bana l ä ngre ut fr å n k ä rnan. Ju l ä ngre ut fr å n k ä rnan elektronen kretsar desto st ö rre ä r atomens energi. N ä r sedan elektronen "str ä var" efter att ta sig tillbaka till sin ursprungliga bana. Detta g ö r den genom att "hoppa" direkt till den normala banan eller att "mellanlanda" i en av de andra banorna. N ä r elektronen "hoppar" in avger atomen energi i form av en ljusblixt med en best ä md f ä rg, en s k foton. Fotonens energi ä r ljusets f ä rg. Elektronbanor 15

16 Bohrs väteatom - beskrivning av modellen Bohr utgick från Rutherfords bild av atomen, dvs en positivt laddad kärna omgiven av elektroner, men gjorde två nya antaganden. • Elektronerna kan bara befinna sig i vissa diskreta energinivåer. • Elektronerna utsänder inte e-m vågor i dessa banor. Dessa tillstånd/banor kallas därför för stationära tillstånd. När en elektron byter tillstånd så utsänds en foton EiEi EfEf + - n =1 n =2 n =3 16

17 När elektronen faller till bana 2 avges synligt ljus. Rött ljus Blått ljus Blått ljus har högre energi än rött ljus. Fotonens energi beror på mellan vilka banor elektronerna faller. 17

18 Vilket ljus det blir v ä xlar beroende p å till vilken bana elektronen faller in p å. Den faller inte alltid tillbaka till ursprungsbanan med det samma utan "mellanlandar" p å en bana p å v ä gen till den ursprungliga. Det ä r dock endast d å elektronen faller in p å bana tv å som det avges synligt ljus. En det blir bl å tt ljus har elektronen fallit fr å n en bana l ä ngre ut ä n en som ger r ö tt ljus. Allts å en atom som avger bl å tt ljus har st ö rre energi en som avger r ö tt ljus. Ultravioletta str å lar bildas d å elektronen faller in till bana 1 och infrar ö tt ljus d å elektronen faller in till bana 3. Endast när elektronen faller in till bana 2, ger den synligt ljus. 18

19 Hoppande elektroner skapar ljus 19

20 Stålverk När järnet smälts tillförs energi. Elektronen hoppar till ett yttre skal, men så snart som möjligt hoppar den tillbaka igen. Energin som frigörs sänds ut som strålning t.ex. gulrött ljus, en foton med en bestämd färg. 20

21 Hertz verifierade den elektromagnetiska strålningen 1887 Heinrich Hertz var en tysk fysiker som intresserade sig för de av Maxwell förutsedda elektromagnetiska vågorna. Ingen hade innan dess kunnat påvisa dem publicerade han en avhandling där han redogjorde för sina experiment. 21

22 22

23 Hertz använde en gnistinduktor för att skapa gnistor. Han satte en antenn vid gnistgapet, för han räknade med att om det hände något där, så skulle detta stråla ut. För att kunna se om något hände, så tog han en spole, där han förenade ändarna med ett gnistgap. Han kunde då se att det blev gnistor, som skapades från de gnistor, som han genererade i gnistinduktorn, som ju stod en bit därifrån utan elektrisk koppling till spolen. Energin hade alltså gått genom luften. Hertz påvisade att den elektromagnetiska strålningen hade samma egenskaper som ljuset. 23

24 Hertz visade även att deras utbredningshastighet var densamma som för ljuset men att de hade en mycket större våglängd. Dessa vågor kom att kallas hertzska vågor men kallas numera kort och gott radiovågor. Experimenten var den slutliga bekräftelsen av Maxwells förutsägelser om existensen av elektromagnetiska vågor både som långvågiga radiovågor och kortvågigt ljus. Till Hertz ära har enheten för frekvens uppkallats efter honom. 24

25 Elektromagnetiska vågor En elektromagnetisk våg kan genereras från laddningar i rörelse, t ex i en antenn. En elektromagnetisk våg är en transversell våg, (utslaget är vinkelrätt mot vågens rörelseriktning) en fortskridande våg, t.ex. vågorna på vatten, ljudvågor och radiovågor. Utbredningshastigheten i vakuum är lika med ljushastigheten  3,00·10 8 m/s 25

26 Elektromagnetiska strålningens viktigaste egenskap är dess våglängd. I olika våglängdsområden kallar vi den elektromagnetiska strålningen för olika saker: Radiovågor Mikrovågor Infraröd strålning Synligt ljus Ultraviolett strålning Röntgenstrålning Gammastrålning 26

27 Ofta anges våglängden i nano-meter ( 1 nm= m) 27

28 ROGGBIVROGGBIV RÖD ORANGE GUL GRÖN BLÅ INDIGO VIOLETT SYNLIGT LJUS 28

29 Radiovågor Radiovågor har de längsta våglängderna i det elektromagnetiska spektrat. Därmed har de också det lägsta energiinnehållet och därför helt ofarliga för oss människor. Radiovågorna används för att sända radio- och TV-signaler runt hela jordklotet. Radiovågor går rakt fram och släcks snabbt ut mot mark eller berg. Vid kortare våglängder kan jonosfären användas som reflekterande skikt så att vågorna når längre. Mikrovågor Mycket kortare vågor, mikrovågor, kan tränga in genom föda och får vattenmolekyler i maten att vibrera, vilken då uppvärms. 29

30 Infraröd strålning (IR) IR har v å gl ä ngder som ligger i intervallet 1 mm till 1 cm. Str å lningen kommer fr å n molekyler och molekyler som roterar och vibrerar. Egentligen uts ä nder alla f ö rem å l IR-str å lning. IR-str å lning ä r osynlig, men kan vid h ö g v ä rme bli synlig eftersom IR-v å gl ä ngder gr ä nsar till v å gl ä ngder f ö r synligt ljus. Med hj ä lp av v ä rmek ä nslig film kan IR-str å lning registreras och g ö ras ’ synligt ’. V å r hud har ä ven v ä rmek ä nsliga receptorer f ö r IR- str å lning. En spisplatta som glöder utsöndrar rött ljus samt även infraröd strålning. Strålningen har längre våglängd än rött ljus och våra ögon kan inte se den. Men vi känner den i form av värme. Därför kallas strålningen även för värmestrålning. 30

31 Synligt ljus Synligt ljus uppkommer ursprungligen från glödande ämnen, t.ex. i vår sol. Självlysande ljuskällor kallas primära. Andra ljuskällor kallas sekundära eftersom de endast reflekterar strålning från primära ljuskällor. Ljus (vitt) är egentligen sammansatt av 7 huvudfärger: rött, orange, gult, grönt, blått, indigo och violett som har olika våglängd (700 nm till 400 nm). Svarta föremål sänder ej ut någon egen sekundär strålning. 31

32 Ultraviolett strålning (UV) • UV-strålning skapas i atomernas elektronskal. • Solen sänder ut stora mängder av UV-ljus. Sådant ljus kan också skapas i s.k. solarier och ljusrör. • UV-ljus är osynligt för oss människor. • UV-ljus är i stor mängd skadligt för huden och kan ge brännskador och tom en form av hudcancer (malignt melanom). 32

33 Röntgenstrålning Röntgenstrålning uppkommer från elektronskalen. Strålningen uppstår på liknande sätt som ljus. När en elektron i ett av de innersta skalen slås ut ur sitt skal, ersätts tomrummet av en elektron från ett av de yttersta skalen. Då avger atomen röntgenstrålning. Denna strålformer kan tränga djupt in i många material. Röntgenstrålningens förmåga att tränga igenom kroppens olika organ gör att vi har stor användning av den inom sjukvården t.ex. för att studera inre organ i kroppen. 33

34 Gammastrålning • bildas t.ex. när radioaktivt material sönderfaller. • har den kortaste våglängden och är den mest energirika strålningen. • kan tränga djupt in i många material. • är farlig för oss människor. 34

35 Ett spektrum uppst å r d å t ex vitt ljus passerar genom en prisma och i prisman delar upp ljuset i olika f ä rger, ett s k spektrum. Ljuset fr å n en gl ö dtr å d ger kontinuerligt spektrum (alla f ä rger). I ett spektrum ing å r f ä rgerna r ö d, orange, gul, gr ö n, bl å, indigo och violett. ROGGBIV Kontinuerligt spektrum 35

36 Ljuset fr å n upphettad lysande gas ger ett s k linjespektrum. Det ä r n ä r enbart en eller n å gra f ä rger syns fr å n det kontinuerliga spektrumet. Linjespektrum 36

37 Om man skulle "blanda" vitt ljus med ljuset fr å n kall v ä tgas skulle man inte se linjerna fr å n v ä tgasen utan det skulle vara ett kontinuerligt spektrum med svarta streck d ä r v ä tgasens linjespektrum skulle vara. Man s ä ger att v ä tgasen absorberar sitt eget spektrum. Allts å v ä tgasen suger upp sitt spektrum s å att det inte syns. Detta kallas f ö r absorptionsspektrum. Absorptionsspektrum 37

38 Alla ä mnen har sitt eget speciella spektrum. Det ä r p å detta s ä tt som man kan se vilka grund ä mnen som finns i en ljusk ä lla. T.ex. f ö r att veta vilka grund ä mnen som solen och andra stj ä rnor best å r av. Det g ö r man med hj ä lp av ett instrument som heter spektrometer, spektrometern visar ljusk ä llans spektrum. Spektrum 38

39 SPEKTRUM 39

40 Symbol för radioaktivitet 40

41 Strålningens pionjärer År 1895 upptäckte Wilhelm Conrad Röntgen den strålning som, på många språk, har fått hans namn (själv kallade han den för X- strålar). Den började tidigt användas inom läkarvetenskapen för att bland annat avbilda ben och diagnosticera benbrott fick Röntgen det första nobelpriset i fysik för sin upptäckt. 41

42 Strålning i industrin Röntgenstrålning och strålning från radioaktiva ämnen används på många håll inom industrin. Konstruktioner med höga kvalitetskrav kontrolleras med röntgenstrålning både vid tillverkning och vid underhållsarbete. Det gäller allt från broar till kretskort i datorer. Inom stora delar av industrin används strålning för nivåmätning av vätskor och för tjocklekskontroller, av till exempel papper. Vid behov av absolut dammfria ytor, till exempel vid billackering, används strålning för att eliminera statisk elektricitet. Strålning används också för att sterilisera medicinska engångsartiklar. Även inom forskningen används joniserande strålning i stor omfattning. 42

43 Henri Bequerel År 1896 fann Henri Becquerel att en liten mineralklump hade lämnat skuggor på en fotografisk plåt (den tidens fotofilm) som den råkat ligga på. Eftersom plåten inte varit utsatt för synligt ljus, insåg Becquerel att det var fråga om någon annan typ av strålning, som måste komma från den lilla stenen. Stenen innehöll uran och Henri Becquerel hade därmed upptäckt fenomenet radioaktivitet. 43

44 Pierre och Marie Curie Fann radium och polonium, två radioaktiva ämnen. Radium ("det strålande"). Bequerel och makarna Curie fick dela nobelpriset i fysik Marie använde sig av röntgenbilder under första världskriget och hjälpte många sårade. Marie Curie dog av leukemi 1934, offer för sin egen upptäckt. 44

45 Radioaktiva ämnen är instabila, har ett högt energiinnehåll och strävar efter stabilitet, en lägre energinivå. Ämnet sänder ut sin överskottsenergi och sönderfaller då till andra ämnen, som ibland också kan vara radioaktiva och skicka ifrån sig energi i form av strålning. Så håller det på till dess att det inte finns någon överskottsenergi och ämnet antingen är stabilt, har övergått till ett nytt annat grundämne eller en ny isotop har bildats. 45

46 RADIOAKTIVA ÄMNEN GER UPPHOV TILL JONISERANDE STRÅLNING alfa-strålning beta-strålning gamma-strålning 46

47 Alfastrålning består av relativt stora och tunga partiklar (heliumkärnor bestående av två neutroner och två protoner). De sänds oftast ut av instabila tunga radioaktiva ämnen som uran, radium, radon och plutonium. Alfastrålningens räckvidd är ett par cm i luft och den hejdas lätt när den stöter emot någonting. Den stoppas av ett tunt papper och kan inte tränga igenom huden. Därför är alfastrålning bara farlig för människan om det alfastrålande ämnet kommer in i kroppen, till exempel genom inandningsluften till lungorna eller genom födan. 47

48 Betastrålning består av elektroner som utsänds när vissa radioaktiva ämnen sönderfaller. Betastrålning har längre räckvidd än alfastrålning; upp till tio meter i luft. Tjocka kläder eller glasögon stoppar strålningen och precis som vid alfastrålning, utgör betastrålning en risk för människan bara om partiklarna kommer in i kroppen. 48

49 Gammastrålningen bildas när radioaktiva atomkärnor sönderfaller. Gammastrålning har mycket lång räckvidd, och större genomträngningsförmåga än alfa- och betastrålning. Det krävs ett blyskikt på flera centimeter, decimetertjock betong eller ett par meter vatten för att dämpa gammastrålning till en acceptabel nivå. 49

50 50

51 Radioaktivitet Enheter Aktiviteten från ett radioaktivt ämne mäts i becquerel (Bq). 1 Bq = 1 sönderfall/sekund. 51

52 Vanligt väte Tungt väte (Deuterium) Tritium En proton En proton och en neutron En proton och två neutroner Atomnummer = 1 Masstal = 1Masstal = 2Masstal = 3 V ä tets tre isotoper. ISOTOPER 52

53 Atomkärnan Kärnor med samma antal protoner, men olika antal isotoper neutroner kallas för isotoper, t ex:

54 54

55  sönderfall Exempel på  sönderfall + Moderkärna Dotterkärna  partikel 55

56  sönderfall Exempel på  sönderfall + Moderkärna Dotterkärna  - partikel 56

57 Halveringstid • Radioaktiva ämnen sönderfaller. • Den tid det tar för hälften av ett visst radioaktivt ämne att sönderfalla kallas halveringstid. • Tiden varierar beroende på vilket radioaktivt ämne det gäller. • Halveringstiden för olika radioaktiva ämnen kan variera från bråkdelen av en sekund till miljarder år. • Efter en halveringstid återstår hälften av ämnet. • Efter ytterligare en halveringstid återstår en fjärdedel. • Efter den därpå följande halveringen återstår en åttondel. 57

58 Radioaktivt sönderfall och halveringstid •Antalet radioaktiva kärnor som finns vid en given tid avtar • Tiden då halva mängden sönderfallit, kallas för halveringstid. T 1/2 2T 1/2 58

59 Sönderfallskedjor • När en radioaktiv kärna sönderfaller så är ofta den nya kärnan också radioaktiv. • Därför finns det sönderfallskedjor, dessa slutar på en stabil kärna. • Halveringstiden för 238 U är 4,5 miljarder år 210 Po är 140 dygn 59

60 Kol 14 metoden Radioaktiva ämnen kan användas för att bestämma ålder på olika material. För åldersbestämning av organiska material kan man använda 14 C isotopen. Ett organiskt material är ett material som innehåller kol. Då ett träd växer blir halten 14 C konstant i själva trädmaterialet. Då trädet dör börjar 14 C sönderfalla. Ju mindre 14 C det finns kvar i det gamla trämaterialet, desto äldre är träbiten. Halveringstiden för 14 C är cirka 5600år. 60

61 Vår strålmiljö Stråldos mSv = millisievert 61

62 Filmdosimeter Röntgen och gammastrålning svärtar fotografisk film, ju mer strålning desto svartare film. En dosimeter som bygger på film består av en hållare med en film som förpackats ljustätt. Efter framkallning av filmen kan dosen bestämmas genom graden av svärtad film. Personer på kärnkraftverk och på röntgenavdelningar bär filmdosimeter. 62

63 FISSION! En neutron träffar atomkärnan, atomkärnan kommer i svängning. Atomkärnan klyvs. Samtidigt som en kärna klyvs, frigörs det nya neutroner. Dessa neutroner kan klyva andra atomkärnor. En kedjereaktion sker. Vid varje kärnklyvning frigörs energi i form av värme. Fission innebär att en kärna klyvs. 63

64 1 neutron U → 94 Kr Ba + 3 neutroner + energi FISSION! 64

65 Denna kedjereaktion utnyttjas i kärnkraftverk där man låter denna reaktion fortgå, men kontrollerar neutronmängden med styrstavar. Blir det för många fria neutroner skickas styrstavarna ner och absorberar neutroner och på det sättet kan man ha reaktionen under kontroll. 65

66 Utan styrstavarna skenar reaktionen iväg och det är på den principen atombomben bygger. 66

67 FUSION! Det går även att utvinna energi genom att slå samman lätta kärnor. Fusion innebär att två atomkärnor slås samman så att en tyngre kärna bildas. 67

68 FUSION! Atomkärnan hos deuterium består av en proton och en neutron. Tritiumkärnan består av en proton och två neutroner. Vid fusionen slår sig en deuteriumkärna samman med en tritiumkärna. Vid reaktionen bildas en heliumatom, en fri neutron och energi frigörs. 68

69 Är fusion framtidens energikälla? Nackdelar • För att fusionen ska kunna ske måste temperaturen vara så hög som 50 miljoner grader Celsius. • Problemet ligger i att starta en fusionsprocess. 69

70 Fusionens fördelar mot fissionen • Vätet tar aldrig slut, nästan obegränsad tillgång på bränsle i havsvattnet. • Det skapas inte lika mycket radioaktivt avfall vid fusion som i dagens kärnkraftverk. • Avfallet vid en fusionsreaktor är ofarligt efter ca. 100 år. • Avfallet vid en fissionsreaktor ofarligt efter ca år. 70

71 • action?quick=bt action?quick=bt 71


Ladda ner ppt "ATOM och KÄRNFYSIK 1. Bohrs atommodell 2 Chadwicks atommodell 3."

Liknande presentationer


Google-annonser