Kärnfysik Naturens minsta byggstenar Vanlig materia  atomer  atomkärnor och elektroner   neutroner och protoner  kvarkar Kärnfysik

Atommassor Atommassor är mycket små. Därför använder man en egen atommassenhet som har fått symbolen u. Enheten u definieras som 1/12 av massan för nukliden 12C. u = 1,66∙10-27 kg

Atomkärnan En atomkärna består av ett antal neutroner och protoner, dessa kallas tillsammans kärnpartiklar, eller nukleoner. + Partikel Laddning Massa Neutron 0 1,008665 u Proton +e 1,007276 u (Elektron - e 5,485799·10-4 u) 1u = 1,66·10-27 kg Antalet protoner betecknas Z och kallas atomnummer. Antalet neutroner betecknas N. Antalet kärnpartiklar betecknas A och kallas masstal. A En specifik kärna betecknas: Kemisk beteckning Periodisk tabell Z

Exempel på atomkärnors storlek Obs! Kärnpartiklarnas placering i kärnan är inte statisk, de rör sig hela tiden kring varandra. Dessutom är det en grov förenkling att representera kärnpartiklarna som ”små bollar”, vad vi egentligen känner är deras vågfunktioner, dvs en sannolikhet att hitta dem på olika platser.

Atomkärnan Kärnor med samma antal protoner, men olika antal Utgör ca 11% av naturligt Magnesium Kärnor med samma antal protoner, men olika antal neutroner kallas för isotoper, t ex: Utgör ca 10% av naturligt Magnesium Utgör ca 79% av naturligt Magnesium + Kärnpartiklarna hålls i kärnan ihop i en sfärisk form. Kärnans radie ges av r  r0 A1/3, r0  1,2·10-15 m 2 r

Den starka kärnkraften Vad får neutroner och protoner att hålla samman i en atomkärna? Det finns en elektrostatisk repulsion mellan protonerna. Den kraft som håller samman atomkärnan kallas för den starka kärnkraften och är en av de 3 fundamentala krafterna i naturen (de andra är gravitation och elektrosvag kraft). Den starka kärnkraftens exakta form är ej känd, men följande egenskaper är välkända: Oberoende av laddning (i stort sett). Kort räckvidd, ca 10-15 m. Beror på kärnpartiklarnas spinn.

Bindningsenergi Två empiriska fakta leder oss till begreppet bindningsenergi För att frigöra en kärnpartikel från en atomkärna så måste energi tillföras (kärnpartiklarna hålls samman av den starka kärnkraften som måste övervinnas). För en given atomkärna så är summan av de individuella kärnpartiklarnas massor större än kärnans massa. + + + bindningsenergi  Bindningsenergi =  m c2 Skillnaden i massa Δm = mefter-mföre kallas för massdefekt

För att få en bekväm omvandling mellan atommassenheten u och eV (tänk på att massa = energi) kan vi beräkna massenergin hos 1 u. 1 u = 931,49 MeV

Bindningsenergi Ju större bindningsenergi en atomkärna har, ju svårare är det att sönderdela den. För att kunna jämföra olika atomkärnor brukar man presentera massan per nukleon som funktion av masstalet. Figuren visar att vi kan vinna energi genom att slå ihop lätta kärnor (fusion) eller genom att sönderdela tunga kärnor (fission).

Bindningsenergi Exempel: Bestäm bindningsenergin för tritium (= 31H). Lösning: Tritium består av två neutroner och en proton. Deras sammanlagda massor är (inkluderande elektronmassor) mindv  2·1,008665 + 1,007824 = 3,025154 u Masskillnaden blir m = mindv - mtritium  3,025154 - 3,016050 = 0,009104 u Bindningsenergin blir (1u  931,5 MeV) ’Bindningsenergi’  931,5 · 0,009104 = 8,480 MeV Bindningsenergin per nukleon blir ’Bindningsenergi’/A  8,480 / 3  2,827 MeV

Naturligt förekommande kärnor Balansen mellan den starka kärnkraften, med dess korta räckvidd, och den elektrostatiska repulsionen mellan protonerna, gör att atomkärnor endast existerar naturligt för vissa givna kombinationer av antalet neutroner och protoner. Vissa kärnor i naturen är instabila och bryts spontant upp i delar.  Radioaktivitet

Sönderfallskedjor När en radioaktiv kärna sönderfaller så är ofta den nya kärnan också radioaktiv. Därför finns det sönderfallskedjor, dessa slutar på en stabil kärna.