Atom och kärnfysik Mot materiens inre

Så styrs naturen Gravitationskrafter Elektromagnetiska krafter De gamla grekerna trodde på de fyra elementen JORD – VATTEN – LUFT – ELD. Idag talar vi om fyra fundamental krafter som styr och ställer i naturen. Gravitationskrafter Elektromagnetiska krafter Den starka kärnkraften Den svaga kärnkraften

Atomen Protoner med positiv laddning i kärnan (röda), tillsammans med oladdade neutroner (blå). Runt kärnan kretsar negativt laddade elektroner (gula). De kretsar i bestämda banor som representerar olika energinivåer. Det mesta av atomen är tomrum. Om man skulle låta kärnan vara stor som en golfboll skulle elektronerna vara mindre än knappnålshuvuden och befinna sig 600 meter bort! Atomens tomrum påvisades först av Rutherford då han bombarderade en tunn guldfolie med heliumkärnor och fann att de flesta for rakt igenom!

Krafter i en atom Eftersom lika laddningar stöter bort varandra finns det således anledning att tvivla på att en atomkärna skulle se ut som Bohr påstod. Alla positiva protoner borde stöta bort varandra. Nu är det dock så att det finns fler krafter med i spelet än den s.k. elektromagnetiska kraften. Man brukar tala om den starka kärnkraften. Den fungerar som ett klister mellan protonerna. Den håller dem på plats, men verkar bara på mycket kort avstånd (alltså inom en atomkärna.) Jämfört med elektromagnetiska kraften och framförallt gravitationen är kärnkraften stark, men har kort räckvidd. Dessutom finns det neutroner i de flesta kärnor som fungerar som ”fredsmäklare” mellan protonerna. Detta gör att en atom kan vara stabil. 

Vad väger en atom? Atomernas massor brukar anges med hjälp av atommassenheten som skrivs 1u en proton väger 1u ≈ 1,7 * 10-27 kg dvs, 0,0000000000000000000000000017kg

Elementarpartiklar Atomer består av protoner, neutroner och elektroner. En atom har lika många protoner som elektroner. Det sammanlagda antalet protoner och neutroner i atomkärnan kallas masstal

Elektroner och deras banor En atom har alltid lika många elektroner som protoner. De fördelar sig på ett antal olika skal. Hur många skal som de fördelar sig på beror på hur många de är. I det första, innersta skalet som även kallas K-skalet ryms det två elektroner. I nästa som kallas L-skalet ryms det åtta och i det tredje (M-skalet) ryms som mest 18 st. 

Isotoper Isotope kommer av grekiskans isos = samma och topos = ställe. Isotoper av samma ämnen har lika många protoner. Därmed lika många elektroner. I isotoper varierar alltså antalet neutroner

Vi tittar närmare på kol Kol har atomnummer 6 6 protoner och 6 elektroner Har den 6 neutroner blir masstalet 6+6. Dvs. 12 Man säger då kol-12 eller 12C En kol-12 atom väger 2*10-26

Forts. Kol 14C dvs. kol-14 har 6 protoner och 8 neutroner Kol-14-metoden: en del av det kol som finns i luftens koldioxid är radioaktivt kol-14. Gröna växter tar upp koldioxid i luften. Det gör också människor och djur. När en organsim dör, slutar det ta upp kol. Då kol-14 minskar, minskar också strålningen. Kol-14 har halveringstid 5 700 år

Radioaktivitet Redan 1896 upptäckte Henri Becquerel att mineral som innehöll grundämnet Uran kunde påverka en fotofilm. Han drog slutsatsen att Uran utsände osynliga strålar.  Makarna Marie och Pierre Curie fortsatte att leta efter ämnen med liknande egenskaper. De fann flera bland andra Polonium och Radium. Det senare visade sig vara miljoner gånger mer radioaktivt än Uran. Becquerel och makarna Curie delade på 1903 års nobelpris i fysik

Joniserande? Idag känner vi till många fler sådana ämnen. Strålningen kallas ofta för radioaktiv strålning, vilket är lite tokigt. Det är atomerna som är radioaktiva, inte strålningen. Ett bättre namn är Joniserande strålning. Detta beror på att strålningen har så hög energi att den kan slå bort elektroner från sina banor och på så vis bilda en jon. Detta är principen bakom en så kallad  Geiger-Müller-mätare (GM-rör). En gas innesluten i en  behållare som träffas av joniserande strålning bildar  joner. Om man placerar en anod och katod (+ och -) i  gasen kommer jonerna att dras till någon av dem. Detta  kan registreras som ett knäpp i en högtalare. Ju mer det  sprakar i högtalaren, desto mer strålning. 

Olika typer av sönderfall När man talar om radioaktiv strålning eller joniserande strålning, finns det i huvudsak tre sorter: Alfa, Beta och Gamma. De första två är partiklar och den senare en elektromagnetisk vågrörelse. Eftersom protoner har laddningen 1+ och neutroner saknar laddning har alfapartikeln laddningen 2+ . Detta är viktigt eftersom laddade partiklar är lättare att upptäcka än oladdade. Vad är det då som är så farligt med en alfapartikel? Partikeln i sig är helt ofarlig. Den kan liknas vid en pistolkula. Om man plockar upp den från marken gör den ingen skada. Men om den kommer farande med hög fart kan den ställa till med skada. Det är alltså energin hos alfapartikeln som kan skada våra vävnader, särskilt om alfasönderfallet sker inuti kroppen. Alfa α Här ser du en alfapartikel. Den består av två protoner och två neutroner.

Även här gäller att tack vare laddningen som partikeln är lätt att upptäcka. Det är precis som hos alfapartikeln energin hos elektronen som är skadlig. Vad har då elektroner med kärnfysik att göra? De kretsar väl enbart runt kärnan? Rätt och fel! En neutron kan delas upp i en proton och en elektron. Beta β En betapartikel består av en elektron Här ser du ett betasönderfall. Inuti kärnan omvandlas en neutron till en proton och en elektron. Elektronen lämnar kärnan med hög rörelseenergi. Elektronen utgör nu en så kallad betapartikel

Gamma γ När laddade partiklar rör sig hastigt utsänder de elektromagnetisk strålning. Om denna strålning har tillräckligt hög energi kallas den gammastrålning. Det är i grund och botten samma fenomen som vanligt ljus, men med betydligt större energiinnehåll. I princip kan man säga att gammastrålning aldrig kan komma ensam! Det krävs att atomkärnan har gått sönder på något vis för att så stora energimängder skall frigöras. Man kan snarare säga att gamma är en följd av antingen alfa eller betastrålning.

De olika stråltyperna har olika räckvidd De olika stråltyperna har olika räckvidd. "Stora"  partiklar som alfapartiklar fångas lätt upp av atomer, dels beroende på sin storlek men också på sin laddning. De betydligt mindre betapartiklarna kan tränga igenom tjockare material. Gammastrålningen som ju inte är en partikel penetrerar massiva väggar och liknande. Det krävs 10 cm bly för att stoppa gammastrålning med hög energi.

Enheter för radioaktivitet Ett mått på hur radioaktivt ett ämne är hur ofta atomer faller sönder i ämnet. Den äldsta enheten för detta är 1 curie. (Ci) Det motsvarar den mängd sönderfall som sker i 1 gram Radium. Detta motsvarar 37 000 000 000 stycken sönderfall per sekund! 1 curie är en väldigt stor enhet. På senare tid har curie ersatts av enheten becquerel (Bq). Det motsvarar ett sönderfall per sekund. 1 Bq = 1 sönderfall/sekund

Halveringstid Med halveringstid menas den tid som går åt för att radioaktiva, instabila atomer av ett visst antal och atomslag skall halveras till antalet. Detta används t.ex. vid den s.k. kol-14-dateringsmetoden. I levande organismer lagras även de instabila C14-atomerna. När organismer dör avbryts intaget av C-14-atomer. C-14-halten i den döda organismen fortsätter dock att sjunka (halveringstiden för C14 är 5700 år). Genom att jämföra denna C14-halt med en levande organisms C14-halt kan man alltså uppskatta åldern på den döda organismen. Halveringstid Typ av strålning Radon-222 4 dagar α Polonium-210 20 veckor Cesium-137 30 år β Kol-14 5700 år Plotunium-244 80 000 000 år Uran-238 4 500 000 000 år

Hur radioaktivitet kan användas Brandvarnare – strålningen gör att rökpartiklar i luften upptäcks Inom medicinen – kan hindrar cancerceller att spridas i kroppen Radioaktiv märkning – radioaktiva isotoper i gödningsmedel gör att man kan studera kemikaliernas väg i växterna Åldersdatering – kol-14-metoden

Fission Lise Meitner föreslog för sin chef Otto Hahn att man kunde beskjuta uran med neutroner och få tyngre ämnen än uran. Hahn provade efter att Meitner flytt till Sverige (hon var judinna) . Det visade sig bli barium – ett lättare ämne. Meitner och hennes syster son Otto Frisch kom med förklaringen: om en kärna av uran-235 träffas av en neutron kan den splittras. Detta kallas fission – som betyder klyvning.

En neutron träffar en tung atomkärna En neutron träffar en tung atomkärna. Då bildas två medeltunga kärnor och fria neutroner. Finns det mer uran i närheten, så kan neutronerna träffa nya urankärnor och ytterligare lösa neutroner. En kedjereaktion inträffar …. osv.

…osv….kärnvapen Det går mycket snabbt – en uranklump kan bli en fruktansvärd bomb

Kärnkraft – kärnreaktorer Vad är kärnkraft? Hur fungerar det? Avfall?

Fusion - kärnsammanslagning Två väte kärnor kan slås samman till en heliumkärna om temperaturen är 100 miljoner grader. Solen – ett jättestor fusionsreaktor väte omvandlas till helium genom fusion En lockande uppgift är att konstruera en fusionsreaktor. Bränslet obegränsat. Inga farliga rester bildas.

Svårt att hålla kontroll över vätet på grund av höga temperaturer. Det finns inget material som tål värme tillräckligt bra för att stänga in det heta vätet. Forskare och tekniker arbetar på detta

Mer om fusion