ATOM och KÄRNFYSIK

Bohrs atommodell

Chadwicks atommodell

Modern atommodell En atomkärna med ett "moln" av punkter runt denna, där tätheten mellan punkterna beskriver sannolikheten att elektronen befinner sig i det området.

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.

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.

Sammanfattning atommodeller 400 f. Kr Demokritos Tomrum + odelbara atomer 330 f. Kr Aristoteles 4 elementen, kontinuerlig materia 1810 Dalton Hård sfär 1888 Rydberg Systematiserade experimentella spektra 1900 Thomson "Russinkaka", negativa elektroner inbäddade i positiv laddning  1910 Rutherford Klassiskt omöjlig planetmodell, liten tung kärna 1913 Bohr Postulerade stabil planetmodell, introducerar kvantisering 1924 De Broglie Våg-partikel dualism 1924 Schrödinger,  Icke-relativistisk kvantmekanik. Heisenberg Sannolikhetstolkning, vågfunktioner 1930 Dirac Relativistisk kvantmekanik. Förklarar spinn och antipartiklar 1950 Feynman Kvantelektrodynamik (QED). Kvantiserat EM fält som finns även i vakuum. Spontan emission 1970 Weinberg/Salam Elektrosvag växelverkan. QED + svag växelverkan 1990 "Standardmodellen";  QED + svag vv + stark vv

Atomen 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).

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 Antalet elektroner i varje skal 2n² n = skalets nummer Skalen K,L,M,N osv.

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

ISOTOPER Vanligt väte Tungt väte (Deuterium) Tritium En proton En proton och en neutron två neutroner Atomnummer = 1 Masstal = 1 Masstal = 2 Masstal = 3 Väteisotoperna är de enda isotoper som har eget namn. Alla tre isotoperna har samma atomnummer (1 proton i kärnan) men olika masstal eftersom de har olika antal neutroner.

Elektronbanor

Elektronbanor En atom är uppbyggd av bl.a elektroner som kretsar runt atomens kärna i bestämda banor. När ett ämne värms upp tillförs varje atom i ämnet energi, detta göra att elektronen/elektronerna rubbas från sin bestämda bana runt kärnan, sitt grundtillstånd (normala banan), till en bana längre ut från kärnan. Ju längre ut från kärnan elektronen kretsar desto större är atomens energi. När sedan elektronen "strävar" efter att ta sig tillbaka till sin ursprungliga bana. Detta gör den genom att "hoppa" direkt till den normala banan eller att "mellanlanda" i en av de andra banorna. När elektronen "hoppar" in avger atomen energi i form av en ljusblixt med en bestämd färg, en s k foton. Fotonens energi är ljusets färg.    Ju längre ut från kärnan elektronen kretsar, desto större är atomens energi.

Bohrs väteatom - beskrivning av modellen + - n =1 n =2 n =3 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. Ei Dessa tillstånd/banor kallas därför för stationära tillstånd. - Ef - + När en elektron byter tillstånd så utsänds en foton

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

Vilket ljus det blir växlar beroende på till vilken bana elektronen faller in på. Den faller inte alltid tillbaka till ursprungsbanan med det samma utan "mellanlandar" på en bana på vägen till den ursprungliga. Det är dock endast då elektronen faller in på bana två som det avges synligt ljus. En det blir blått ljus har elektronen fallit från en bana längre ut än en som ger rött ljus. Alltså en atom som avger blått ljus har större energi en som avger rött ljus. Ultravioletta strålar bildas då elektronen faller in till bana 1 och infrarött ljus då elektronen faller in till bana 3. Endast när elektronen faller in till bana 2, ger den synligt ljus.

Hoppande elektroner skapar ljus

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.

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. 1887 publicerade han en avhandling där han redogjorde för sina experiment.

Hertz använde en gnistinduktor för att skapa gnistor 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.

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.

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  3,00·108 m/s

Elektromagnetiska strålningens viktigaste egenskap är dess våglängd 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

Ofta anges våglängden i nano-meter ( 1 nm= 10-9 m) Våglängd anges i nano-meter 1 nm= 10 -9 Ofta anges våglängden i nano-meter ( 1 nm= 10-9 m)

SYNLIGT LJUS RÖD ORANGE GUL GRÖN BLÅ INDIGO VIOLETT ROGGBIV

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.

Infraröd strålning (IR) IR har våglängder som ligger i intervallet 1 mm till 1 cm. Strålningen kommer från molekyler och molekyler som roterar och vibrerar. Egentligen utsänder alla föremål IR-strålning. IR-strålning är osynlig, men kan vid hög värme bli synlig eftersom IR-våglängder gränsar till våglängder för synligt ljus. Med hjälp av värmekänslig film kan IR-strålning registreras och göras ’synligt’. Vår hud har även värmekänsliga receptorer för IR-strålning. 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.

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.

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).

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.

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.

Kontinuerligt spektrum Ett spektrum uppstår då t ex vitt ljus passerar genom en prisma och i prisman delar upp ljuset i olika färger, ett s k spektrum. Ljuset från en glödtråd ger kontinuerligt spektrum (alla färger). I ett spektrum ingår färgerna röd, orange, gul, grön, blå, indigo och violett. ROGGBIV

Linjespektrum Ljuset från upphettad lysande gas ger ett s k linjespektrum. Det är när enbart en eller några färger syns från det kontinuerliga spektrumet. Enbart vissa färger syns.

Absorptionsspektrum Om man skulle "blanda" vitt ljus med ljuset från kall vätgas skulle man inte se linjerna från vätgasen utan det skulle vara ett kontinuerligt spektrum med svarta streck där vätgasens linjespektrum skulle vara. Man säger att vätgasen absorberar sitt eget spektrum. Alltså vätgasen suger upp sitt spektrum så att det inte syns. Detta kallas för absorptionsspektrum. absorptionssepktrum där vitt ljus bildar ett kontinuerligt spektrum samt spektrumet från en gas visas genom svarta linjer, motsvarande gasens linjespektrum.

Spektrum Alla ämnen har sitt eget speciella spektrum. Det är på detta sätt som man kan se vilka grundämnen som finns i en ljuskälla. T.ex. för att veta vilka grundämnen som solen och andra stjärnor består av. Det gör man med hjälp av ett instrument som heter spektrometer, spektrometern visar ljuskällans spektrum.

SPEKTRUM

Symbol för radioaktivitet

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. 1901 fick Röntgen det första nobelpriset i fysik för sin upptäckt.

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.

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.

Pierre och Marie Curie Fann radium och polonium, två radioaktiva ämnen. Radium ("det strålande"). Bequerel och makarna Curie fick dela nobelpriset i fysik 1903. Marie använde sig av röntgenbilder under första världskriget och hjälpte många sårade. Marie Curie dog av leukemi 1934, offer för sin egen upptäckt.

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.

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

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.

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.

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.

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

ISOTOPER Vanligt väte Tungt väte (Deuterium) Tritium En proton Vätets tre isotoper. ISOTOPER Vanligt väte Tungt väte (Deuterium) Tritium En proton En proton och en neutron två neutroner Atomnummer = 1 Masstal = 1 Masstal = 2 Masstal = 3 Väteisotoperna är de enda isotoper som har eget namn. Alla tre isotoperna har samma atomnummer (1 proton i kärnan) men olika masstal eftersom de har olika antal neutroner.

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

 sönderfall + Exempel på  sönderfall  partikel Moderkärna Dotterkärna

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

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.

Radioaktivt sönderfall och halveringstid Antalet radioaktiva kärnor som finns vid en given tid avtar Tiden då halva mängden sönderfallit, kallas för halveringstid. T1/2 2T1/2

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 238U är 4,5 miljarder år 210Po är 140 dygn

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

Vår strålmiljö Stråldos mSv = millisievert

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.

FISSION! Fission innebär att en kärna klyvs. 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! 1 neutron + 235U → 94Kr + 139Ba + 3 neutroner + energi

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.

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

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.

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.

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.

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. 10 000 år.

http://www.absorblearning.com/media/item.action?quick=bt