Atomfysik och kärnenergi

Vad är atomfysik? Man studerar hur atomerna är uppbyggda och hur partiklarna beter sig. På högstadiet säger vi att atomer är uppbyggda av: Protoner, neutroner, elektroner. Det är en förenklad modell. Egentligen är även dessa partiklar uppbyggda av mindre delar: kvarkar, leptoner, bosoner.

Hur forskar man på detta? För att kunna forska på dessa partiklar krävs att man accelererar partiklarna till mycket höga hastigheter. Detta görs i s.k. partikel-acceleratorer. Den största ligger i Schweiz och heter CERN. 20 länder arbetar där tillsammans. I en ring med omkretsen 27 km accelereras partiklar.

Kärnenergi I avsnittet om kärnenergi ska vi lära oss om radioaktivitet, kärnkraft, röntgen och kol 14-metoden.

Uppbyggnad av materia All materia är uppbyggd av atomer. Atomer består av atomkärna och elektroner (negativt laddade). I atomkärnan finns protoner (positivt laddade) och neutroner (neutralt laddade). Atomen är neutral: lika många protoner som elektroner.

En atom väger 2∙ 10-27 kg En proton/neutron väger 2000 gånger så mycket som en elektron. Atomens massa ligger alltså nästan enbart i kärnan.

Elektronskal Elektronerna finns i olika skal. K-skal (innerst) max 2 e- L-skal: max 8 e- M-skal max 18 e-

Elektronskal Elektronerna kan hoppa till ett yttre skal. Det händer om man tillför energi, t ex värmer ämnet. Elektronen kommer snabbt att hoppa tillbaka till sitt normala skal= grundtillståndet Då får den mindre energi – den energin sänds ut som ljus.

Vilken färg ljuset får beror på hur långa hopp elektronerna gör. Långa hopp – mycket energi – violett ljus Korta hopp – lite energi – rött ljus Mycket långa hopp – UV-ljus Mycket korta hopp – IR-ljus

Elektromagnetisk strålning Synligt ljus utgör bara en liten del av elektromagnetiskt strålning

Ljus kan ses som vågor eller partiklar Korta våglängder – hög energi Långa våglängder – låg energi Våglängd = avstånd mellan två vågtoppar

Spektroskopi Olika ämnen är uppbyggda på olika sätt dvs elektronerna är fördelade på skalen på ett visst sätt. Därför kan man se vilket ämne som sänder ut ljus. Det gör man genom att använda ett spektroskop. På så sätt kan man t ex undersöka vilka ämnen som finns i stjärnor.

Det ljus som skickas ut från ett upphettat grundämne kallas linjespektrum

Wilhelm Röntgen Fick det allra första nobelpriset i fysik – 1901. 1895 upptäckte han en sorts strålning. Han kallade dem för X-strålar. De har sedan kommit till mycket stor användning, framförallt för att röntga kroppen inom sjukvården. T.v röntgenbild från 1896 Annika Adolfsson 2010

Röntgenstrålning Elektromagnetiskt strålning Kort våglängd (ca. 10-10m), energirikt Tränger bättre igenom vävnad (mjuka delar) än ben Används inom sjukvården (upptäcka sjukdomar, behandla tumörer m.m.) Kan också användas för att hitta sprickor i stålbalkar och svetsfogar.

Är det farligt med röntgen? Risken för skador efter röntgenundersökning är mycket liten. Jämfört med nyttan av strålningen oftast försumbar. Personalen som arbetar på röntgen skyddar sig bakom skärmar och med speciella kläder eftersom de sammanlagt blir utsatta för en större mängd strålning. Wilhelm Röntgen visste inte något om riskerna. Han dog av cancer, som troligen orsakades av hans arbete med röntgenstrålning.

Skiktröntgen/datortomografi CT Datortomografi är en vidareutveckling av vanlig röntgen Man skickar in röntgenstrålning genom kroppen i olika vinklar. Detta gör att man får ut en tredimensionell bild.

Magnetresonanskamera MR Kallas ofta magnetkamera eller magnetröntgen. Använder INTE röntgenstrålning. Ett mycket starkt magnetfält påverkar kärnorna i vätemolekylerna (protonerna) i kroppen. Man skickar också in radiovågor. Protonerna kommer att röra sig och sända ut radiomagnetiska vågor som kan avläsas och bearbetas till en bild.

Isotoper Atomer med samma antal protoner men med olika antal neutroner kallas isotoper. T ex har väte alltid en proton, men kan ha 0,1 eller 2 neutroner. Alltså har väte tre isotoper. De betecknas 1H 2H 3H

Minns du? Atomnummer = antalet protoner Masstal = antalet protoner + antalet neutroner I en atom gäller: Antalet elektroner = antalet protoner

Urans isotoper Uran har tre isotoper. De kan skrivas 234U 235U 238U eller Uran-234 uran-235 uran 238 Naturligt uran innehåller 99,3 % uran-238 och 0,3 % uran-235. I kärnkraftverk behöver man uran som innehåller ca 3 % uran-235. Det får man genom anrikning – halten uran-235 ökas.

Uran som använts i kärnkraftverk omvandlas till viss del till plutonium. Plutonium kan användas till kärnvapen. En viss oro finns därför kring kärnkraften i vissa länder.

joniserande strålning Radioaktivitet – joniserande strålning Vissa atomer har en instabil atomkärna som kan falla sönder. Man säger då att ämnet är radioaktivt. Kärnor med många protoner och neutroner är instabila Alla ämnen med atomnummer större än 82 är radioaktiva, dvs har instabila atomkärnor som lätt faller sönder. Strålningen är så energirik att den kan slå bort elektroner i de ämnen den träffar. Därför kallas den joniserande strålning

Det finns tre typer av radioaktivitet: α-strålning β—strålning γ-strålning

α-strålning Består av alfapartiklar Alfapartiklar är heliumkärnor – två protoner och två neutroner. Atomnumret i den sönderfallande kärnan kommer alltså att minska med två.

α-strålning Stoppas lätt Stoppas av papper, av kläder. Omvandlas snabbt till helium genom att ta upp elektroner Ofarligt utanför kroppen Extremt farligt i kroppen, om man får i sig det (andas in det eller äter/dricker något)

β--strålning En neutron omvandlas till en proton och en elektron Protonen stannar i kärnan elektronen kastas ut i hög fart Stoppas av plexiglas Mindre farligt utanför kroppen Farligt i kroppen Antalet protoner ökar med ett – ett nytt ämne bildas Exempel 14C omvandlas till 14N

γ-strålning Elektromagnetisk strålning Våglängd ca. 10-12m Extremt energirik Förkommer i samband med α- eller β-sönderfall Stoppas bara av bly och betongvägg Stor risk för hälsan Påverkar inte atomens sammansättning

α-, β- och γ-strålning Alfastrålning stoppas av papper Betastrålning av plexiglas Gammastrålning kan bara stoppas av bly och tjocka betongvägg

Sönderfallsserier 238U sönderfaller. Vi får 234Th + en α-partikel. Sedan sönderfaller 234 Th. Vi får 234U och en β-partikel Sedan sönderfaller 234U…….osv. Så håller det på tills vi fått en stabil kärna, i det här fallet bly

Att mäta radioaktivitet Radioaktivitet mäts med Geiger-Müller- rör (GM-rör). Mäter hur mycket radioaktivitet, men inte vilken sort. Enhet: 1 bequerel = 1 sönderfall per sekund Bequerel(Bq) har fått sitt namn efter Henri Bequerel som upptäckte den naturliga radioaktiviteten. Fick Nobelpriset i fysik 1903 tillsammans med Marie och Pierre Curie

Att mäta radioaktivitet Stråldos = hur mycket energi per kilogram en bestrålad kropp tar upp. Enhet: Sievert (ofta millisievert) Mäts med en dosimeter. Alla som arbetar med radioaktiva ämnen bär dosimetrar för att man ska se så att de inte utsätts för alltför mycket strålning.

Bakgrundsstrålning Vi utsätts alla för radioaktiv strålning, pga bakgrundsstrålningen. Vi får en stråldos av i genomsnitt 4-5 millisievert per år: Från rymden: 0,3 millisievert Från berggrund: 0,5 millisievert (uran, torium) Från kroppen:0,2 millisievert (kol-14, kalium-40) Från radon i hus: 3,0 millisievert Från sjukvård:0,6 millisievert Övrigt:0,1 millisievert

Bakgrundsstrålning Olika personer får ta emot olika mycket bakgrundsstrålning. Marken innehåller t ex olika mycket radioaktiva ämnen på olika platser. I staden Guarapari i Brasilien är årsdosen 50 mSv per år (i Sverige 0,5 mSv/år) Gruvarbetare och personal på flygplan tar emot mer strålning än vi andra.

Radon Radium finns i marken och i vissa byggnadsmaterial. Radium sönderfaller till radon. Radon sönderfaller till radondöttrar. Radondöttrar kan följa med damm ner i lungorna och orsaka cancer. Radon kan komma in i huset från berggrunden eller från materialet som huset är byggt av.

Halveringstid I ett gram uran finns 2,5 ∙ 1021 atomer. Alla är instabila och kommer att sönderfalla, men alla gör det inte på en gång. Sönderfallet sker slumpartat. Man kan bara veta hur lång tid det tar innan hälften av atomerna har sönderfallit. Det kallas halveringstid. För uran-238 är halveringstiden ca 4,5 miljarder år

Halveringstid Varje ämne har sin speciella halveringstid. Ex: Radon – 222: 3.8 dygn Jod – 131: 8,0 dygn Cesium – 137: 30 år Kol – 14: 5 730 år Efter en halveringstid har strålningen minskat till hälften. Efter två halveringstider är den 25 %, efter tre halveringstider 12,5 % osv.

Risker med strålning Genetiska skador: strålning kan skada kroppens arvsanlag. Detta påverkar ens barn. Kroppsskador: Akuta – strålsjuka om man utsätts för t ex atombomb. Långsiktiga : cancer

Marie Curie Forskade kring radioaktivitet Upptäckte polonium och radium. Fick Nobelpriset i fysik 1903 och i kemi 1911.