Sammanfattning kärnfysik
- 1. Sammanfattning Karnfysik Atomen De flesta ämnen innehåller två eller flera olika sorters atomer. Ämnen som bara innehåller en slags atomer kallas för grundämnen. Syre, väte, kväve, järn och guld är exempel på grundämnen. Alla atomer är uppbyggda av tre slags elementärpartiklar: protoner, neutroner och elektroner. Protoner är positivt laddade (+), elektroner är negativt laddade (-), neutroner saknar laddning. Protonerna och neutronerna finns i atomkärnan och elektronerna svävar runt kärnan. Atomnummer – Antalet protoner i kärnan. Syre har atomnummer 8, vilket innebär att det finns 8 protoner. Masstal – Antalet protoner och neutroner i kärnan. Syre-16 (masstalet 16), Syre-18 har då 8 protoner och 8 neutroner i kärnan (8+8=16). Isotop – En atom som inte har lika måna protoner och neutroner i kärnan kallas för en isotop. Syre -20 är alltså en isotop av syre. Efter som Syre-20 har 8 protoner och 12 neutroner, detta leder till lite andra egenskaper. Exempel uppgift. Hur många protoner och neutroner finns det i natrium-30. Natrium har atomnumret 11 och masstalet 30. Atomnumret = antalet protoner, alltså 11. Vilket betyder att vi har 19 neutroner. 11+19 = 30. Svar: Natrium-30 har 11 protoner och 19 neutroner. Radioaktivitet Strålning från radioaktiva ämnen är inte lätt att upptäcka, den varken syns eller känns. Ett av problemen med radioaktivitet är just att strålningen kan vara farlig och vi märker inte av den. Det är atomkärnan som sänder ut strålningen. Det finns tre olika typer av strålning: alfastrålning, betastrålning och gammastrålning. Alfastrålning – Är den svagaste typen av strålning, har kort räckvidd (endas några cm i luft), kan ej tränga igenom vår hud. Man kan dock få i sig alfastrålning genom luft eller om man äter något ämne som sänder ut alfastrålning.
- 2. När en atomkärna sänder ut alfastrålning så skickar den i väg 2 protoner och 2 neutroner. Atomnumret minskar därför med 2 och masstalet med 4. Exempel på alfastrålande ämnen är radon och polonium. Exempeluppgift Radon-222 sänder ut alfastrålning. Vad händer? Radon har atomnumret 86 och masstalet 222. Vi alfastrålning minskar atomnumret med 2 och masstalet med 4. Vi kommer alltså få atomnummer 84 och masstalet 218. Polonium har masstal 84. Svar: Polonium-218 kommer alltså att bildas vid alfastrålning. Betastrålning – Betastrålning är något starkare än alfastrålning, när några decimeter i luft och kan tränga igenom tunnare metallskikt. Det som händer vid betastrålning är att en proton skickas ut från kärnan, atomnumret minskar med 1 och masstalet minskar med 1. Exempeluppgift Cesium-137 sänder ut betastrålning. Vad händer? Cessium har atomnumret 55 och masstalet 137. Atomnumret minskar med 1 och masstalet med 1. Detta leder till att vi får atomnummer 54 och masstalet 136. Xenon har atomnummer 54. Svar: Xenon-136 kommer att bildas vid betastrålning. Gammastrålning – Gammastrålning består inte av protoner, neutroner eller elektroner. Den består istället av samma strålning som vanligt ljus. Gammastrålning är den starkaste typen av strålning, kan färdas långt i luft och tränga igenom meter tjocka väggar av betong och plåtar av metall. Att mäta radioaktivitet Eftersom man inte kan upptäcka radioaktivt strålning med synen eller känseln så behöver man metoder att mäta strålning. Detta gör man antingen med ett GM-rör (Geiger Müller rör) eller en Bequerelmeter. Man mäter radioaktivstrålning i bequerel (Bq). Bequerel är ett mått på hur många partiklar som sänds ut per sekund. 100 Bq betyder att ett ämne sänder ut 100 partiklar per sekund. Halveringstid En radioaktiv atomkärna kan bara sända ut strålning en enda gång. Då omvandlas den till en atomkärna av ett annat grundämne (tänk på de uppgifter med alfa- och betastrålning som vi har gjort). I många fall är det nya ämnet också radioaktivt. Efter en halveringstid är ämnet bara 50% radioaktivt, efter ytterligare en halveringstid är ämnet 25% radioaktivt.
- 3. Exempeluppgift Polonium har en halveringstid på 20 veckor. Tänk att vi har 100 radioaktiva kärnor. Hur många radioaktiva kärnor har vi efter 40 veckor? Efter 20 veckor (en halveringstid) har häften av radioaktivitet försvunnit, 100/2 = 50. Efter ytterligare 20 veckor har polonium halverats en gång till 50/2 = 25. Svar: Efter 40 veckor har polonium 25 radioaktiva kärnor kvar. Hur kan radioaktivitet utnyttjas? Man använder sig av radioaktivstrålning för att bestråla cancerceller, sterilisera (rengöra) sjukhusredskap. Det finns radioaktiva ämnen i brandvarnare som känner av rök. Fission Fission betyder klyvning. Fission används i kärnkraftverk och atombomber. Om man har en atomkärna (t.ex Uran-235) som träffas av en neutron kan denna splittras till två mindre kärnor och två neutroner. När kärnorna splittras frigörs en stor mängd kärnenergi. Kedjereaktion – Vi fission frigörs alltid fria neutroner. Om det finns flera atomkärner i närheten kan dessa fria neutronerna krocka med dessa och på så sätt fortsätta klyvningen. Vid klyningen frigörs ytterligare mer fria neutroner och kedjereaktionen är igång. I ett kärnkraftverk kontrollerar man kedjeraktionen så lagom mängd energi frigörs hela tiden. I en atombomb däremot vill man att all energi ska frigöras fort och hindrar därför inte kedjereaktionen, detta leder till en otroligt kraftig explosion. Antalet fria neutroner som bildas ökar på följande sätt: 1 ,2 ,4 ,8 ,16 ,32 ,64 ,128 ,256 osv.
- 4. Fusion Motsatsen till fission. Vid fission slår man isär en atomkärna men vid fusion slår man istället ihop två vätekärnor. Mängden energi som bildas vid fusion är enormt stor. Fusion används t.ex av solen. För att man ska kunna sätta ihop två väte kärnor behöver man enormt stora temperaturer (100 miljoner Celsius). Människan har i ett par år försökt konstruera fusionsreaktorer för att lösa alla världens energikriser. Dock har man inte lyckats fullt ut än så länge. Det stora problemet är den höga temperaturen man måste uppnå för att lyckas med fusion. Forskare och tekniker över hela världen arbetar för att lösa problemet med en fusionsreaktor.