Atom och kärnfysik

1. Atom och kärnfysik Madame Curie Heliumatom Albert Einstein Dansken Niels Bohr utformade en modell för hur atomen fungerar.

2. Atom (grek. odelbar) • Ordet atom användes för att beskriva materians minsta beståndsdel. • Nu vet vi att atomen också kan delas in i mindre delar. Modell av en kväveatom. Dansken Niels Bohr utformade en modell för hur atomen fungerar.

3. Atomen delar • Atomen består av en kärna som innehåller protoner (som är positivt laddade) och neutroner (som är oladdade). • Runt kärnan kretsar elektroner (som är negativt laddade) på olika avstånd.

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

5. Grundämnenas periodiska system Ger information om alla grundämnen vi känner till, bl.a.: • Atomnumret (hur många protoner som finns i atomens kärna). • Kemisk beteckning (en eller flera bokstäver, förkortning av namnet). • Atommassa (hur mycket atomen väger, antalet protoner + neutroner).

6. Elektronskalen • Elektronerna befinner sig i olika elektronskal runt kärnan. • Det innersta skalet (k-skalet) kan ha som mest 2 elektroner. • Nästa skal (l-skalet) kan ha som mest 8 elektroner. • Nästa skal (m-skalet) också 8. • Atomen strävar efter att det yttersta skalet ska vara fullt.

7. Atomnummer och masstal • Atomnumret talar om hur många protoner det finns i kärnan. Atomnummer = antalet protoner i atomkärnan • Masstalet är summan av neutroner och protonerMasstal = antalet protoner + antalet neutroner

8. Elektronbanor 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.

9. 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 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.

10. SPEKTRUM

11. Isotoper-olika atomer av samma slag • Väte har tre olika isotoper. • Vanligaste är väte och kärnan innehåller en proton. • Deuterium har en proton och en neutron. • Tritium har en proton och två neutroner.

12. Radioaktivitet 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.

13. Radioaktivitet • De flesta grundämnena har stabila atomkärnor. • En del har de inte, deras kärnor faller sönder så att två nya (mindre) atomer bildas. • Dessa ämnen är radioaktiva. Radium Uran Polonium

14. Strålning inifrån • Vi har strålning runt omkring oss och faktiskt i oss • Vårt skelett innehåller radioaktivt polonium och radium, vi har radioaktivt kol och kalium i musklerna, vi har radioaktiva ädelgaser och tritium i lungorna

15. Strålning utifrån • Ex. Tjernobyl • Rymden • Mobiler, TV, elektriska apparater • Mat • Bostadens byggmaterial (radon) • Självlysande armbandsur, klockor, brandvarnare, blå dekorfärg i gammal porslin

16. Vad är då strålning? • Strålning bildas ju när en atom får mer/mycket mer neutroner än protoner. Då hamnar atomen i ett tillstånd av obalans och vill göra av med överflödet. • Det naturliga vore då att ge bort de överflödiga neutronerna, men så enkelt är det inte! 

17. Varför tar kroppen upp allt detta då? • Kroppen kan inte skilja på radioaktivt/icke radioaktivt ämne, den tar upp båda varianterna • Ex: kol förekommer i 8 varianter (isotoper!) C12 och C13 är stabila, resten är mer eller mindre radioaktiv och alla formerna tas upp/ finns i vår kropp.

18. Madame Curie • Marie Curie, född 1867 i Polen, blev senare fransk medborgare. • Arbetade tillsammans med sin man Pierre Curie, de studerade radioaktivitet. • Fick nobelpriset två gånger: • 1903 tillsammans med Henri Becquerel för sitt arbete med radioaktivitet. • 1911 för upptäckten av grundämnena Radium och Polonium. • Fick ett grundämne uppkallad efter sig (Curium). • Dog 1934 av strålningen som hon utsattes för i sitt arbete.

19. Elektromagnetiska vågor 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

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

22. + 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. Exempel på  sönderfall  partikel Dotterkärna Moderkärna

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

24. 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.

25. Hur långt når strålningen?

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

27. 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.

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

29. 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

30. 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.

31. 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.

32. FISSION! 1 neutron + 235U → 94Kr + 139Ba + 3 neutroner + energi

33. 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.

34. Kärnkraftverk • I kärnkraftverkets reaktor sker hela tiden kärnklyvningar, där vi använder Uran som bränsle. • Vi kan kontrollera hastigheten på reaktionerna med styrstavar och genom att kombinera uran-238 och uran-235 till rätt proportioner. • Värmen som uppstår vid reaktionerna värmer upp vatten till ånga, som i sin tur driver en turbin som alstrar ström.