Atom och kärnfysik

1. Atom och kärnfysik Naturens innersta bild

2. Atomen • Neutroner • Protoner, positivt laddade • Elektroner, negativt laddade • Atomnummer, antal protoner • Masstal, summan av protoner och neutroner

3. 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. Gör uppgift 3 till kap 12.1

4. strålning Om du värmer järn börjar det att glöda. Detta beror på att elektronerna som finns i olika skal har mycket energi. Om de tillförs mer energi kan de hoppa mellan skalen, excitera. Detta gör att atomen hamnar i obalans, blir instabil. Så snart det är möjligt kommer elektronen att hoppa tillbaka till sitt skal och energin som då frigörs sänds ut som strålning. Långa hopp ger energirikt blått ljus. Korta hopp ger energifattigt rött ljus.

5. röntgenstrålning Röntgen strålning gör att vi kan se bilder av skelettet. Röntgenapparaten är som en slags kamera som både sänder ut och fångar röntgenstrålningen. Strålningen går igenom allt i kroppen men absorberas olika mycket. Skelett absorberar bäst och blir därför ljust på bilden. Wilhelm Röntgen var den som upptäckte röntgenstrålingen. Det som sker är att en elektron i de innersta skalen slås ut ur sitt skal och ersätts av en elektorn från ett av de yttersta skalen. Atomen avger röntgenstårlning.

6. Testa dig själv • Testa dig själv 12.1 • 1 En atom består av tre olika partiklar. Vad heter partiklarna och vilken laddning har de? • 2 Hur många elektroner får det plats i K-skalet? • 3 Vilken laddning har en atom som helhet? • 4 Vad menas med • a) atomnummer b) masstal • 5 a) Vad är gemensamt för två isotoper av samma grundämne? • b) Vad är det som skiljer? • 6 En natriumatom har atomnumret 11 och masstalet 23. Hur många neutroner har kärnan? • 7 En isotop av magnesium skrivs • 23Mg • 12 • a) Beskriv hur kärnan är uppbyggd. • b) Fördela isotopens elektroner på olika skal. • 8 Hur uppkommer ljus av olika färg? • 9 Den vanligaste heliumisotopen har två protoner och två neutroner i sin kärna. Jämför atomkärnans massa med den sammanlagda massan av elektronerna. Vilket resultat kommer du fram till? • 10 Protonens diameter är ca 2,5 · 10–12 mm. Tänk dig att du ska lägga en 1 mm lång rad av protoner och att du hinner lägga 10 st per sekund. Hur lång tid skulle det ta? • • En guldatom har masstalet 179. En radonatom har masstalet 222. Ändå har guld mycket högre densitet än radon. Hur kan det komma sig?

7. radioaktivitet Henri Bequerel upptäckte att uran var radioaktivt 1896. Några år senare konstaterade Marie och Pierre Curie att även radium och polonium var radioaktiva. Radioaktivitet är strålning som uppstår i atomens kärna. Grundämnen som har isotoper där kärna innehåller för mycket energi blir instabila. För att bli av med energin sänds det ut strålning, vi kallar det att kärnan sönderfaller. Det finns tre olika typer: alfastrålning, betastrålning och gammastrålning. Alla ämnen som sänder ut sådan strålning är radioaktiva.

8. Radioaktiv strålning Alfastrålning • Består av positivt laddade partiklar, alfapartiklar. En alfapartikel innehåller två protoner och två neutroner. Det är alltså samma sak som en atomkärna av helium. • Om en atomkärna sänder ut alfastrålning minskar antalet protoner och neutroner i kärnan och ett nytt ämne bildas. • Består av negativt laddade elektroner, betapartiklar. • En neutron i atomkärnan omvandlas till en proton och en elektron. Elektronen lämnar kärnan och protonen blir kvar. • Om en atomkärna sänder ut betastrålning ökar antalet protoner i kärnan och ett nytt ämne bildas. Betastrålning

9. Radioaktiv strålning Gammastrålning • Gammastrålning består inte av någon partikel som lämnar kärnan utan är samma sorts strålning som ljus och röntgenstrålning. • Gammastrålning är dock energirikare och har därför kortare våglängd. • Joniseradstrålning är ett samlingsnamn för alfa, beta och gammastrålning. • Det beror på att denna strålning kan slå ut elektroner så att det bildas joner. • Om det händer i kroppen kan jonerna bilda ämnen som är skadliga för vår kropp. Strålningen kan också leda till skador i generna så att de delar sig okontrollerat och vi får cancer. Joniserad strålning

10. Alfasönderfall • Vissa isotoper av olika grundämnen kan när som sända ut joniseradstrålning. • En isotop, av till exempel radium kan när som sönderfalla till en isotop av grundämnet radon. • Radiumkärnan sänder ut en alfapartikel. Kvar blir en atomkärna som har två färre protoner än radiumkärnan. Grundämnet radon har bildats.

11. Betasönderfall • Kol-14 är en isotop av kol och har masstalet 14. När den sönderfaller utsänds betastrålning. En neutron omvandlas till en proton och en elektron. • Elektronen lämnar kärnan. Detta gör att det nu återstår en atomkärna med en mer proton än den ursprungliga kärnan. Den nya kärnan som bildas är en kvävekärna.

12. Gammastrålning • I samband med alfa- och betastrålning sänds även gammastrålning ut. • Gammastrålning påverkar varken atomnummer eller masstalet och finns därför inte med i formler. • Gör uppgift 6 till kapitel 12.2

13. Halveringstid • I radioaktiva ämnen sönderfaller inte alla atomkärnor sönder samtidigt utan när och vilken som gör det är helt slumpmässigt. • Ett mått på hur fort sönderfallet går är halveringstid. • Halveringstid är hur lång tid det tar för hälften av alla atomkärnor i ett radioaktivt ämne att sönderfalla.

14. Halveringstid • Ett exempel på att beräkna halveringstid är följande. • Radiums halveringstid till radon är ungefär 1620 år. • Om du har 1000 radiumkärnor kommer det efter 1620 år finnas 500 radiumkärnor och 500 radonkärnor. • Efter ytterligare 1620 år kommer du att ha 250 radiumkärnor o sv. • Halveringstiden kan vara mycket olika för radioaktiva ämnen allt från bråkdelen av en sekund till flera miljarder år. • Gör uppgift 10 till kap 12.2

15. Radioaktivstrålning • Radioaktivstrålning når olika långt. • Alfastrålning bromsas efter bara några centimeter i luften, den har korträckvidd. Stoppas av papper eller hud. • Betasstrålning har ne räckvidd på några meter i luft och centimeter i levande vävnad. Stoppas av aluminiumplåt, träskiva och ett lager kläder. • Gammastrålning är utan partiklar och är energirik. Det krävs ett tjockt lager med bly för att stoppa gammastrålning.

16. Mäta strålning • Med hjälp av en geigermätare kan man se hur radioaktivt något är. Apparaten registrerar varje gång det sker ett sönderfall. • Mängden strålning ett radioaktivt ämne sänder ut kallas aktivitet. Aktiviteten berättar hur många sönderfall som sker per sekund. Aktivitet mäts i enheten becquerel Bq. • Högsta tillåtna aktivitet i Sverige är 1500 Bq/kg. Alltså max 1500 sönderfall per sekund i tex 1 kg svamp eller bär.

17. Mäta strålning • För att veta om du blir utsatt för radioaktiva ämnen måste du ha på dig en dosimeter då man inte känner av strålningen. Dosimetern registrerar den sammalagda mängden strålning som man utsätts för under en viss tid. • Alla utsetts varje dag för bakgrundsstrålning från mark, byggnadsmaterial och rymden. • Stråldosen mäts i millisivertmSv och vi utsätts i Sverige för en genomsnittlig stråldos på 5 mSv per person. • 3/5 av strålningen kommer från radon i våra hus men även radioaktivt kalium som finns naturligt i kroppen, kosmisk strålning och sjukvården.

18. Radioaktivstrålning • Radioaktivstrålning är farligt för oss. T ex Marie Curie dog av cancer hon fick pga sin forskning om strålning. Idag måste man använda skyddsutrustning när man arbetar med strålning. • I sjukvården använder vi dock strålning för att behandla olika sjukdomar. T ex behandla cancersjuka patienter då cancerceller är mer känsliga för strålning och dör utan att skada de friska cellerna.

19. Radioaktivstrålning • Andra områden i sjukvården som använder radioaktivstrålning är: • Röntgen • Scanning med magnetkamera MRT • Scanning med positronkamera PET

20. Testa dig själv • Testa dig själv 12.2 • 1 Vilka tre typer av strålning finns det? • 2 Hur är en alfapartikel uppbyggd? • 3 Vad är betastrålning? • 4 Vilken strålning är svårast att stoppa? • 5 Aktiviteten hos ett radioaktivt ämne mäts i becquerel (Bq). Vad menas med 1 Bq? • 6 På vilket sätt skiljer sig gammastrålning från alfa- och betastrålning? • 7 Vad menas med halveringstid? • 8 a) Hur förändras sammansättningen hos en atomkärna som utsänder alfastrålning? • b) Hur förändras sammansättningen hos en atomkärna som utsänder betastrålning? • 9 Diagrammet visar en så kallad sönderfallskurva för isotopen 214Bi. Hur lång är halveringstiden? • 10 Med formler kan vi beskriva radioaktiva sönderfall. Fullborda formlerna här nedanför och ange vilken typ av strålning som det är fråga om. • a) 228Ac –> 228Th + ? • b) 228Th –> ? + 4He • c) 224Ra –>220Rn + ? • 11 a) Beskriv hur betastrålning uppkommer. • b) Skriv en formel som visar hur betapartikeln kan uppstå. • 12 Strålningen från ett radioaktivt ämne minskar till en fjärdedel på 40 min. Vilken är halveringstiden? • • Tänk dig att du har 40 g av ett radioaktivt ämne med halveringstiden 10 min och 10 g av ett annat ämne med halveringstiden 20 min. Hur länge dröjer det innan det återstår lika mycket av de båda radioaktiva ämnena?