Strlning och krnfysik Atomen Bestr av protoner neutroner

Strålning och kärnfysik

Atomen • Består av protoner, neutroner och elektroner • Protoner och neutroner bildar kärnan • Elektroner kretsar runt kärnan Protoner och neutroner har ungefär samma massa på 1, 67*10 -27 kg Elektroner är ca 1800 gånger mindre

Elektroner • Negativt laddade • Kretsar kring atomkärnan med 7*1015 varv/sekund • Finns ”överallt” kring kärnan samtidigt • Elektronskal eller elektronmoln • Elektronskal är enklare att förstå sig på än elektronmoln

Elektroner och energi • Tillför man värme till en atom laddas den med energi • Elektronerna får då överskottsenergi och kan ”hoppa” mellan skalen • När den sedan ”hoppar” tillbaka till sitt ursprung avger den energi i form av ljus • Om elektronen hoppar till skal 2 kan vi se det • Detta används i neonskyltar

Elektroner och energi Ultraviolettljus Rött ljus Infrarött ljus 1 2 3 4 5 6 Blått ljus

Elektroner och energi • Elektroner som ”hoppar” till skal 1 avger mest energi och ger ifrån sig ultraviolett ljus • Elektroner som ”hoppar” till skal 3 avger mindre energi och ljuset blir infrarött • Ljuset som avges kallas också för fotoner

Elektromagnetiska vågor • Ljus kan beskrivas på två sätt; Fotoner eller elektromagnetiska vågor • Som ljusvågor har allt ljus en vis våglängd • Den beror på hur energirikt ljuset är • De flesta våglängder mäts i nanometer (1 nm = 10 -9 m)

Spektrum • Vitt ljus som passerar en prisma visar regnbågens alla färger • Detta kallas för ett spektrum • Kommer ljuset från ett fast ämne som en glödtråd (lampa) kallas det för kontinuerligt spektrum • Man kan se spektrumet med hjälp av en spektrometer • Då ser man alla färger

Spektrum • Man kan också lysa med vitt ljus genom en kall gas • Så absorberar gasen ljuset • Genom spektrometern ser man då ett absorptionsspektrum

Elektromagnetiska vågor

Röntgenstrålning • Har kortare våglängd än UV-ljus • 0, 01 nm • Upptäcktes 1895 av Wilhelm Röntgen • Strålarna tränger lätt igenom muskler men inte skelett • Kan fångas upp med en fotofilm • Används inom sjukvården, byggen, gruvbrytning mm

Radioaktiviteten

Atomkärnan • Består av protoner och neutroner • Hela kärnan är positivt laddad • Partiklarna vill stöta ifrån varandra • Hålls samman men hjälp av energi

Atomnummer och masstal • Atomnummer = Antalet protoner i kärnan • Masstal = Antalet protoner + neutroner • Används för att skilja på olika typer av atomkärnor • Antalet neutroner kan variera Masstal Atomnummer

Isotoper • I ett grundämne har alla atomkärnor lika många protoner • Neutronerna kan däremot variera • Dessa olika varianter kallas för isotoper • Detta kan göra kärnan instabil ”Vanligt” väte ”Tungt” väte Deuterium Tritium

Isotoper • Det är viktigt att skilja på isotoper och joner • Hos joner är det antalet elektroner som ändras i atomen • Hos isotoper är det antalet neutroner som ändras Joner Isotoper

Radioaktivitet Under slutet av 1800 -talet upptäckte Henri Becquerel att vissa uranhaltiga mineraler utsöndrade osynliga strålar. Makarna Curie upptäckte sedan vidare att även andra ämne hade denna strålning, som radium. Denna strålning kallas joniserande strålning Henri Becquerel Pierre Curie Marie Curie

Radioaktivitet •

Partikelstrålning • α-strålning består av atom kärnor av helium (två protoner och två neutroner) • β-strålning består av elektroner eller positoner • γ- strålning besår av fotoner

Alfasönderfall •

Alfastrålning • Uran-238 har en instabil atomkärna • Den faller lätt sönder till torium • En heliumpartikel skjuts ut från kärnan • 2 protoner och 2 neutroner försvinner • Kärnan blir då mer stabil

betasönderfall • Torium är inte heller stabil • Den sönderfaller med betasönderfall • 2 neutron omvandlas till 2 proton och 2 elektron • Elektronen skjuts ut från kärnan betasönderfall

Betasönderfall • Atomen som bildas kommer att vidare sönderfall • Det blir fler alfa- och betasönderfall • Till slut kommer en stabil blykärna att ha bildats

Gammastrålning • Vid alfa- och betasönderfall kan också en annan strålning förekomma • Den strålningen kallas gammastrålning • Den är en elektromagnetisk strålning • Kortare våglängd än röntgenstrålning

Halveringstid Ämne Halveringstid Po Polonium-210 138 dygn Bi Vismut-210 5 dygn Pb Bly-210 22 år Po Polonium-214 0, 00015 sek Bi Vismut-214 20 min Pb Bly-214 27 min Po Polonium-218 3, 1 min Rn Radon-222 3, 8 dygn Ra Radium-226 1600 år Th Torium-230 80 000 år U Uran-234 250 000 år Pa Protaktinium 234 1, 1 min Th Torium-234 24 dygn U Uran-238 4, 5 miljarder år • Över tid blir det mindre aktiva atomer i ett radioaktivt ämne (färre atomer) • Tiden det tar för 1 kg uran-238 att bli 0, 5 kg kallas halveringstid • Den är olika beroende på grundämne och isotop • Större aktivitet kortare halveringstid

Halveringstid • Aktivitet mäts i enheten becquerel (Bq) • Uppkallad efter Henri Becquerel • 1 Bq = 1 sönderfall/sek • Större aktivitet kan vara farligare

Kol-14 metoden • Isotopen kol-14 är svagt radioaktiv • Halveringstid på 5600 år • Allt levande får i sig kol-14 • Används för att bestämma ålder på gamla föremål

Kol-14 metoden • Man mäter storleken på aktivitet mellan ett gammalt föremål och ett nytt • Man kan då få ut en kvot och jämföra med en tabell • 80% aktivitet ca 2000 år • 20% aktivitet ca 13 000 år

Strålning rund oss

Vår strålmiljö • • • Radioaktiva ämnen finns ständigt runtom oss Kosmisk strålning – från rymden, bakgrundsstrålning Bostäder – vissa äldre byggmaterial, radon Lättbetong innehåller radium Industrier – material eller apparater för produktion Medicinsk – för undersökning och behandling Marken – grundämnen Kroppen – kol-14 Miljö – utsläpp vid olyckor

Vår strålmiljö • Joniserande strålning – hög energi, kan skada levande celler • Kommer från radioaktiva ämnen samt apparater som avger strålning • Stråldos – den mängd strålning som tas upp under en viss tid • Anges i millisievert (m. Sv) • I Sverige utsätts man mellan 3 -5 m. Sv/år • Statens strålskyddsinstitut (SSI) kontrollerar bla strålningen från kärnkraftverken

Vår strålmiljö Stråldos i Sverige m. Sv/år [KATEGORINAMN]; [VÄRDE] m. Sv/år

Hjälpmedel vid joniserande strålning • Människan inte känna strålning • Personal vid tex kärnkraftverk utsätts för joniserad strålning • Det är farligt om de utsätt förmycket • Gränsen ligger på 20 m. Sv/år • Filmdosimeter fäst på kläderna och mäter strålningen i miljön • Filmen framkallas sen och utvärderas

Hjälpmedel vid joniserande strålning • GM-rör (Geiger-Müller) kan också mäta strålning • Består av ett rör med en tunn gasblandning • Inuti finns två elektroder som kopplas till en strömkälla • När radioaktiv strålning passerar gasen börjar den leda ström • Korta strömstötar bildas som registreras och räknas • Många stötar mer aktivt ämne

Hjälpmedel vid joniserande strålning • Forskar som vill studera strålning använder sig av en dimkammare • Strålningen syns inte, men lämna spår i dimman • Alfastrålning lämnar tydligast spår • På det viset kan man studera strålarna

Användning av radioaktiva isotoper • Inom medicin och teknik kan man använda sig av radioaktivitet • Elakartade tumörer kan brytas ner • En tun stråle riktas mot vävnaden • Frisk vävnad skyddas med blyplattor • Man kan dricka/äta radioaktiva ämne för att undersöka olika organ • Mätningar görs för att kolla så att organen fungera normalt

Användning av radioaktiva isotoper • Radioaktivt konstgödsel används för att undersöka växter • Hur fort växten tar upp konstgödsel • Hjälpa till vid förädling av plantor

Användning av radioaktiva isotoper • Mäta tjockleken av papper vid tillverkning • Strålning går genom papperet • En detektor mäter styrkan på strålningen • Svag strålning = papperet för tjockt • Stark strålning = papperet för tunt • Brandvarnare sänder ut strålning mot en detektor • Brandröken bryter strålen och apparaten tjuter

Kärnenergi

Einstein : E=m x c 2 • Vad betyder formel ? • 1 gram Uran 235 = 1, 4 ton kol • Hur mycket kol behöver vi bränna att få lika mycket energi som från 1 gram uran 235 ?

Fission - kärnklyvning • Kärnkraftverk skapar energi med hjälp av kärnklyvning • I reaktion finns uran-235 och fria neutroner • Neutronerna kan krocka med uranatomerna • Dessa börjar svänga klyvs till två mindre atomer • Fler neutroner bildas och träffar fler uranatomer • Det bildas en kedjereaktion

I Oskarshamns kärnkraftverks reaktor neutron Uran-235 klyvningsprodukter neutroner Plutonium -239 Uran - 238

Fission - kärnklyvning • • • Den frigjorda energin från klyvningen används gör att göra elektricitet Energin i form av värme används för att värma vatten Då bildas ånga som kan driva runt en turbin Till turbinen finns en generator Generatorn skapar ström Ångan kyls ner och går tillbaka till början

Fission - kärnklyvning • När kedjereaktionen ska hållas vid liv behöver man tillräckligt med material • Den minska massan som behövs kallas kritisk massa • En kedjereaktion kan växa lavinartat (kärnvapen) • Rent uran-235 kan bli okontrollerbart på 1 sekund • Vid kärnkraftverk används en blandning av uran-235 och uran-238 • Styrstavar används för att fånga upp neutroner

Fusion • Två atomer kan slås samman • Detta kallas fusion • Här frigörs också energi • Väteisotoperna deuterium och tritium kan bilda helium samt en fri neutron • Processen behöver hög temperatur och tryck • Gammastrålning bildas också

Fusion • Processen sker i solen kärna solenergi • Svårt att återskapa processen kontrollerat på jorden • Man vill kunna göra det undre mindre tryck och temperatur • Skulle ge mycket energi åt oss • Finns mycket deuterium i haven • Vätebomber använder denna process