Kurs Atomfysik

Info om sidan Träna begrepp Skriv ut
Deltest 1 Deltest 2 Stortest

ATOMENS MILSTOLPAR

Kunskapen om atomen och dess delar är knapp 200 år gammal. Atomen är ett aktuellt forskningsområde och viktiga upptäckter görs bland annat på Cern i Schweiz, ett berömt forskningscentrum för partikelfysik. Cern upptäckte bland annat Higgspartikeln (gudspartikeln) som ledde till nobelpris i fysik 2013.

De första stegen mot en modern atomteori togs av John Dalton i början av 1800-talet. Han antog att ett grundämne har atomer som är lika d.v.s. har samma vikt och kemiska egenskaper. Han genomförde många experiment där han studerade viktförhållanden, mellan grundämnen, i olika kemiska reaktioner. Dalton kom bland annat fram till att det går åt 8 gram syre och 1 gram väte för att bilda vatten. Daltons teorier ersatte antikens lära om de fyra elementen. Dock trodde han att atomen var odelbar vilket är felaktigt.

I slutet av 1800-talet började vetenskapen använda elektronen som begrepp, troligtvis eftersom den användes inom den nya vetenskapen ”elektricitet”. En teori var att elektronerna fanns i atomen som russinen i en kaka. Vetenskapen uppfattade i och med detta att atomen inte var en helhet utan att den bestod av delar.

I början av 1900-talet gjordes ett numera klassiskt experiment som var avgörande för atomfysiken. En engelsk fysiker, Rutherford, lät sina studenter skjuta heliumkärnor på en tunn guldfolie. De flesta heliumkärnor for rakt igenom guldfolien men några studsade tillbaka. Rutherford drog slutsatsen att atomen har en positiv kärna som heliumkärnorna studsade emot men att det var mest tomrum i atomen. Elektronerna antog han for runt kärnan likt planeterna i solsystemet.

Dansken Niels Bohr förbättrade denna atommodell genom att föreslå att elektronerna rörde sig i olika energinivåer runt atomkärnan. Genom denna teori så förkastade han den ”gamla” fysiken och införde en helt ny, kvantfysiken. Bohrs teorier och atommodell används fortfarande.

Protonen upptäcktes 1918 och neutronen 1932. Under 1900-talet upptäcktes många fler partiklar som nu ingår i ”standardmodellen”. Det är fysikernas försök att göra en heltäckande teori om hur alla naturkrafter och partiklar påverkar varandra.

Fördjupning:

ATOMKUNSKAP

Atomen består av en kärna med protoner (positiva) och neutroner (neutrala). Runt atomkärnan finns elektroner (negativa) i olika elektronskal. Det är antalet protoner som bestämmer vilket grundämne det är. Elektronerna i det yttersta elektronskalet (valenselektroner) bestämmer ämnets egenskaper.

I det periodiska systemet finns de grundämnen som är kända idag. Som grundämne, uppställt i periodiska systemet, har de alltid lika många elektroner som protoner. Ett grundämne är oladdat. Ett grundämne eftersträvar fullt yttre elektronskal. Därför ge/tar eller lånar den elektroner med andra atomer. Om en atom inte har lika många protoner (positiva laddningar) som elektroner (negativa laddningar) så kallas den jon. En atom blir en positiv jon om den har förlorat elektroner och negativ jon om den tagit upp elektroner.

Ett elektronskal är energinivåer som elektroner färdas i. Skalen börjar namnges från atomkärnan med bokstaven K. K-skalet kan max innehålla 2 elektroner, L-skalet 8 och det yttersta skalet max 8 elektroner oavsett vilken bokstav det har (undantag om det är L-skalet).

Sammanfattning:

Antalet protoner avgör vilket grundämne det är. Antalet elektroner avgör om grundämnet är en jon (laddat) eller oladdat. Antalet neutroner avgör vilken isotop av ämnet det är. En isotop är en variant av ett grundämne. Alla grundämnen, utom väte, har isotoper. Isotoperna av ett grundämne får lite olika egenskaper. Framförallt avgör det om ämnet är radioaktivt eller inte.

Fördjupning:

ISOTOPER

Isotop

Ett grundämne kan ha olika antal neutroner. Det innebär att det finns olika varianter av ett och samma grundämne. Dessa varianter kallas isotoper. På bilden ser vi grundämnet vätes tre varianter.

Varje grundämne har isotoper naturligt. Isotoperna får lite olika egenskaper. Till exempel kan de bli radioaktiva. Det innebär att atomkärnor blir instabila och faller sönder.

Atomnummer och masstal

Med det kemiska tecknet för ett grundämnen går det att visa information om grundämnet. Varje hörn runt det kemiska tecknet visar en speciell information.

Siffran nere till vänster kallas atomnummer. Det visar vilket grundämne det är och hur många protoner grundämnet har i kärnan. Masstal är antalet partiklar i atomkärnan. Det är samma sak som antalet protoner + antalet neutroner. Högst upp till höger visas jonladdningen. Siffran visar om grundämnet avgett eller tagit upp extra elektroner. Siffran längst ner till höger visar antalet atomer i molekylen. I detta fall två stycken.

I atomfysiken används huvudsakligen kunskapen om ämnets masstal och atomnummer. I exempel 1 så har vätet dessa antal av respektive partikel:

  • Protoner = Atomnummer = 1
  • Neutroner = Masstal -atomnummer = 3-1 = 2
  • Elektroner = protoner (i ett oladdat grundämne) = 1

Exempel två är svårare. Testa själv!

Atommassa och formelmassa.

En atom har en massa. Eftersom den är extremt liten är det svårt att använda kg. Istället används enheten ”unit”.  En neutron och proton väger ungefär 1 unit. Elektronen väger 2000 gånger mindre så den brukar inte tas med i beräkningarna.  En atom har en atomvikt och en kemisk förening har en formelmassa. När duräknar ut formelmassa adderar du varje atoms atomvikt

ex 1. Vatten H2O: Syre har atomvikt 16 u och väte 1 u. Vattnets kemiska formel är H2O. Formelmassan är: 1+1+16 = 18 U

ex 2. Metan CH4. Kol har atomvikt 12 u och väte 1 u. Formelmassan = 12+1+1+1+1= 16u

Fördjupning:

LJUSEMMISION

Atomer kan avge ljus. Det inträffar när energi tillförs atomen t.ex om en ämne värms upp väldigt mycket.

Elektronerna i en atom är ordnade i elektronskal. Elektronskalet närmast atomkärnan kallas K-skalet. Därefter följer man alfabetet. Nästa skal/energinivå kallas L-skalet o.s.v.

Elektronskalen är egentligen energinivåer. En elektron med en viss energi befinner sig i ett givet elektronskal.

När ett ämne värms upp tillförs elektronerna energi. Elektronerna byter då till ett skal längre bort från atomkärnan (exciteras) som har en högre energinivå. Eftersom elektroner helst vill vara på sin vanliga plats så hoppar de tillbaka.

För att elektronen ska hoppa måste den, som sagt, tillföras energi. När elektronen hoppar tillbaka sänder den ut överskottsenergin i som en ljuspartikel (foton).

En foton är en energipartikel. En foton kan ha olika mycket energi beroende på vilken våglängd den har. Beroende på hur korta eller långa elektronhoppen är så sänds fotoner ut med olika våglängd. En del av dessa våglängder ger infrarött ljus, en del synligt ljus och långa hopp ger ultraviolett ljus.

Varje grundämne har sina elektroner fördelade i skalen på ett unikt sätt. Eftersom elektronhoppen beror på denna fördelning så kommer varje grundämne sända ut ljus på ett unikt sätt. Ljuset undersöks i ett spektroskop. Där syns flera linjer med olika våglängder, likt ett fingeravtryck, som kallas linjespektrum.

Kunskap kring spektrallinjer är viktigt inom astronomin. Genom att analysera den elektromagnetiska strålning från himlakroppar med teleskop har mänskligheten fått bättre förståelse för universums uppbyggnad.

Fördjupning:

EMS

Fotoner kan ha olika mycket energi. Ju högre energi desto kortare våglängd. Människor kan bara se synligt ljus men det är bara ljus med en viss våglängd. Här är andra typer av ljus. De med längst våglängd kommer först.

Radiovågor – Används för att skicka olika typer av signaler. Radio och TV fungerar med hjälp av radiosignaler. En militär uppfinning, radar, använder radiovågor.

Mikrovågor – Mikrovågor har liknande användningsområden som radiovågor men används även i mobiler, mikrovågsugnar och GPS:er.

Infraröd strålning – Kallas också värmestrålning. Genom att mäta värmestrålning går det att se om hus läcker energi.  Kan finnas i fjärrkontroller också. Det går att se i mörker med IR-ljus och i tullen kan vakterna se genom kläder.

Synligt ljus eller vitt ljus består av många färger. Det är de våglängder människor ser.

Ultraviolett strålning – Det ultravioletta ljuset gör oss solbrända. Vårt pigment i huden ändrar färg för att skydda oss från solen som bland annat sänder ut UV-ljus. Ultraviolettljus kan inte passera genom en glas. Tips! Det går inte att sola genom en glasruta. Ultraviolett strålning används också för att se om sedlar är äkta. En del ämnen tar upp UV-ljus och sänder ut det som vanligt vitt ljus. På dansgolvet på ett disko kan du ibland se att dina tänder blivit extra vita. Om du tvättat dina kläder med tvättmedel som innehåller optiskt vitmedel så kommer det ämnet omvandla UV-ljus till synligt ljus. Din t-shirt kommer lysa i mörkret om den belyses med UV-ljus.

Röntgenstrålning – Används på sjukhus för att se hur skelettet ser ut. Handens mjuka delar släpper igenom mer strålning än skelettet. Därför syns skelettet på bilden.

Gammastrålning – Denna strålning innehåller extremt mycket energi och är direkt farlig. Den bildas vid händelser i rymden t.ex. gammablixtar eller vid sönderfall av radioaktiva ämnen (atombomber, kärnkraft).

 

Fördjupning 

RADIOAKTIV STRÅLNING

Radioaktiv strålning.

Radioaktivitet upptäcktes i slutet av 1800-talet av Henry Becquerel. Marie Curie är ett av de stora namnen inom upptäckterna kring radioaktivitet. Dessa två fick också dela på nobelpriset 1903 för sina upptäckter.

Radioaktivitet kallas den process då atomkärnor spontant sönderfaller och avger strålning. Det beror på att atomkärnan innehåller för mycket energi för att de ska vara stabila. Dessa atomer kallas instabila eller radioaktiva. Alla grundämnen över atomnummer 82 är instabila men de flesta andra grundämnen har någon isotop som är radioaktiv.

Joniserande strålning.

Strålning som slår bort elektroner från atomer den passerar så att joner bildas, kallas joniserande. Den joniserande strålningen kan komma från:

  1. Partikelstrålning: Ämnen vars atomkärnor faller sönder och sänder ut partiklar. Denna strålning kallas alfastrålning eller betastrålning. Betastrålningen kan vara negativ eller positiv men vanligtvis tas enbart den negativa upp i grundläggande atomfysik.
  2. Elektromagnetisk strålning: Den elektromagnetiska strålning med allra högst energi , röntgenstrålning och gammastrålning, är joniserande.

 

Att mäta strålning:

Aktivitet: Mäter hur många sönderfall som sker per sekund. Mäts i Bequerel (Bq) efter fysikern som upptäckte den naturliga radioaktiviteten. För att visa på radioaktivitet i film och dataspel brukar det finnas med en apparat som knäpper t.ex. dataspelet Fallout. Det som används är ett Geiger-Muller-rör (GM-rör).

Stråldos: Mäter hur mycket energi en kropp (som utsätts för strålning) tar upp per kilo. En människa bör inte få för hög stråldos. Därför har människor som jobbar i närheten av strålning en mätare på sig (persondosimeter) som registrerar hur mycket strålning en kropp mottagit under en viss tid. Enhet för stråldos är sievert (Sv).

Gray är också en enhet för radioaktivitet. Den anger absorberad (upptagen) dos av joniserad strålning. Den fungerar även på icke organiskt material.

Fördjupning:

ALFA BETA GAMMA

Dessa är de tre vanligaste typerna av strålning.

Alfastrålning:

Förändring av atomen:

Bilden ovan visar grundämnet uran som avger alfastrålning. På detta sätt skrivs i regel sönderfall. Startämnet till vänster med masstal och atomnummer utskrivet. Resultatet, till höger, av sönderfallet är att grundämnet Torium (Th) skapas eftersom antalet protoner förändras. Det bildas också alfapartiklar. Adderar du masstalen på den högra sidan ser du att det stämmer med den vänstra.

 

Betastrålning:

Förändring av atomen:

Vid betastrålning (β-) omvandlas en neutron till en proton och sedan sänds elektron ut. Den innebär att atomnumret ändras och det blir ett nytt ämne

Gammastrålning:

Förändring av atomen:

Ingen förutom att atomkärnan förlorar energi.

Fördjupning:

HALVERINGSTID

Sönderfall sker slumpmässigt så det är omöjligt att förutsäga när en enskild radioaktiv atom ska sönderfalla.

Ett radioaktivt ämne sönderfaller i en hastighet som är unik för just den isotopen. Begreppet halveringstid används för att kunna jämföra hastigheten i olika sönderfall. Den mäter hur lång tid det tar för att hälften (50 procent) av ett ursprungligt ämne ska sönderfalla. T.ex. har uran halveringstiden 4,5 miljarder år. Har du 1kg uran så har du bara 0.5 kg uran kvar efter denna tidsperiod. Vart har resten tagit vägen? Jo, det har i sin tur omvandlats till thorium på grund av uranets alfastrålning. Väntar du 4,5 miljarder år till så finns bara 25 procent kvar av det ursprungliga uranet.

Vid gammastrålning innebär halveringstiden att hälften av aktiviteten (strålningen) har försvunnit. Nedan är en bild på radiums sönderfall.

Observera att radiumet inte försvinner i tomma luften. Det omvandlas till radon. 1 kg radium kommer efter 10000 år väga ungefär 1kg fortfarande.

 

Kol 14 – metoden:

Grundämnet kol har en användbar radioaktiv isotop med masstalet 14. (6 protoner och 8 neutroner). Den har en halveringstid 5730 år och används för att bestämma åldern på organiska (innehåller kol) föremål  som är upp till 50000 år gamla.

När en organism lever så lagrar den kol i kroppen. Det gäller både djur och växter. I atmosfären har det mesta kolet (i koldioxid) masstalet 12. En liten del av kolet är det radioaktiva kol-14. När organismen lever tar den upp kol men när den dör så gör den naturligtvis inte det. Då börjar sönderfallet av det kol-14 som organismen tagit upp. Genom att jämföra halten av kol-12 med kol-14 i föremålet som undersöks, kan det åldersbestämmas.

Sönderfallsserier:

Många radioaktiva ämnen sönderfaller till något som i sin tur också är radioaktivt och sönderfaller. Ett ursprungligt radioaktivt ämne kan sönderfalla i många led tills det bildas en stabil isotop. Dessa förlopp sammanställs i tabeller som kallas sönderfallsserier.

Fördjupning:

NYTTIG STRÅLNING

Vi utsätts hela tiden för strålning. Strålning som orsakas av naturlig aktivitet kallas bakgrundsstrålning. Denna kommer från:

  • Kosmisk strålning: Radioaktiva partiklar som kommer från rymden. Kabinpersonal på flygplan (som är närmare rymden) får dubbelt så hög dos.
  • Strålning från marken: I berggrunden finns radioaktiva isotoper som sänder ut gammastrålning. Denna strålning variera mycket beroende på var i världen du befinner dig.
  • Sönderfall inuti kroppen: I kroppen finns radioaktiva isotoper främst kol-14 och kalium-40 som ger en viss strålning.
  • I vissa hus har man problem med radon. Det är en radioaktiv gas som finns antingen i berggrunden under huset eller i husets byggnadsmaterial.
  • Medicinsk användning: Om du måste röntga dig hos din läkare eller tandläkare får du en dos radioaktiv strålning.

När används radioaktivitet till något bra?

Röntgen – Röntgenstrålning och skiktröntgen används joniserande strålning för att undersöka skelettben. Röntgenstrålning passerar kroppens mjuka delar men inte de hårda skelettbenen. I en dator visas sedan en bild på skelettet och läkare kan avgöra vad som hänt.

Cancerbehandling—Betastrålning används för att stråla och därigenom döda cancertumörer. Cancerceller är lite svagare än vanliga celler så de dör först vid behandling. De vanliga cellerna tar också stryk så det är oerhört tufft att gå igenom denna cancerbehandling. Betastrålning är också i sig cancerframkallande så beroende på hur gammal du är så hanteras denna behandling olika. Inom cancerbehandling används också radioaktiv märkning för att spåra cancertumörer.

Livsmedel—Genom att bestråla livsmedel så ökar hållbarheten. Tanken är att döda främmande celler (insekter, larver och bakterier) samt förhindra att potatis och lök får groddar.

Åldersbestämma—Kol14 – metoden används flitigt för att åldersbestämma föremål som innehåller kol och som är yngre än 50000 år gamla.

Kärnkraft är en viktig energikälla i många länder i världen bland annat Sverige.

Fördjupning:

FAROR MED RADIOAKTIVITET

Faror med radioaktivitet.

Radioaktivitet, med sin joniserande strålning, är alltid cancerframkallande. Den kan också användas för militärt bruk i atombomber och vätebomber men även smutsiga bomber kan användas. En smutsig bomb är en vanlig bomb som kombineras med ett radioaktivt ämne. Tanken är att förorena ett område så att civilbefolkning inte kan bo kvar.  Ett terroristvapen helt enkelt.

Vid kärnkraftsolyckor sprids radioaktivt avfall. Områden kring olyckan blir kontaminerade (förorenade). Människor får inte vistas i närheten. Kring Tjernobyl (Ukraina) finns ett sådant område och ett annat finns efter kärnkraftolyckorna i Fukushima (Japan).

Vad händer när du utsätts för strålning?

Att få en hög stråldos är direkt dödlig. Alla de partiklar som skjuter igenom kroppen orsakar inre blödningar, skadade tarmar och nervsystem. Den som drabbas av riktig hög strålning dör inom ett par minuter till något dygn.

Medelhöga stråldoser, som inte är direkt dödliga, påverkar kroppens celler med hög celldelningstakt. T. ex benmärgens celler eller celler i matspjälkningsorganens slemhinnor. Oftast leder denna strålning till cancer i dessa delar av kroppen. Leukemi (blodcancer ) är vanligt.

När det gäller låga stråldoser är det svårare att avgöra hur farligt det är. Det går inte enkelt att experimentera med människor. Däremot har forskare försökt undersöka vad som hände efter andra världskrigets atombomber och kärnkraftsolyckan i Tjernobyl med människor som utsatts för låga stråldoser..

Sammantaget verkar det som att  människor, djur och växter klara låga stråldoser bra. Efter Tjernobyl ökar cancerfallen med 1 extra dödsfall för varje miljon invånare och år. Det verkar också vara låg risk för långsiktiga genetiska skador. Det har alltså inte dykt upp några muterade monster efter det att organismer ha utsatts för strålning.

Anledningen till de låga dödstalen tros vara att många arter har ett naturligt skydd mot strålning. Strålningen ger upphov till att det bildas joner i kroppen som i sin tur sätter igång oönskade kemisk reaktioner i kroppen. Dessa joner kallas också för fria radikaler. Kroppens försvar mot fria radikaler är att skapa antioxidanter som fungerar som ett motmedel. När strålningen ökar kan kroppen skapa mer antioxidanter som neutraliserar hotet. Djur, t.ex. flyttfåglar, som har låga halter antioxidanter verkar inte klara låga stråldoser speciellt bra.

Fördjupning:

KÄRNENERGI

Albert Einstein påstod, i början av 1900-talet, att materia är en form av energi och ställde upp sambandet i världens kanske mest kända formel: E =m*c2(m= massa och c= ljusets hastighet). Om de starka krafter som håller ihop atomens smådelar skulle kunna frigöras skulle det ge ofantliga mängder av energi. Denna teori var vetenskapen inte redo att testa än men 1932 upptäcktes neutronen och lite senare hittade vetenskapsmän lämpliga ämnen att klyva, uran-235 och uran-238.

Den som löste gåtan var Lise Meitner som tolkade Otto Hahns resultat efter hans experiment. Hon lanserade hypotesen att kärnklyvning uppstår då uran utsätts för neutronbestrålning. Lise var judinna som flydde nazisterna och gjorde sina upptäckter i Sverige. Otto Hahn fick nobelpris men inte hon. Troligtvis för att hon var kvinna och judinna. Däremot har hon fått namnge ett grundämne (nr. 109).

När uran-235 bestrålas med neutroner kommer urankärnan att splittras till mindre atomkärnor.

När en neutron tillförs urankärnan får den för mycket energi och börjar vibrera. Vibrationerna leder till att kärnan splittras. Antalet protoner och neutroner är samma före som efter denna händelse. Adderas de ämnen som uppstått efter klyvningen så väger de mindre än ämnet som ursprungligen fanns.  Den försvunna massan har omvandlats till energi.

Vid kärnklyvningen så frigörs också ett antal fria neutroner som i sin tur klyver andra uranatomer. Det blir en kedjereaktion.

Om denna kedjereaktion får fortsätta så bildas till slut extremt mycket ljus, värme och joniserande strålning. En atombomb är en kedjereaktion som inte begränsas. Efter andra världskriget började man använda denna energiresurs i kontrollerade former i kärnkraftverk. Att utnyttja kärnenergi på detta sätt kallas fission.

Fusion kallas den motsatta processen då lätta atomkärnor sätts ihop till större. Det krävs extremt högt tryck och temperatur för att detta ska kunna ske. Fusion sker i solen samt till viss del i vätebomber.

Fördjupning:

Info om sidan Träna begrepp Skriv ut
Deltest 1 Deltest 2 Stortest