Atom- och kärnfysik

Atomens uppbyggnad • Atomen består av tre elementarpartiklar: Protoner (+) Elektroner (-) Neutroner (neutral) • Elektronerna rör sig runt kärnan i bestämda banor med så stor

hastighet att de bildar ett skal. • Protoner och neutroner finns i atomkärnan. • Atomens massa är nästan helt samlad i kärnan och en proton

och neutron väger ungefär lika mycket. • Elektronen väger ca 1800 gånger mindre än en proton. • Det mesta av en atom är tomrum. Liknelse – Om en atom vore

lika stor som globen skulle atomkärnan var stor som ett blåbär.

Några begrepp • Masstal - anger antal protoner och neutroner i atomkärnan. • Atomnummer - anger hur många protoner det är i

atomkärnan. • Isotop - Det kan finnas olika varianter av ett grundämne och

de kallas isotoper. Antalet protoner är desamma men antalet neutroner kan variera.

• Exempel på isotoper av väte. Den vanlig isotopen har ingen neutron, deuterium har en neutron och tritium har två neutroner i kärnan.

• Atommassa - är medelatommassan för blandningen av de

förekommande isotoperna av ett grundämne. Atommassa anges i atommassaenheten, u.

He4

2

H1

1 H2

1 H3

1

Elektronbanor

Elektroner cirkulerar runt atomkärnan i skal. Om man tillför energi till en atom kan en elektron hoppa mellan olika skal. Atomen blir instabil. När elektronen har möjlighet hoppar den tillbaka till sitt ursprungsskal. Då frigörs det energi i form av strålning. Ljusblixten kallas foton. Det blir olika ljus beroende på vilka skal elektronen hoppar emellan (se bild s. 207).

Elektromagnetiska vågor

• Ljus består av elektromagnetiska vågor. Olika våglängder ger olika ljus. Det är bara vissa våglängder vi kan se.

• Infraröd strålning är värmestrålning och har längre våglängd än synligt ljus och ultraviolett strålning har kortare våglängd (se bild s. 210).

• Infraröd strålning ger oss värme och ultraviolett strålning ger oss solbränna.

Röntgenstrålning

• Röntgenstrålning upptäcktes av Willhelm Röntgen 1895.

• En röntgenapparat är en sorts kamera som både sänder ut och fångar upp röntgenstrålning.

• På sin väg tränger strålningen igenom allt i kroppen. Olika delar av kroppen fångar dock upp strålningen olika mycket. Skelettet fångar upp mest strålning och blir därför ljus på röntgenbilden.

• Röntgen används till att undersöka benbrott och sprickor i balkar och svetsfogar.

Radioaktivitet • Av en slump upptäckte Henri Bequerel radioaktivitet år 1896.

• Strålning kan uppkomma när elektroner hoppar mellan skal men den kan också uppkomma i atomens kärna.

• Strålningen uppkommer hos isotoper av grundämnen där kärnan innehåller för mycket energi. Då blir den instabil och vill göra sig av med sin energi för att komma i balans. Strålning sänds då ut från kärnan, man säger att kärnan sönderfaller.

• Det finns tre olika typer av strålning:

Alfastrålning

Betastrålning

Gammastrålning

• De ämnen som sänder ut sådan strålning kallas radioaktiva.

Alfastrålning

• Alfastrålning består av positiva alfapartiklar, 𝐻𝑒2

4 , α

• När ett ämne sönderfaller skjuts då en alfapartikel ut och ett nytt ämne bildas.

• Ex. 𝑈 92238 -> 𝑇ℎ90

234 + 𝐻𝑒24

Betastrålning • Betastrålning, β består av negativt laddade

elektroner. • I kärnan finns inga elektroner men då omvandlas

en neutron i kärnan till en proton och elektron. • Då kan elektronen lämna kärnan och sänder då ut

betastrålning. • Vi får ett nytt ämne med ökat antal protoner i

kärnan. • Alfa- och Betasönderfallen fortgår så länge det

finns icke stabila kärnor kvar. Efter en serie sönderfall får man kvar en blyatom från den ursprungliga uranatomen.

Gammastrålning

• Vid en del sönderfall bildas det en annan typ av strålning och den kallas för gammastrålning, γ

• Denna strålning är inte partiklar utan en elektromagnetiskstrålning.

• Efter vissa alfa- och betasönderfall finns det så mycket energi kvar i kärnan. Den är så energirik att det bildas gammastrålning.

Hur långt når strålningen?

• Den strålning som uppkommer i samband med olika sönderfall har olika förmåga att tränga igenom olika ämnen.

• Alfastrålning – 5 cm i luft kan stoppas med ett papper. Alfastrålning har en kort räckvidd.

• Betastrålning – Kan stoppas av en 1 cm tjock plexiglasskiva. • Gammastrålarna är svåra att stoppa men det som stoppar

är bly.

Joniserande strålning

• Strålning kan slå bort elektroner från atomer inne i våra celler så att de förvandlas till joner.

• Då säger man att strålningen är joniserande.

• Jonerna i cellerna kan börja fungera annorlunda än de vanliga atomerna.

• Det blir allvarligt om det är i generna. Då kan det leda till cancer och andra sjukdomar.

• Joniserande strålning kan också användas för att medvetet skada celler, tex cancerceller.

Halveringstid • Alla radioaktiva ämnen är instabila. • Det betyder att de sönderfaller efter hand. • Det går inte att säga när ett visst ämne sönderfaller för

det sker slumpvis men man kan beräkna när hälften av alla atomer har sönderfallit.

• Detta kallas för halveringstid. Ex. Po – 210 138 dygn Pb 22 år U - 238 4,5 miljarder år • Varje radioaktivt ämne har sin egen halveringstid. Ju

längre halveringstiden är desto mindre aktivitet har ämnet dvs. strålningen från ämnet blir lägre.

• Aktiviteten mäts i becquerel (Bq). • 1 Bq motsvarar 1 sönderfall per sekund.

Kol-14 metoden • Grundämnet kol har en isotop som heter kol-14. • Det är ett radioaktivt ämne. Så länge en organism är

levande tar den hela tiden upp kol från luften och då är halten av kol-14 konstant.

• Dör organismen börjar halten kol-14 att minska i takt med att dessa atomer sönderfaller.

• Halveringstiden för kol-14 är 5600år. • Om man vill datera gamla föremål av organiska ämnen

använder man sig av kol-14 metoden. • Ska man t.ex. datera ett träföremål undersöker man först

aktiviteten hos färskt trä och jämför med aktiviteten i det gamla föremålet. Då får man reda på hur mycket kol-14 det är kvar i det gamla föremålet. Om 80% av kol-14 finns kvar så är det gamla föremålet ca 2000år.