Atomfysik ht 2012
Atomfysik ht 2012
Atomfysik ht 2012
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Atomfysik</strong> <strong>ht</strong> <strong>2012</strong>
Atomens historia<br />
Atom = grekiskans a´tomos som betyder<br />
odelbar<br />
Filosofen Demokritos, atomer.<br />
Stort motstånd, främst från Aristoteles<br />
Trodde på läran om de fyra elementen<br />
Alla ämnen bildas utav en blandning av luft,<br />
eld, vatten och jord
Atomens historia<br />
Slutet av 1800-talet trodde man att man hade<br />
en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.<br />
Detta var innan röntgenstrålningen,<br />
radioaktiviteten, elektronen och Einsteins<br />
relativitetsteori var upptäckta
Thomsons atommodell (1897)<br />
Upptäckte elektronen och att dessa gick att<br />
frigöra från atomen, den var alltså inte<br />
odelbar.<br />
Hans modell bestod av att elektronerna var<br />
inbäddade i en positivt laddad sfär.
Rutherfords atommodell (1911)<br />
Upptäckte protonen (atomkärnan).
Bohrs atommodell (1913)<br />
Elektronerna finns som ett moln kring kärnan.<br />
De olika skalen (banorna) är lägen där<br />
chansen är störst att det finns elektroner.<br />
Elektroner som befinner sig i olika skal har<br />
olika energier.<br />
Bohrs modell kan liknas med vårt<br />
planetsystem där planeterna (elektronerna)<br />
kretsar kring solen (protonerna) i olika banor.
Kvantmekaniska<br />
atommodellen (ca 1925):<br />
Elektronerna finns runt kärnan men rör sig<br />
inte runt den i banor utan med vågrörelser<br />
mot eller ifrån kärnan.<br />
de Broglie, Louis
Atomens uppbyggnad<br />
En atom består av 2<br />
delar<br />
Kärnan: atomkärnan<br />
består av positivt<br />
laddade protoner och<br />
neutrala (ingen<br />
laddning) neutroner.<br />
Runt kärnan kretsar<br />
negativt laddade<br />
elektroner.
Atomens uppbyggnad<br />
Protoner, neutroner och<br />
elektroner =<br />
Elementarpartiklar<br />
Protoner och Neutroner<br />
= Nukleoner<br />
En atom består av lika<br />
många protoner (+) som<br />
elektroner (-). Därför blir<br />
alla atomen neutrala.
Atomens uppbyggnad<br />
Protonerna och neutronerna har ungefär lika<br />
stora massor. Dessa har ungefär 2000<br />
gånger så stor massa som elektronen. Därför<br />
återfinns större delen av en atoms massa i<br />
kärnan.
Atomens uppbyggnad<br />
Elektronerna finns i olika skal kring kärnan,<br />
dessa betecknas K, L, M, N …<br />
I det innersta K-skalet får det plats 2<br />
elektroner, i nästa (L-skalet) får det plats 8<br />
elektroner o.s.v.
Grundämne<br />
Ett grundämne består av ett slags atomer ex.<br />
guld (Au), Järn (Fe), Syre (O). Det finns idag<br />
ett hundratal kända grundämnen.
Sammansatt ämnen<br />
Ett sammansatt ämne består av molekyler,<br />
vilket innebär att flera atomer, av ett eller<br />
flera olika sorter, sitter ihop med bindningar.<br />
Ex. är Syrgas (O 2 ), vatten, (H 2 O), m.m.
Atomnummer och masstal<br />
Atomnumret anger hur<br />
många protoner det finns<br />
i kärnan. Väte har 1<br />
proton i kärnan, järn har<br />
26 stycken medan guld<br />
har 79 stycken.<br />
Masstalen anger hur<br />
många<br />
protoner + neutroner det<br />
finns i kärnan.<br />
16<br />
O 8
Isotop<br />
Isotoper är atomer av ett grundämne<br />
som har olika antal neutroner, men<br />
samma antal protoner.<br />
Atomkärnan i väte består endast av en<br />
enda proton<br />
En atom med en neutron och en<br />
proton kallas tungt väte (deuterium).<br />
Är det två neutroner och en proton i<br />
kärnan kallas det tritium.<br />
Dessa är alltså isotoper av väte.
Diskutera<br />
Vilka påståenden är sanna?<br />
14<br />
- Idag vet vi exakt hur en atom ser ut.<br />
- Atomkärnan består av lika många<br />
neutroner som protoner.<br />
- 6 C innebär att atomkärnan består av 6<br />
protoner och 8 neutroner.<br />
- I L-skalet får det plats 8 elektroner.
Diskutera<br />
Vad är det som bestämmer vad det är för ett<br />
grundämne: protonerna, neutronerna eller<br />
elektronerna?<br />
Vad innebär sammansatt ämne?<br />
Vad är det för skillnad på två olika isotoper av en<br />
atom?<br />
Vad består en atom av mest?
Vad är ljus?<br />
Partikel eller vågor?<br />
Ljus är en vågrörelse (transversella vågor)<br />
Ljusets hastighet är 300 000 km/s.<br />
Det som sänds ut är fotoner (energipaket).<br />
Det ljus (spektrum) som vi kan se kallar vi för<br />
elektromagnetisk strålning.
Foton<br />
Mycket mindre än en atom.<br />
Forskarna tror att den är utan massa<br />
Att den kan färdas i ljusets hastighet.<br />
Kvant partikel. Både partikel och en våg.
Hur uppstår ljusets färger? (del 1)<br />
Tillför man energi till<br />
en atom kan<br />
elektronerna lämna<br />
sitt skal för att hoppa<br />
till ett skal längre ut<br />
(exitererat tillstånd).<br />
När elektronen sen<br />
hoppar tillbaks<br />
sänds strålning ut,<br />
ibland som synligt<br />
ljus.<br />
-<br />
+<br />
K<br />
L<br />
M<br />
-<br />
-<br />
+
Hur uppstår ljusets färger? (del 2)<br />
Ju mer energi som matas in i elektronen ju<br />
längre bort från kärnan kommer den och ju<br />
mer energi får den.<br />
Energi fattigt<br />
Korta hopp<br />
Energi rikt<br />
Långa hopp
Förklara för grannen!<br />
Använd orden: Energi, exitererat tillstånd, energi nivå,<br />
foton, strålning, synligt spektra
Diskutera<br />
Vad är ljus?<br />
Bildas alla färger när det är lite ljus? Vi ser ju<br />
bara svart/vitt i mörker.<br />
Kan man se på en låga var det är varmast?
Elektromagnetiskt spektra
Strålning<br />
Vilken sorts strålning atomen sänder ut beror<br />
på hur stort hopp elektronen gjort. Olika<br />
färger motsvarar olika långa hopp.<br />
Röntgenstrålning skapas när en elektron<br />
hoppar från ett yttre skal till ett av de innersta,<br />
alltså ett långt hopp, vilket innebär att<br />
röntgenstrålning är väldigt energirik.
Röntgen<br />
Wilhelm Röntgen<br />
Elektron som gör långa hopp<br />
mellan skalen<br />
Atomen avger då röntgenstrålar<br />
Energirik och tränger lätt in i<br />
kroppens vävnader<br />
Skelettet fångar upp<br />
strålningen bäst<br />
Tandläkare, läkare
Radioaktiva ämnen<br />
• Upptäcktes av en slump<br />
1896<br />
• Henri Becquerel<br />
• Marie och Pierre Curie<br />
• Radium och Polonium<br />
• Nobelpriset i fysik 1903<br />
• med Becquerel
Radioaktivitet<br />
Ett radioaktivt ämne har en instabil kärna som<br />
genom att släppa ut energi blir stabilare. Radioaktiv<br />
strålning sänds alltså ut från atomkärnan.<br />
Många ämnen har isotoper med instabila kärnor,<br />
dessa är radioaktiva, t.ex. kol-14<br />
Många av de naturligt radioaktiva ämnena har stora<br />
kärnor (många protoner och neutroner) t.ex. uran,<br />
radon, radium.<br />
När kärnan sönderfaller sänds radioaktiv strålning<br />
ut, denna kan vara av tre slag:
Sönderfall<br />
Sönderfall är när ett nytt ämne bildas<br />
eftersom antalet protoner och neutroner<br />
ändras.<br />
Kärnan avger radioaktiv strålning när<br />
sönderfall sker.
Alfastrålning (α)<br />
• Alfastrålning består av positivt laddade partiklar. En<br />
alfapartikel består av två protoner och två neutroner.<br />
Det är alltså samma sak som en atomkärna av helium.<br />
• Om en atomkärna sänder ut en alfapartikel sänder den<br />
alltså ut protoner, på grund av det bildas ett nytt<br />
grundämne med två färre protoner i kärnan.
Betastrålning (β)<br />
Betastrålning är negativt laddade elektroner.<br />
Elektronerna sänds ut från kärnan där det inte finns<br />
några elektroner. Dessa bildas när en neutron<br />
sönderfaller i en proton och en elektron.<br />
• Betastrålning innebär då att atomkärnan förlorar en<br />
neutron och får en proton, vilket leder till att atomen nu<br />
är ett annat grundämne.
Gammastrålning (γ)<br />
• Gammastrålning består inte av partiklar. Det<br />
är istället elektromagnetisk strålning.<br />
• Gammastrålning är samma sorts strålning<br />
som ljus och röntgenstrålning. Den är dock<br />
energirikare och har därför kortare våglängd.
Strålningens genomtränglighet<br />
Alfastrålningen har kort räckvidd och stoppas lätt av<br />
ett papper eller av kläder.<br />
Betastrålningen har längre räckvidd (några meter i<br />
luft) och stoppas av några mm tjock aluminium- eller<br />
träskiva.<br />
Gammastrålningen tränger igenom det mesta, den<br />
kräver ett tjockt lager bly för att stoppas.
Sönderfallsserie
Att mäta radioaktivitet<br />
Mängden strålning ett radioaktivt ämne<br />
sänder ut kallas aktivitet. Aktiviteten mäts i<br />
becquerel (Bq) och innebär antal sönderfall<br />
per sekund. 1Bq innebär alltså ett sönderfall<br />
på en sekund.<br />
Radioaktiv strålning kallas också joniserande<br />
strålning. Detta eftersom strålningen har<br />
energi nog att slå bort elektroner från atomer<br />
och på så sätt bilda joner.
Att mäta radioaktivitet<br />
Geiger-Müller räknare (GM-rör) är<br />
ett sätt att mäta aktiviteten hos ett<br />
radioaktivt ämne.<br />
Dosimeter är en liten dosa som<br />
registrerar radioaktivitet. Alla som<br />
arbetar med radioaktiva material<br />
ska bära en dosimeter så att man<br />
kan kontrollera att de inte blir<br />
utsatta för farliga mängder<br />
strålning.
Att mäta radioaktivitet<br />
I en dimkammare utnyttjar man att den<br />
radioaktiva strålningen är joniserande.<br />
Den radioaktiva strålningen går genom<br />
vattenånga eller ånga av alkohol och<br />
skapar där joner som binder<br />
vattenångan och detta kan man se som<br />
dimspår.<br />
En bubbelkammare är ett annat<br />
exempel där man utnyttjar att det bildas<br />
joner där den radioaktiva strålningen<br />
har varit. I en bubbelkammare bildas<br />
små vätgasbubblor kring jonerna och<br />
på så sätt kan man se vart den<br />
radioaktiva strålningen har varit.
Halveringstid<br />
• Atomkärnor faller inte<br />
sönder samtidigt i ett<br />
radioaktivt ämne<br />
• Halveringstid = ett mått på<br />
hur fort sönderfallet går<br />
• Tid för hälften av alla<br />
atomkärnor att sönderfalla<br />
• När Radium omvandlas till<br />
Radon är halveringstiden<br />
1620 år<br />
• Kan variera kraftigt, från en<br />
sekund till flera miljoner år.
Halveringstiden på Cesium<br />
efter Tjernobyl olyckan 1980
Åldersbestämning<br />
Kol 14 metoden.<br />
Man jämför sönderfallet av isotopen kol-14,<br />
genom att se hur många procent av den<br />
radioaktiva isotopen som finns kvar.<br />
Halveringstiden för kol-14 är ca 5500 år.
Kärnenergi
Tillverkning av grundämnen<br />
Grundämnen kan omvandlas till ett annat<br />
grundämne<br />
Radioaktivt sönderfall<br />
Konstgjord väg<br />
Ernest Rutherford 1919<br />
Sköt alfapartiklar (heliumkärnor) mot kväve<br />
Alfakärnan tränger in i kvävekärnan ny instabil<br />
kärna av syre
Atomklyvning (Fission)<br />
Första atomklyvningen gjordes 1939<br />
Fission<br />
Sköt neutroner på atomkärnor<br />
Kedjereaktion
Kärnenergi<br />
+ Energi
Atombomben<br />
Nyfunnen kunskap spelade<br />
stor roll i andra världskriget<br />
Atombomben<br />
Miljarders miljarder<br />
atomkärnor frigörs<br />
Okontrollerad kedjereaktion<br />
Mängder av energi frigörs<br />
Explosion
Atombomben<br />
Hiroshima 6 augusti, 1945<br />
Nagasaki 9 augusti, 1945
Ny energikälla<br />
Inte bara negativa effekter<br />
Ny energikälla kärnenergi<br />
Använda energin som frigörs till att värma upp<br />
vattnet i reaktorn.
Fusion<br />
Kärnenergi skapas inte bara på jorden<br />
Enorma mängder energi frigörs i alla<br />
universums stjärnor<br />
Fusion lättare atomkärnor slås ihop
Einstein<br />
Materia kan omvandlas till energi<br />
Lite mängd materia = stor mängd energi<br />
Formel: E = m • c 2<br />
W = energi och mäts i joule<br />
m = massan i kilogram<br />
c = ljusets hastighet m/s