28.08.2013 Views

Atomfysik ht 2012

Atomfysik ht 2012

Atomfysik ht 2012

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!