Transcript Kärnfysik - WordPress.com

Kärnfysik
Patricia Larsson Fribergaskolan
Kärnfysik
•
•
•
•
•
Radioaktivitet.
Stark växelverkan.
Modeller för atomkärnan.
Fusion.
Fisson.
• Man kan stöta på begreppet kärnkemi som
betyder ungefär samma sak.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Tillämpningar
•
•
•
•
•
Kärnkraft.
Kärnvapen.
NMR (Materialanalys).
Åldersbestämning.
Olika medicinska diagnostiker och terapier
(väldigt många).
Patricia Larsson Fribergaskolan
Atomens kärna
• Nukleoner
• Antalet protoner kallas atomnummer
• Kärnkraften mellan protonerna &
neutronerna
• Gravitationskraft
Patricia Larsson Fribergaskolan
Radioaktivitet
• Instabila atomkärnor kan sönderfalla i stabila
under utsändande av strålning.
• År 1896 Henri Becquerel
• Först trodde man att denna nya typ
av strålning liknade röntgenstrålning.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Radioaktivitet
• Upptäckter
• Henry Becquerel, 1896
• Upptäckte att Uranmalm sänder ut osynlig
strålning
• Makarna Curie upptäcker senare ett ämne
som strålar miljoner gånger starkare…
• …Radium
• Gemensamt var att både Uran och Radium
• Sände ut JONISERANDE STRÅLNING
Patricia Larsson Fribergaskolan
Atomnummer och masstal
AZ N
A = Masstal
Z = Antal protoner. Kallas också kärnladdningstalet.
N = Antalet neutroner.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Nuklid
• Benämningen nuklid används för en viss
sammansättning protoner och neutroner.
Exempelvis:
238
92
U
• Allmänt:
A
Z
X
Patricia Larsson Fribergaskolan
Nuklidkarta
Patricia Larsson Fribergaskolan
Isotop
• Isotoper är nuklider som har samma
atomnummer.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Radioaktivt sönderfall
• Det finns ett fåtal stabila nuklider utan de
flesta är instabila.
• En instabil nuklid sönderfaller i ett eller
flera steg men blir till slut stabil.
• Sönderfallet sker där det är möjligt rent
energimässigt.
• Masstalet bevaras.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Regler för radioaktivt sönderfall
• Sönderfallet är en statistisk process.
• Sker oberoende av nuklidens ålder.
• Yttre faktorer påverkar inte sönderfallet.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Typer av radioaktivt sönderfall
• Alfastrålning som består av positivt
laddade alfapartiklar soim är heliumkärnor.
• Beta-minus-strålning, vilket består av
elektroner.
• Beta-plus-strålning, som består av
positroner.
• Gammastrålning, som är fotoner med
mycket hög energi. Observera att
protontalet och nukleontalet inte ändras.
Patricia Larsson Fribergaskolan
α-sönderfall
Exempelvis:
226
88
Ra Rn He  
222
86
4
2
Patricia Larsson Fribergaskolan
β-sönderfall
Exempelvis:
214
82
Pb  e  
214
83
0
1
Patricia Larsson Fribergaskolan
γ-sönderfall
Exempelvis:
222
86
Rn  Rn  
*
222
86
* betyder att kärnan är exciterad.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Halveringstid
• Varje radioaktiv nuklid har en halveringstid.
• Det är inte ett så absolut mått som man kan tro utan
snarare en slags sannolikhet.
• Förloppet beskrivs med en differentialekvation:
dN
 N  0
dt
• Som har lösningen:
N  N 0  e  t
T
ln 2

Patricia Larsson Fribergaskolan
Aktivitet
• Intensiteten hos strålningen från ett
radioaktivt preparat beror av vilken nuklid
som sönderfaller samt mängden preparat.
• För att ange styrkan på preparatet
används begreppet aktivitet.
• 1 Bq = 1 sönderfall per sekund.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Radioaktiva material
• Radioaktiva material förekommer tämligen rikligt
i naturen.
• Det gäller i första hand Uran och dess
sönderfallsprodukter Thorium, Radium och
Radon.
• Pechblände och Uraninit är vanliga mineraler
vilka förekommer särskilt rikligt i ett bergart som
heter Pegmatit vilket finns hos oss.
• Alla människor har K-40, C-14 och Pb-210 i sina
kroppar.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Jonisation
• Strålning från ett radioaktivt preparat
åstadkommer jonisation när den passerar
luften.
• Alfastrålning har högst jonisationseffekt
men även de andra tre typerna joniserar.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Biologiska verkningar
• Det är jonisering som ger skador på
människokroppen.
• Små stråldoser har praktiskt taget ingen negativ
effekt alls på människokroppen. Kroppen har
dessutom försvarsmekanismer.
• Miljoner celler dör varje dag vilket alltså är en
naturlig process.
• Celler kan läka sig själva på ett felaktigt sätt
vilket dock faktiskt ger en biologisk skada.
Diverse olika cancerformer är det vanligaste.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Fusion av lätta kärnor
Källa: Wikipedia.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Fission av tunga kärnor
Källa: Wikipedia.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Kokarreaktor
Patricia Larsson Fribergaskolan
Tryckvattenreaktor
Patricia Larsson Fribergaskolan
Starka kärnkraften
• Protoner och neutroner är så kallade hadroner.
Hadroner betyder starka partiklar. Hadroner
byggas upp av kvarkar.
• Elektronen är däremot en lepton som betyder
svar partikel. Den byggs inte upp av andra
partiklar såsom kvarkar.
• Det som håller samman hadroner är den starka
kärnkraften vilken är en av de fyra
naturkrafterna. Vi skall återkomma till dessa i
samband med partikelfysiken.
• Numera förklaras alltså strålning oftast med
modeller från partikelfysiken.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Massenergi
• För oss är det självklart att massa har energi.
Det var det inte i början på 1900-talet när Alfred
Einstein kom till denna slutsats.
• Massenergin är alltså:
E0  m  c
2
Patricia Larsson Fribergaskolan
Konservationslagar
•
•
Fysiken innehåller ett fåtal konservationslagar såsom att laddningen,
och energin alltid bevaras.
När det gäller kärnreaktioner har vi tre konservationslagar:
1. Laddningen bevaras.
2. Antalet nukleoner bevaras.
3. Totalenergin bevaras:
E  E0  Ek  E
E0 = massenergin
Ek = partiklarna rörelseenergi
Eγ = strålningsenergin för
gammakvanta
Patricia Larsson Fribergaskolan
Patricia Larsson Fribergaskolan
1. I ett mätinstrument som mäter antal sönderfall under
en viss tid, registrerade man 4000 sönderfall från en
gammal trämugg. Under lika lång tid fick man 5000
sönderfall från samma mängd färskt trä.
• a) Vad kallas den metod man använt sig av för
att bestämma åldern på den gamla trämuggen?
• b) Hur många procent av den ursprungliga
strålningen finns kvar i föremålet?
• c) Arkeologen som hittade muggen hävdar att det
kan vara den gamle filosofen Demokritos gamla
mugg. Kan detta stämma? Hur gammal är
trämuggen? (avläs detta i diagrammet på sid 55)
Patricia Larsson Fribergaskolan
2. Från en gammal träskål(A) uppmätte man antalet
sönderfall till 3000. Från samma mängd av en annan
gammal träskål(B) uppmätte man under lika lång tid
antalet sönderfall till 1500.
• a) Vilket föremål var äldst?
• b) Ungefär hur stor var åldersskillnaden?
Motivera ditt svar.
• c) I samma mängd färskt trä uppmättes
7500 sönderfall. Hur gammal var den äldsta
Patricia Larsson Fribergaskolan
skålen ?
Patricia Larsson Fribergaskolan
•
•
•
•
•
•
*Vid 4 års ålder läste M (då Mania Sklodowska) flytande! Polen, etta i
avgångsklassen, arbeta som privatlärare.
*Sorbonne/Paris ty där fick kvinnor studera. Årskursetta i fy (2:a i
ma). Hyr in sig i P:s lab - Han var redan känd pga av upptäckt curietemp (=när metaller förlorar magn). Giftermål
(+hushållsarbete+barn).
*Fördjupade kunskapen om uran. Kallade fenomenet
Radioaktivitet.Upptäcker att thorium är radioaktivt. Fann 2 okända
ämnen polonium (efter Polen) & radium (=det strålande). 4 år senare
hade de lyckats få fram Ra i ren form (ett ton pechblände ger några
gram) - självlysande pga den höga strålningen. ->1903 Dr i Fy,
Nobelpris i Fy (& Ke 1911).
*P dör 1905 trafikolycka. M professor vid Sorbonne.
*1914-1918 WW1, M + dotter Iréne x-ray till fronten. Lånar ut sina
prispengar till staten utan att få tillbaks dem.
*1934 dör i leukemi, orsakad av radioaktiviteten.
Patricia Larsson Fribergaskolan
Kärnenergi
• Vi har sett att ett grundämne kan
omvandlas till ett annat genom radioaktivt
sönderfall.
• Man kan också göra nya ämnen på
konstgjord väg
Skriv reaktionsformeln i era skrivhäften:
Patricia Larsson Fribergaskolan
Atomklyvning
• Genom att skjuta neutroner på en
atomkärna kan man få den att klyvas.
(Energin som tillförs med neutronerna vill atomen inte
ha, därför kan atomen dela upp sig i 2 mindre, samtidigt
som energi frigörs! Nya neutroner frigörs…)
• Kedjeeffekt:
Neutroner som kommer från en tidigare
reaktion gör att nya atomer klyvs (delas
på)
Patricia Larsson Fribergaskolan
Atombomber
• Miljarder miljarder atomkärnor klyvs under
en otroligt kort tid. Kedjereaktionen är
okontrollerad och frigör mängder med
energi!
• Atombomberna över Hiroshima och
Nagasaki var laddade med uran
respektive plutonium.
Patricia Larsson Fribergaskolan
• Atom och atomklyvning del 1
• http://www.youtube.com/watch?v=T6UujimddEc
&feature=related
• Atom och atomklyvning del 2
• http://www.youtube.com/watch?v=ekx6gz_s5VM
&NR=1
• Nagasaki
• http://www.youtube.com/watch?v=ncq_Wye43T
M
• Hiroshima
• http://www.youtube.com/watch?v=x9lwvImJqT0
Patricia Larsson Fribergaskolan
• http://www.edu.fi/svenska/laromedel/norge
/karnkraft/
Patricia Larsson Fribergaskolan
Röntgenstrålar
• Kortare våglängd än UV-ljus
• Tränger igenom mjukdelar i kroppen, men
inte genom ben
•
Röntgenbilder, där ben framstår
som ljusare partier…
Patricia Larsson Fribergaskolan
• Röntgenstrålning används också till
behandling av tumörer och analys av
sjukdomar
Patricia Larsson Fribergaskolan