Transcript 5 Atom och kärnfysik

G
Atomer skapar ljus – elektromagnetisk strålning
1. Om en atom tillförs energi (i form av värme, eller
elektricitet) kan en elektron hoppa ut till ett yttre skal.
2. Sedan kommer elektronen att hoppa tillbaka till det
ursprungliga skalet.
3. Den energi som släpps fri när elektronen hoppar tillbaka
sänds ut från atomen i form av elektromagnetisk strålning.
4. Strålningen kan t.ex. vara gulrött ljus från en glödande
järnbit.
G
Långa hopp mellan elektronskal avger mer energi än
korta hopp. Energirikt blått ljus avges när elektroner gör
långa hopp. Energin vid långa hopp kan även avges i
form av röntgenstrålar.
Att elektronerna hoppar ut och tillbaka kallas excitering.
Beroende på vilken atom det är, hur mycket energi som
tillförts samt hur elektronen hoppar tillbaka sänder
atomerna ut elektromagnetisk strålning med olika
våglängder. Synligt ljus har våglängder mellan 400 och
700 nanometer.
Våglängd = avståndet mellan två vågtoppar.
G
Olika typer av elektromagnetisk strålning
Gammastrålning
Röntgenstrålning
UV-strålning
Synligt ljus
Infraröd strålning(värme)
Mikrovågor
Radiovågor
F
Ju högre upp i figuren:
• Desto längre hoppar
elektronen.
• Desto mer energi avges.
• Desto kortare är
våglängden.
• Desto farligare är
strålningen.
Är våglängden liten kan
strålningen ”slinka” emellan
atomerna dvs. gå igenom
material. Består materialet av
stora atomer är det svårare
för strålningen att ta sig
igenom.
G
Radioaktiva strålar
• Det behövs lagom många
neutroner för att protonerna
i en atomkärna ska hålla ihop.
• Det finns kärnor där protonerna
inte kan hålla ihop hela tiden.
Dessa atomkärnor sönderfaller.
• När en kärna sönderfaller skickar den iväg en strålning.
• Ämnen som sönderfaller kallas för radioaktiva ämnen.
• Det finns tre olika sorters strålning: alfastrålning,
betastrålning och gammastrålning.
G
Partikelstrålning = Alfa- och Betastrålning
• Många grundämnen har isotoper med för
mycket energi i kärnan.
• Då avger ämnet energi.
• Det sänds ut strålning.
• Detta håller på tills alla kärnor är stabila.
G
Alfastrålning = α-strålning
Kärnan skjuter ut en
alfapartikel = heliumkärna,
4/2 He
Detta kallas att kärnan
sönderfaller.
Då bildas ett nytt ämne som
innehåller 2 protoner mindre
och 2 neutroner mindre än
vad det var från början.
F
Formler med alfastrålning
212/84 Po  208/82 Pb + 4/2 He
238/92 U  234/90 Th + 4/2 He
212 är masstalet, 84 är atomnumret, Polonium är
grundämnet.
Masstalet minskar med 4.
Atomnumret minskar med 2.
G
Betastrålning = β-strålning
Kärnan skjuter ut en betapartikel, en elektron.
Betapartikeln uppkommer när en neutron
omvandlas till en proton och en elektron.
En neutron som är neutral omvandlas till en
plusladdad proton och en minusladdad elektron.
Kärnan sönderfaller då och ett nytt ämne bildas
som har en neutron mindre än ursprungsämnet
men ämnet får en proton mer.
F
Formler med betastrålning
14/6 C  14/7 N + 0/-1 e
210/83 Bi  210/84 Po + 0/-1 e
En elektron skrivs 0/-1 e.
Atomnumret ökar med 1.
Masstalet blir samma. (en neutron mindre men
en proton mer)
G
Halveringstid
Alla kärnor sönderfaller inte samtidigt. Så lång tid
det tar för hälften av kärnorna att sönderfalla kallas
halveringstid. Efter en halveringstid är det bara
hälften av antalet kärnor kvar.
1
2
3
4
100%
50%
25%
12,5%
6,25%
Halveringstiden är olika för olika ämnen. Den kan
variera från 1 sekund till 1000 000 000 år.
Ex: Ra-222 3,8 dygn, C-14 5600 år, K-40 1,3 milj. år
F
Räkneexempel på halveringstid
• Ett radioaktivt ämne har halveringstiden 25 år.
Om du har 1 kg av ämnet, hur länge dröjer det
tills du bara har 125 g av ämnet kvar?
1 kg = 1000 g
1 halveringstid: 1000/2 = 500 g
2 halveringstider: 500/2 = 250 g
3 halveringstider: 250/2 = 125 g
3 halveringstider = 3x25 = 75 år
Svar: Det tar 75 år.
F
Räkneexempel på halveringstid
• Du har 1 kg av ett ämne. Halveringstiden är 25
år. Hur mycket är det kvar efter 100 år?
1000g/2=500g
25 år
500g/2=250g
50 år
250g/2=125g
75 år
125g/2=62,5g
100 år
Svar: Efter 100 år är det 62,5 g kvar.
G
Vad stoppar alfa- och betastrålning?
Alfapartikeln är störst och därför är den lättast att stoppa. Man kan
stoppa alfapartiklar med ett papper. Den har en kort räckvidd på
några få cm.
Betapartikeln är svårare att stoppa för en elektron är mycket
mindre. Den stoppas av tjocka kläder, fönsterglas. Räckvidden är
flera meter i luften.
G
Vad stoppar gammastrålning?
Svårast att stoppa är gammastrålning, som är en elektromagnetisk
strålning. Elektromagnetisk strålning tar sig lättare igenom på
grund av att det är en vågrörelse och inte en partikel. Den stoppas
av 10 cm bly, decimetertjock betong eller flera meter vatten.
G
Vilken nytta kan man ha?
i sjukvården
• Röntgen: avbild hur det ser ut i kroppen (skelett,
tänder, mammografi).
• Strålningsbehandling av cancertumörer.
• UVA- och UVB-strålning mot psoriasis.
• Undersökningar och behandlingar med radioaktiva
ämnen, t.ex. isotopundersökning.
- Ultraljud är inte strålning utan ljudvågor med hög frekvens.
- Magnetröntgen är inte strålning utan då tas bilder med hjälp av
starka magnetfält och radiovågor.
G
Vilken nytta kan man ha?
i industrin
•
•
•
•
•
•
Undersöka hur något ämne transporteras/sprids.
Kontrollera nivån i tankar.
Kontrollera tjockleken vid t.ex. papperstillverkning.
Mäta konsistensen hos ett ämne.
Kontrollera metallkonstruktioner.
Kontrollera svetsningar.
F
Användning av strålning
• Apparaterna som används i övervakning av industriprocesser
utgörs av en strålkälla som innehåller radioaktivt ämne och en
sensor som mäter strålning. Om ämnets tjocklek eller täthet
ändras så ändras mängden strålning. Då känner sensorn det.
Den minskande eller den ökande strålningen kan användas för
att styra processen.
• Industriradiografi är en testmetod med vilken man kan
granska bl.a. om det är sprickor i metallkonstruktioner och
svetsskarvar. Principen är den samma som i medicinska
fotograferingar: strålning tränger igenom biten som undersöks
och lyser upp röntgenfilmen som placerats bakom den. I den
framkallade filmen syns eventuella sprickor i materialet som
mörka fläckar.
F
Strålning kan vara farlig
1. Joniserande strålning
2. Icke-joniserande strålning
Joniserande strålning är så energirik att den kan slå
loss elektroner från de atomer som bestrålas.
Då bildas det positiva joner.
Icke-joniserande strålning är strålning som inte kan
slå sönder atomer eller molekyler.
Inga joner bildas.
F
Joniserande strålning
Joniserande strålning är så energirik att den kan slå loss
elektroner från de atomer som bestrålas.
Då bildas det positiva joner hos det som bestrålas.
Joniserande strålning delas in i två olika typer:
Partikelstrålning eller Elektromagnetisk strålning
Exempel på joniserande strålning:
Alfastrålning (partikelstrålning - i form av heliumkärnor)
Betastrålning (partikelstrålning - i form av elektroner)
Gammastrålning (elektromagnetisk strålning)
Röntgenstrålning (elektromagnetisk strålning)
F
Icke-joniserande strålning
Icke-joniserande strålning är strålning som inte kan slå
sönder atomer eller molekyler. Därför bildas inga joner.
Icke-joniserande strålning kan ändå orsaka skador och
förändringar hos det som bestrålas.
Icke-joniserande strålning finns bara som elektromagnetisk
strålning.
Exempel på icke-joniserande strålning:
UV-strålning, mobilstrålning, mikrovågor, infraröd strålning,
synligt ljus, radiovågor
http://ki.se/imm/icke-joniserande-stralning
G
Strålningsskador
Akuta strålskador:
• Akuta strålskador = skador på vävnader och organ som leder
till att vävnaden eller organets funktion försämras eller
upphör.
• Symptom på akuta strålskador kan vara illamående,
hudrodnader, ögonskador, nedsatt immunförsvar och sterilitet
– och kan i värsta fall leda till att en person avlider.
• Arten och graden av en akut strålskada beror på många
faktorer, bland annat dosens storlek, hur lång tid personen
har exponerats för strålningen samt vilka delar av kroppen
som blivit exponerade.
Sena strålskador:
• Upphov till cancer och ärftliga skador. Sannolikheten för sena
skador ökar med ökande stråldos. Risken för cancer är större
än risken för ärftliga skador.
F
Strålningsskador
Alfastrålning: Den kan inte tränga igenom huden
men kan skada oss om det alfastrålande ämnet
kommer in i kroppen genom inandningsluft eller
dricksvatten. Den största risken att få in
alfastrålning i kroppen kommer från ämnet Radon.
Betastrålning: Betastrålning utgör en risk för
människan om partiklarna kommer in i kroppen på
samma sätt som alfapartiklar dessutom kan
betastrålningen ge skador på ytliga organ som ögats
lins.
G
Radon ökar risken för cancer
• Grundämnet Radium finns naturligt i marken.
• Radium sönderfaller till Radon som är en gas som lätt
tar sig in i våra hus.
• När Radon i sin tur sönderfaller bildas andra ämnen
som kallas radondöttrar. Det är partiklar som lätt
fastnar på dammkorn och följer med luften vi andas
in - ner i lungorna.
• Sedan avger radondöttrarna radioaktiv strålning i
lungorna.
• Detta ökar risken för lungcancer.
F
Radon
• När vi andas in radonhaltig luft fastnar radondöttrarna i våra
luftvägar. Där kan alfa-strålningen som avges från
radondöttrarna orsaka skada.
• Man kan få lungcancer. Ju längre tid man tillbringar i
radonhus och ju högre halter man utsätter sig för desto större
är risken. Ca 500 människor får lungcancer av radon varje år.
De flesta är rökare.
• Radon luktar inte, syns inte och smakar ingenting; det enda
sättet att upptäcka radon är att mäta.
• Radon i inomhusluft kan också komma från byggnadsmaterial
eller hushållsvatten.
• Radonhalten bör inte överstiga 200 Bq/m3 i bostäder och
allmänna lokaler.
G
Fission = Kärnklyvning
En neutron skjuts mot
en atomkärna. Kärnan
klyvs i två delar. Då
frigörs energi. Samtidigt
lossnar två till tre nya
neutroner som i sin tur
kan klyva nya kärnor, osv.
Det har bildats en kedjereaktion.
Detta används i kärnkraftverk och atombomber.
G
Fusion = Atomsammanslagning
Lättare atomkärnor slås samman till tyngre atomer
samtidigt bildas energi.
Det behövs en temperatur på ungefär 20 miljoner
grader Celsius för att detta ska kunna ske. Detta
händer i vår sol och energin skickas ut som strålar.
H + H  He + Energi
G
Kärnkraftverk: Hur det fungerar
1. I reaktorn finns en
reaktorhärd som innehåller bränslet urandioxid. Urandioxiden
klyvs av neutroner
genom fission. Då
frigörs det energi.
2. I reaktorhärden finns också styrstavar som kan
fånga in neutronerna. På så sätt kan man styra
hur mycket energi som bildas i fissionen. Man
begränsar antalet klyvningar och
kedjereaktionen blir kontrollerad.
3. Energin som bildas gör så att vattnet i reaktorn
börjar koka och övergår i gasform, ånga.
4. Ångan strömmar ut genom ett rör i
reaktortankens topp.
5. Ångan fortsätter in i en turbin som börjar snurra
då ångan träffar bladen. Ångans värmeenergi
övergår till rörelseenergi i turbinen.
6. När turbinen snurrar så roterar även en
generator. I generatorn finns magneter och
spolar. När generatorn snurrar så snurrar
magneten, då ändras magnetfältet inne i
spolarna som finns runt magneten. När
magnetfältet ändras uppkommer en ström,
växelström. Elektrisk energi har bildats.
7. Elektriciteten lämnar kärnkraftverket genom
högspänningsledningar.
8. När ångan har gått igenom turbinen
fortsätter den sedan in i en kondensor. Där
träffar den utsidorna på massor av rör där
det pumpas in kallt havsvatten – kylvatten.
Därför ligger alltid kärnkraftverken vid havet.
Ångan kondenserar då och övergår till
flytande form = vatten.
9. Vattnet pumpas tillbaka till reaktortanken.
Man får ett kretslopp och vattnet kommer
aldrig ut från det slutna systemet.
10. De atomdelar, klyvningsprodukter som bildas
i bränslet är radioaktiva. Om de kommer ut
till omgivningen kan de skada levande
organismer. Därför måste man hitta ett säkert
sätt att förvara avfallet eller göra om det till
mindre farliga ämnen.
11. Det använda kärnbränslet läggs i kraftiga
behållare som skyddar omgivningen mot
strålning. Behållarna ska placeras långt ner
under marken i ett bergrum utanför
Forsmark.
G
Energiformer
• Kärnenergi: energi som finns lagrad i atomernas kärnor.
• Värmeenergi: energier omvandlas till värme,
värmeenergi är egentligen rörelseenergi, ju varmare
något är desto mer rör sig atomerna.
• Mekanisk energi
– Rörelseenergi: något som rör på sig
– Lägesenergi: lyfter du upp ett föremål får den lägesenergi
• Elektrisk energi: frigörs när en elektrisk spänning uppstår.
• Kemisk energi: energi som finns lagrat i tex olja, mat.
• Strålningsenergi: energi i olika typer av elektromagnetisk
strålning. Ju mer energirik strålningen är desto kortare våglängd.
F
Energiomvandlingar när du cyklar
• I solen bildas kärnenergi när två väteatomer slår
sig samman. Då bildas också strålningsenergi.
• Strålningsenergi från solen gör att det kan bildas
energirika ämnen (druvsocker) i växter med hjälp
av fotosyntesen.
• Kemisk energi från maten vi äter omvandlas till
rörelseenergi när vi trampar
• Cyklar vi upp för en backe omvandlas
rörelseenergin till lägesenergi, ju högre upp i
backen man kommer desto mer lägesenergi
bildas.
F
Energiomvandlingar när du cyklar
• Är det mörk ute slår man på dynamon för att
tända lampan. Där omvandlas rörelseenergi
till elektrisk energi.
• Den elektriska energin omvandlas sedan i
lampan till strålningsenergi.
• När du cyklat färdigt bromsar du. Då
omvandlas rörelseenergin till värmeenergi
pga. friktionen mellan bromsen och däcket.
F
Isotopundersökning
Vid en undersökning, kallad isotopundersökning, används
radioaktiva isotoper (teknetium-99m eller molybden-99).
Oftast får patienten en spruta med detta men det kan
även ätas/drickas. Inuti kroppen fastnar de radioaktiva
ämnena på vissa biologiska molekyler som söker sig till ett
särskilt organ eller en vävnad. Då kan läkare studera
organet/vävnaden genom att använda en gammakamera
och titta på en dataskärm.
http://www.ltkronoberg.se/Centrum/Medicinskt-servicecentrum/Bild--ochfunktionsmedicin/Rontgenenheten-Vaxjo/Isotopundersokning/