Se ha denunciado esta presentación.
Utilizamos tu perfil de LinkedIn y tus datos de actividad para personalizar los anuncios y mostrarte publicidad más relevante. Puedes cambiar tus preferencias de publicidad en cualquier momento.

11. kärnfysik

  • Sé el primero en comentar

  • Sé el primero en recomendar esto

11. kärnfysik

  1. 1. KAPITEL 11 Inne i kärnan
  2. 2. De flesta atomkärnor i våra kroppar har alltid sett likadana ut, trots att de bytt ”ägare” många gånger. Någon kol- eller syrekärna i din kropp har kanske suttit i svansen på en dinosaur eller i pälsen på en sabeltandad tiger? De flesta atomkärnor förändras alltså aldrig, de är stabila. Det gäller bland annat alla kolkärnor som har 6 protoner och 6 neutroner, alltså sammanlagt 12 nukleoner. Det finns också kolkärnor som har 7 neutroner och även kärnor med 8 neutroner. De är olika isotoper av grundämnet kol. Dessa isotoper är instabila, det vill säga de faller sönder. De kallas för radioaktiva isotoper.
  3. 3. Krafter i kärnan I kärnan finns sammanhållande krafter i kärnan som är starkare än de repellerande elektriska krafterna. Dessa kärnkrafter är alltså mycket starka, men de verkar bara på mycket kort avstånd. Radioaktiv strålning I atomkärnor som har många nukleoner kan de repellerande elektriska krafterna bli större än den sammanhållande kärn- kraften. Då kan kärnan göra sig av med några partiklar. En ström av sådana partiklar kallas radioaktiv strålning. Det finns tre slags radioaktiv strålning: alfa-, beta- och gammastrålning.
  4. 4. Alfastrålning Grundämnet radium har en isotop Ra-226 som har sammanlagt 226 nukleoner. När Ra-226 faller sönder bildas två nya kärnor; största biten blir en radonkärna, Rn-222, och den minsta en heliumkärna, He-4. Denna heliumkärna kallas för en alfapartikel och skjuts iväg vid sönderfallet. Man brukar därför säga att vid sönderfallet bildas alfastrålning. Alfapartikeln är alltså detsamma som kärnan hos grundämnet helium. Helium
  5. 5. Betastrålning C-14 är en kolisotop som har för många neutroner för att vara stabil. Protonen stannar kvar i kärnan, men betapartikeln kastas ut och ger så kallad betastrålning. En av neutronerna kan spontant omvandlas till en proton, och samtidigt bildas då en elektron. Denna elektron kallas i det här för betapartikel. Kärnan har då förändrats, eftersom den nu har 7 protoner. Det har alltså blivit ett nytt grundämne, kväve. Denna kvävekärna har 7 neutroner.
  6. 6. Gammastrålning Både vid alfa- och betasönderfall bildas gammastrålning, elektromagnetisk strålning med mycket hög energi. Betastrålning C-14 är en kolisotop som har för många neutroner för att vara stabil. Protonen stannar kvar i kärnan, men betapartikeln kastas ut och ger så kallad betastrålning. En av neutronerna kan spontant omvandlas till en proton, och samtidigt bildas då en elektron. Denna elektron kallas i det här för betapartikel. Kärnan har då förändrats, eftersom den nu har 7 protoner. Det har alltså blivit ett nytt grundämne, kväve. Denna kvävekärna har 7 neutroner.
  7. 7. Alfa Papper Beta Aluminium Gamma Bly eller betong Strålningens genomträngningsförmåga Alfa- och betapartiklarna är exempel på partikelstrålning som i likhet med gammastrålningen är joniserande. Gammastrålning tränger långt in i materian. Det krävs tjocka blyplattor eller betong för att stoppa det mesta av gamma- strålningen. Betastrålningen har längre räckvidd och för att stoppa den krävs några millimeter aluminium. Alfastrålningen har den kortaste räckvidden och stoppas redan av en bit papper.
  8. 8. Geiger-Müller-räknaren (GM- räknaren) utnyttjar strålningens joniserande förmåga för att registrera radioaktivitet. Radioaktiv partikel Gas Elektrod Högspänning På grund av den höga spänningen dras laddningarna till elektroden så att det uppstår en strömpuls. I ett rör finns en gas som innehåller elektriskt neutrala atomer. Mellan rörets väggar och en elektrod i mitten läggs en hög spänning. När en radioaktiv partikel kommer in i röret joniserar den gasen och det bildas då fria laddningar. Denna strömpuls kan man överföra till en högtalare eller räknare. I högtalaren hörs ett knäpp varje gång en radioaktiv partikel kommer in i röret. Aktiviteten mäts i enheten 1 becquerel (1 Bq, uttalas ”beckerell”). Det gäller att 1 Bq = 1 sönderfall/s.
  9. 9. Halveringstiden är ett mått på hur snabbt de radioaktiva isotoperna faller sönder. Halveringstiden är den tid det tar för hälften av de radioaktiva isotoperna att falla sönder. Isotop Halveringstid Cesium-137 30 år Jod-121 8,1 dygn Kobolt-60 5,3 år Kol-14 5600 år Plutonium-239 24 300 år Radium-226 1620 år Uran-238 4,5 miljarder år Halveringstid I tabellen kan de se att halveringstiden varierar kraftigt, beroende på vilken isotop det är fråga om. Med hjälp av isotopers halveringstid kan man göra olika slags åldersbestämningar, av vilka kol 14-metoden är den vanligaste.
  10. 10. Kol 14-metoden Koldioxiden i atmosfären innehåller en liten del radioaktivt kol (C-14). Kolet tas upp av växterna, och djur som äter växterna får också i sig en del av denna isotop. Tillförseln upphör när växten eller djuret dör. När djur dör
  11. 11. Kol 14-metoden Koldioxiden i atmosfären innehåller en liten del radioaktivt kol (C-14). Kolet tas upp av växterna, och djur som äter växterna får också i sig en del av denna isotop. Tillförseln upphör när växten eller djuret dör. Efter 5600 år Kol 14-halten minskar då eftersom isotopen sönderfaller med halveringstiden 5600 år.
  12. 12. Kol 14-metoden Koldioxiden i atmosfären innehåller en liten del radioaktivt kol (C-14). Kolet tas upp av växterna, och djur som äter växterna får också i sig en del av denna isotop. Tillförseln upphör när växten eller djuret dör. Efter 11200 år Kol 14-halten minskar då eftersom isotopen sönderfaller med halveringstiden 5600 år. Genom att bestämma kol 14-halten i döda växtdelar och djur kan man på så sätt bestämma hur gammalt det är.
  13. 13. Alfastrålning kan inte tränga genom huden, men det kan farlig att andas in partiklar som innehåller alfastrålande ämnen. Alfastrålningen kan då ge skador på lungorna. Hur farlig är strålningen? En liten mängd alfastrålning kan därför vara lika farlig som en större mängd beta- eller gammastrålning. När man mäter stråldosen tar man därför hänsyn till vilken slags strålning det är. Stråldos mäts i en enhet som heter 1 sievert (1 Sv). Detta är en mycket hög stråldos och vanligtvis används därför underenheten 1 mSv (millisievert, det vill säga 1/1000 sievert). Höga stråldoser ger akuta strålskador. Av doser som är större än 1000 mSv dör så många celler att kroppens organ skadas. Är dosen så kraftig som 6000 mSv överlever knappast någon. När det gäller lägre doser, från ca 100 mSv och uppåt, uppkommer skador som på sikt kan ge upphov till cancer. För doser som är lägre än 100 mSv har forskarna ingen riktigt klar bild av skadeverkningarna och man kan inte ange någon gräns under vilken strålningen är helt ofarlig.
  14. 14. Man vet att höga stråldoser ger akuta strålskador. Av doser som är större än 1000 mSv dör så många celler att kroppens organ skadas. Är dosen så kraftig som 6000 mSv överlever knappast någon. När det gäller lägre doser, från ca 100 mSv och uppåt, uppkommer skador som på sikt kan ge upphov till cancer. För doser som är lägre än 100 mSv har forskarna ingen riktigt klar bild av skadeverkningarna och man kan inte ange någon gräns under vilken strålningen är helt ofarlig.
  15. 15. Att helt undvika stråldoser är omöjligt. Det beror på att det finns en naturlig strålning som vi inte kan skydda oss mot. Varje år tar vi i genomsnitt emot: 0,3 mSv 0,5 mSv 0,2 mSv 0,6 mSv 0,3 mSv från rymden (så kallad kosmisk strålning) 0,5 mSv från berggrunden 0,6 mSv från medicinska undersökningar 0,2 mSv från den egna kroppen Till detta kommer den största ”naturliga” strålkällan, nämligen bostaden vi bor i. Den varierar, men i genomsnitt tar vi alla emot en total dos på 3 mSv per år.
  16. 16. Vissa yrkesgrupper får ännu högre naturliga doser. Piloter och andra som vistas mycket på så höga höjder får ytterligare cirka 5 mSv per år. Stråldoser mäts med dosimeter. Det finns olika slags, men en vanlig variant är filmdosimetern. Den består helt enkelt av en film som man låter framkalla efter en viss tid. Av svärtan på filmen kan man avgöra hur pass stor stråldos som tagits emot.
  17. 17. Radonhus Berggrunden innehåller den radioaktiva gasen radon (Rn) som stiger upp till markytan. Utomhus späds den snabbt ut och blir tämligen ofarlig, men i ett hus kan koncentrationen bli stor. I vissa hus, så kallade radonhus, kan koncentrationen bli så stor att de är ohälsosamma att bo i. Den största risken för höga radonhalter finns i hus som:  har otät bottenplatta  står på mark som lätt släpper genom gaser, t.ex grusbackar Radon är en alfastrålare som sönderfaller till radioaktiva radondöttrar, vilka också är alfastrålare. Det är radondöttrarna som är skadliga eftersom de lätt fastnar på dammpartiklar i luften som man sedan får ner i lungorna.  står på uranhaltig berggrund  är byggt av radonhaltigt material, t.ex blåbetong
  18. 18. Användning av radioaktiva ämnen Radioaktiva isotoper används framför allt inom sjukvården. Ett exempel är den radioaktiva isotopen jod-131 som kan användas för att undersöka sköldkörteln. Bild av sköldkörtel. De olika färgerna anger hur mycket jod-131 som tagits upp av sköldkörteln, de gula mest och de blå minst. Jod tas upp av sköldkörteln och genom att spruta in i liten mängd jod-131 kan man få denna radioaktiva isotop att samlas i sköldkörteln. Mäter man sedan strålningen från isotopen kan man få ett slags bild av hur sköldkörteln ser ut.
  19. 19. PET-kameran fungerar efter denna princip. De radioaktiva isotoperna sprutas t.ex in i patientens blodomlopp och samlas i olika organ. Kameran registrerar sedan strålningen från de radioaktiva isotoperna och med hjälp av datorer kan man sedan skapa en bild av det undersökta organet. PET = positionemissions tomografi PET-kameran kan till exempel mäta hjärnaktiviteten. Radioaktiva isotoper kan användas på flera andra sätt bland annat för att spåra oljeutsläpp. Genom att mäta oljelasten på fartyg med viss kombination av isotoper kan man ta reda på vilket fartyg som har släppt ut oljan.
  20. 20. I början av 1900-talet visade den berömde fysikern Albert Einstein (1879–1955) att materia kan omvandlas till energi enligt formeln Materia blir energi E = m · c2 där E är energin, m är massan hos materian och c är ljushastigheten.
  21. 21. Nu kan inte vilken massa som helst omvandlas till materia och det var först när man lyckades klyva atomkärnor som Einsteins formel kunde bekräftas genom experiment. Processen som kallas fission går till så här: 1) En neutron fångas in av en kärna av uran-235 (U-235). Neutron
  22. 22. 2) Kärnan blir instabil, den börjar vibrera och svängningarna blir så kraftiga att den…
  23. 23. 3) …delar sig i två mindre atomkärnor, klyvnings- produkter, samt 2 eller 3 neutroner. Både klyvningsprodukterna och neutronerna får hög fart och därmed hög rörelseenergi. Neutron Neutron Neutron
  24. 24. Processen ger mer energi än vad som fanns från början, vilket strider mot energilagen. Men partiklarnas sammanlagda massa är mindre efter klyvningen än före – det är massa som omvandlas till energi! Fissionsenergin har använts i militära sammanhang för att konstruera så kallade atombomber med förödande verkningar. För fredliga ändamål använder man fissionsenergin i kärnkraftverk.
  25. 25. I ett kärnenergiverk utnyttjas rörelseenergin hos klyvningsprodukterna. Bränslet är en blandning av isotoperna U-235 och U-238, men det är bara U-235 som kan klyvas. För klyvningen behövs långsamma neutroner, snabba neutroner fångas in av U-238 men ger ingen klyvning. Reaktortank Bränslestav Styrstav Vatten Turbin Generator Kylare Pump
  26. 26. När man väl delat en U-235 kärna bromsas klyvningsprodukterna och neutronerna upp av vatten som finns runt bränslestavarna. Vid inbroms-ningen uppstår friktionsvärme som värmer upp vattnet. Någon av de snabba neutronerna fångas upp av styrstavar som finns mellan bränslestavarna, men någon neutron bromsas in och blir en långsam neutron. Denna långsamma neutron kan fångas in av en ny U-235-kärna och sätta igång en ny kärnklyvning. På så sätt kan man få igång en kedjereaktion. Snabb neutron Klyvningsprodukt Snabb neutron Klyvningsprodukt Långsam neutron BRÄNSLESTAV VATTEN STYRSTAV
  27. 27. I kärnkraftverken skapas ett farligt radioaktivt avfall med lång halveringstid. Avfallet måste därför förvaras säkert under lång tid. Ett kärnkraftshaveri i Tjernobyl i Ryssland år 1986 skapade radioaktiva luftmassor som bland annat förorenade stora delar av Sverige. Risker med kärnenergi
  28. 28. Att klyva atomkärnor genom fission är alltså ett sätt att utvinna energi. Det går också att slå samman atomkärnor för att frigöra energi. Processen som kallas fusion gör att solen och de andra stjärnorna strålar ut energi. I stjärnorna slås väteisotoperna deuterium H-2 och tritium H-3 samman och bildar helium He-4: Fusion Om vi kunde utnyttja fusionsprocesser här på jorden skulle vi få nästan obegränsad tillgång på energi. I havsvatten finns nämligen små mängder H-2 och detta kan vi använda som bränsle! Ur 1 liter vatten skulle vi få lika mycket energi som i 300 liter bensin! H-2 + H-3 He-4 + neutron + energi
  29. 29. Forskare i flera länder har också försökt få igång fusionsprocesser. Men ännu har man inte lyckats utvinna någon fusionsenergi. De tekniska problemen är nämligen mycket stora eftersom processen bland annat kräver en temperatur på miljontals grader för att komma igång. Här är en försöksanläggning för fusionsenergi. Gigantiska elektro- magneter används för att skapa de kraftiga magnetfält som krävs. Det finns inget material som tål denna temperatur utan man måste använda kraftiga magnetfält för att skapa ”väggar” som innesluter reaktionsprodukterna.
  30. 30. Sammanfattning
  31. 31. Kärnan i en atom består av positivt laddade protoner och oladdade neutroner. Alla kärnor i ett grundämne har lika många protoner, medan antal neutroner kan variera, vilket ger olika isotoper av ett grundämne. Sammanfattning Vid alfasönderfallet sänds det ut en heliumkärna, alfapartikel, och vid betasönderfallet sänds det ut en elektron, en betapartikel. En del isotoper är instabila, det vill säga deras kärnor faller sönder, och vid sönderfallet utsänds radioaktiv strålning. I samband med sönderfallet sänds det också ut gammastrålning, det vill säga mycket energirik elektro- magnetisk strålning.
  32. 32. Alfastrålning stoppas av papper och betastrålning av en tunn aluminiumplåt, men mot gammastrålning behövs ett tjockt lager bly eller betong. Radioaktivitet mäts med en Geiger- Müller-detektor (GM) som registrerar antalet sönderfall under en viss tid. Enheten är 1 becquerel (1Bq) = 1 sönderfall/s Radioaktiva isotoper har olika halveringstid. Halveringstiden är den tid som behövs för att hälften av kärnorna ska hinna falla sönder. Detta används för ålders- bestämningar. Exempel är kol 14-metoden där halten av isotopen C-14 i en fornlämning kan ange dess ålder. Radioaktiva isotoper används i många sammanhang, och är speciellt vanliga inom medicinen. Sammanfattning
  33. 33. Radioaktiv strålning är farlig om strålningsdosen är hög. Från berggrunden, rymden, medicinsk undersökning, byggnader och från den egna kroppen får vi alla en naturlig strålning på några millisievert per år (mSv/år). I ett kärnkraftverk utnyttjar man att det bildas energi av materia enligt sambandet: E = m · c2 . Personer som bor i så kallade radonhus kan få betydligt större dos, liksom personer som arbetar i en miljö med större mängd strålning. Stråldos mäts med dosimeter. Vid processen som kallas fission delas en kärna av U-235 i två mindre kärnor om den träffas av en långsam neutron. I stjärnorna omvandlas också materia till energi genom fusion då kärnor av H-2 och H-3 slås samman till en He-4-kärna./ Sammanfattning

    Sé el primero en comentar

    Inicia sesión para ver los comentarios

Vistas

Total de vistas

4.200

En Slideshare

0

De embebidos

0

Número de embebidos

42

Acciones

Descargas

94

Compartidos

0

Comentarios

0

Me gusta

0

×