Moderne Fysik 9 Side 1 af 6 Kernefysik og Stjerneliv

Transkript

1 Modrn Fysik 9 Sid 1 af 6 Sidst gang: Elmntarpartiklr og naturkræftr samt univrsts udvikling. I dag: Atomkrnr og krnprocssr samt stjrnrs livsforløb. Atomkrnr Krnfysikkn blv født i 1896, hvor Hnri Bcqurl vd t tilfæld opdagd, at uranholdig malm sværtd fotografisk pladr: Radioaktivitt (først N1903). Snr forstod man, at radioaktivitt skylds forandringr af ustabil atomkrnr. Notationn r A X, hvor og A angivr proton- og nuklontallt (A = + N). Antallt af protonr kndtgnr dt pågældnd grundstof: 1 H, 2 H, 6C, 8O [F1], og for forsklligt nutrontal tals om isotopr, ks. dutrium 2 H og tritium 3 H. 1 1 Atomkrnrs stabilitt [F2] For små, stabil atomkrnr r N, mn for stor, stabil krnr r N >. Dtt skylds, at når forøgs, øgs også dn langtrækknd Coulombfrastødning mllm protonrn. Dtt modvirks af nutronrn, idt diss svækkr Coulombfrastødningn vd at øg protonrns indbyrds afstand og bindr atomkrnn sammn vha. dn Stærk Kraft. For 84 finds kun ustabil krnr, ks.. Bindingsnrgi 2 2mp + 2mn > m H md 2mp + 2mn mh mb = Eb c. Bindingsnrgin E b r sålds dn nrgi, som skal tilførs n hliumkrn for at opsplitt dn i sin bstanddl. Hvis ikk H-krnns bstanddl kunn vind nogt nrgi vd at bind sig til hinandn, vill H ikk vær naturligt forkommnd. Bindingsnrgin pr. nuklon r sålds t udtryk for n atomkrns stabilitt, så ifølg [F3] r atomkrnr md A 60 d mst stabil md F som dn allrmst stabil. Stor atomkrnr Atomkrnr md A > 60 kan opnå størr stabilitt og drmd vind nrgi vd at splitt op i mindr atomkrnr: Fission: Eks.: 1 n+ 235 U 141 Ba+ 92 Kr+ 3 1 n. 92 U

2 Modrn Fysik 9 Sid 2 af 6 Radioaktivitt. A A 4 4 α -hnfald: X 2Y + 2H. Bmærk, at [F3] visr H-krnrs særligt stor stabilitt, hvilkt forklarr, hvorfor α -partikln ntop r n H-krn. β A A 0 -hnfald: n p+ + ν, X Y + + ν β + + A A 0 -hnfald: p n+ + ν, X 1Y + 1+ ν. A * A γ -hnfald: X X + γ, som sålds indbærr n xcitrt atomkrns hnfald vd udsndls af n højnrgtisk γ -foton. -indfangning af gn lktron: p n ν + +. Af ovnstånd procssr r dt kun fission og α -hnfald, som mindskr krnns nuklontal A, mn d andr procssr indgår i n tung atomkrns bstræblsr på at splitt op i mindr atomkrnr [F4]. Små atomkrnr Atomkrnr md A < 60 blivr mr stabil vd at gå sammn til størr krnr: Fusion: Eks.: H + 1H 2H+ 0n. Dnn fusionsprocs spillr n afgørnd roll i stjrnrs, og drmd i solns, nrgiproduktion. β - og γ -hnfald. -indfangning. Nutrinon All diss procssr indbærr n frigørls af nrgi i form af krnr og partiklr. E kin af d frmkomn Vd ks. β + -hnfald bærr ν n dl af dnn nrgi, og dt var dtt tilsynladnd nrgitab, som i 1930 fik Wolfgang Pauli til at postulr ksistnsn af n nutral, massløs partikl, som Enrico Frmi snr døbt nutrino ( lill nutral n ). Pga. sin kstrmt svag vkslvirkning md stof blv nutrinon først dtktrt i ( ν + p n+ + ) Tunnlffkt Hvis radioaktiv hnfaldsprocssr r nrgtisk favorabl, hvorfor forløbr d så ikk i samm øjblik, dn ustabil atomkrn r dannt? I stdt r dr jo tal om halvringstidr på op til adskillig milliardr år!

3 Modrn Fysik 9 Sid 3 af 6 Dtt skylds, at dattrkrnrn samt α - og β -partiklrn r fangt i n potntialbrønd skabt af dn Stærk Krafts tiltrækning. Klassisk st r dnn barrir uovrvindlig og ksmplvis radioaktiv hnfald drmd umulig, mn pga. dn kvantmkanisk tunnlffkt r dr n ndlig sandsynlighd for at ovrkomm dnn barrir, idt tunnlsandsynlighdn r bstmmnd for dt pågældnd hnfalds T 12. Bmærk, at d radioaktiv hnfald skr spontant, hvorimod fissionn krævr n udfrakommnd nutron. Dtt skylds, at for fissionsprocssr r barrirn uovrvindlig, og diss krævr drfor n nutron for at forløb. Anvndlsr af radioaktivitt Kulstof-14-datring Dn radioaktiv isotop 14 C ( 6C 7N + 1+ ν ) gnskabs løbnd pga. kosmisk stråling ( N + 0n 6C + 1p). 14 Sålds r forholdt mllm C og dn stabil isotop 12 C 6 6 konstant i atmosfærns CO2 12 ( 1:10 ) og drmd konstant i all lvnd organismr, som optagr CO2. Når n organism dør, ophørr 14 C 14 -optaglsn, og da andln af C 6 6 hrftr mindsks, kan man vd måling af dn tilbagværnd andl 14 C 6 bstmm dn tid, dr r gåt sidn organismns død ( T = år) Positron Emission Tomography En β + -radioaktiv glukosopløsning sprøjts ind i blodt. D stdr i kroppn, hvor glukosoptaglsn r stor, r positronudsndlsn, og drmd fotonudsndlsn ifm. positronrns annihilation, stor. Vd dtktion af diss fotonr kan ks. hjrnaktivittn måls i forskllig områdr af hjrnn, hvilkt kan giv oplysningr om forskllig hjrncntrs aktivitt llr vis tgn på Alzhimrs syndrom llr kræft. Fissionsnrgi I 1938 opdagd tyskrn(!) Otto Hahn, at bombardmnt af uran md nutronr ført til fission md n norm nrgifrigørls til følg (N1944).

4 Modrn Fysik 9 Sid 4 af Da U 92 -fission i gnnmsnit førr til udsndlsn af 2,5 nutronr, kan dr bliv tal om n kædraktion, hvis mængdn af uran ovrskridr dn kritisk mass. Undr WWII satsd amrikanrn hårdt på at bliv d først til at bhrsk fissionn, og i 1942 lykkds dt for t forskrhold ldt af italinrn Enrico Frmi at bygg dn først fissionsraktor, hvor man vd n kontrollrt kædraktion kunn producr nrgi. Atombombn I 1945 lykkds dt at bygg d to(!) først atombombr, hvor kædraktionn får lov til at løb løbsk. Diss to på dtt tidspunkt nst atombombr(!) tvang som bkndt japanrn til at ovrgiv sig. Fusionsnrgi Fusionsprocssr krævr kstrmt høj tmpraturr, idt Coulombfrastødningn 7 mllm krnrn skal ovrvinds (solns indr: T 1,5 10 K). Dtt vanskliggør slvsagt anvndlsn af fusion til nrgiproduktion, bl.a. fordi ingn bholdr kan indhold nogt md så høj tmpratur, og man drfor r nødt til at ty til magntisk indslutning af dt opvarmd plasma. Dn kold fusion vd stutmpratur, hvis ralisring blv påståt i 1989, vist sig sålds dsværr at vær n fusr. Fusionsnrgi r sålds stadig på forskningsstadt og spillr drmd ndnu ingn roll for vrdns nrgiforsyning. Da n fusionsraktors brændstof dutrium ( 2 1H ) kan udvinds af vand, og da affaldsproduktt r inaktivt H, vil fusion imidlrtid vær n mgt billig og rn nrgikild. Md t globalt nrgiforbrug, som stigr ndnu hurtigr nd bfolkningstallt, r dt hævt ovr nhvr tvivl, at mnnskhdn indn alt for læng kommr til at s sig om ftr varig nrgikildr til afløsning af d fossil brændstoffr (kul, oli og naturgas), som i dag vartagr størstdln af vrdns nrgiforsyning (tal fra 1999): Kul: 34%. Oli: 23%. Naturgas: 20%. Atomkraft (fission): 5%. Vandkraft: 6%. Biomass (hovdsagligt brændsl i form af træ): 12%. Sol-, vind- og bølgnrgi: ~1%.

5 Modrn Fysik 9 Sid 5 af 6 Md dt nuværnd forbrug kan d i øjblikkt kndt brændstofrssourcr rækk: Kul: 270 år. Oli: 50 år. Naturgas: 70 år. Atomkraft (fission): 3000 år. Vandkraft samt sol-, vind- og bølgnrgi: undligt. Biomass: undligt, forudsat at skov i modsætning til i dag blivr gnplantt md samm fart, som d blivr fældt. Fusionsnrgi: >1 mia. Brintbombn I 1952 prøvsprængts dn først fusions-/brintbomb ovr Bikiniatollrn i Stillhavt. For at skab d for fusionsprocssn nødvndig btinglsr anvnds i brintbombr n atombomb til dtonation! Stjrnliv Slvom univrst startd som t punkt, opstod dr alligvl uvist af hvilkn grund ujævnhdr i massfordlingn, sådan at tyngdtiltrækningn md tidn fik stofft til at hob sig sammn i gasskyr bstånd hovdsagligt af H 2. Vd sammntrækningn af n sådan gassky omdanns E pot Ekin, hvorvd gasmolkylrns fart og drmd T øgs. Hvis gasskyn r tilstrækklig stor, stigr T så mgt, at brintmolkylrn bgyndr at fusionr til hlium. På t tidspunkt opstår dr n ligvægt mllm tyngdkraftn og trykkt fra fusionsprocssrn, og n stabil stjrn r født. Hrftr r stjrnns skæbn bstmt af dns mass: For M 0,08M øgs T ikk tilstrækkligt til at igangsætt fusionsprocssrn, og rsultatt blivr ikk n stjrn, mn n brun dværg. For 0,08M M 0,26M vil stjrnn md tidn løb tør for brint og nd som n glødnd hvid dværg brun dværg. For 0,26M M 1,5M (soln) bgyndr stjrnn at trækk sig sammn pga. sin gn tyngd, når H-fusionn ophørr i dns indr. Vd dnn sammntrækning øgs T så mgt, at fusionsprocssn H C startr i stjrnns indr.

6 Modrn Fysik 9 Sid 6 af 6 Slv antændingn skr vd t H-glimt, hvorftr stjrnn svulmr op til n rød kæmpstjrn (jordns ndligt om ca. 5 milliardr år ). Når H r opbrugt i stjrnns krn, skrumpr dn ind til n hvid dværg brun dværg. For 1, 5M M 15M r dt kollaps, som følgr ftr H-fusionsprocssns ophør, så kraftig, at stjrnn slvdstrurr på få skundr(!) i n ufattlig stor nrgiudladning kaldt n suprnovaksplosion, hvor stjrnns mass blæss ud i vrdnsrummt. For M 15M forløbr fusionsprocssn til og md F [F5]. Hrftr r dt ifølg [F3] ikk muligt at vind nrgi vd ydrligr fusion, og stjrnn kollapsr. Vd dn ftrfølgnd suprnovaksplosion blæss dn ydrst dl af stjrnn væk, og al stof i stjrnns krn prsss sammn til nutronr. Dn hrvd dannd nutronstjrn har samm masstæthd som n atomkrn og drmd så tung, at n nutronstjrn på størrls md n fodbold har samm mass som jordn! For M 30M kollapsr krnn til t Sort Hul, dr r t punkt udn udstrækning (n singularitt) md ndlig mass og drmd undlig stor masstæthd. Dt Sort Hul hddr som dt gør, fordi slv ikk lyst r i stand til at undslipp dts ufattlig tyngdtiltrækning. Univrst startd md at bstå af brint, og fusionsprocssrn løbr kun til og md jrn. 56 All isotopr mllm F 238 og U r sålds dannt ifm. suprnovaksplosionr og hrvd blæst ud i vrdnsrummt. Af all d grundstoffr, som finds på jordn, r all på nær brint sålds skabt af stjrnr og distriburt vd diss stjrnrs undrgang! Opgavr: 44) 9, 15, 21, 25, 32.