Atom og kernefysik Radioaktive atomkerner. Hvor stort er et atom? Niels Bohr. Elementarpartikler. Opdagelsen af de radioaktive atomkerner

Transkript

1 Atom og kernefysik Radioaktive atomkerner Opdagelsen af de radioaktive atomkerner På jorden har de radioaktive stoffer altid eksisteret. Først opdagende Wilhelm Conrad Röntgen ( ) røntgenstrålerne i 895. Derefter opdagede Antoine-Henri Becquerel ( ) i 896 den naturlige radioaktivitet. I 898 opdagede ægteparret Pierre og Marie Curie to hidtil ukendte grundstoffer, der også udsendte stråling. Grundstofferne fik navnene Polonium, opkaldt efter Marie Curies fødeland Polen, og Radium efter det latinske ord radius, der betyder stråle. Niels Bohr Niels Henrik David Bohr ( ) var dansk fysiker, som har bidraget afgørende til forståelsen af atomets struktur. Niels Bohr modtog Nobelprisen i fysik i 922. Niels Bohr deltog under 2. verdenskrig i Manhattenprojektet fremstillingen af verdens første atombombe. Hvor stort er et atom? Atomer er så små, at vi ikke har mulighed for at iagttage det. Et stykke papir er mio. atomer tykt! Et atom har en diameter på 0-0 meter En atomkerne har en diameter på 0-4 meter. Der kan altså ligge atomkerner på tværs i et atom! Elementarpartikler En elementarpartikler er en partikel, der ikke kan deles i mindre enheder. Grundstoffer har 3 elementarpartikler: protoner ( p ) som er positivt ladede. Neutroner ( n ) som er neutrale. Elektroner ( e ) som er negativt ladede. Elementarpartiklerne har lige store men modsat rettede ladninger. Frastødningskræfter og kernekræfter Kernen består af protoner og neutroner tilsammen nukleoner. Protonerne er alle positivt ladede og vil prøve at frastøde hinanden det kaldes frastødningskræfter. Netronerne er neutrale, men virker som klister mellem protonerne = kernekræfter. Kernekræfterne virker dog kun på lille afstand. Et atom er radioaktivt, når kernekræfterne ikke er stærke nok til at overvinde frastødningskræfterne.

2 Isotoper Atomer med samme antal protoner kan godt have forskelligt antal neutroner i kernen. Man kan se alle isotoper på et isotopkort (nuklidkort) Isotoper af samme grundstof har ens kemiske egenskaber, men forskellige fysiske egenskaber, f.eks. massefylde, kogepunkt og frysepunkt. Hvad er radioaktivitet? En radioaktiv atomkerne er ustabil og kan udsende en partikel. Vi kalder radioaktive partikler for ioniserende stråler, fordi de kan slå elektroner løs fra et atom. Når der slås elektroner væk fra et atom, bliver det til en positov ion. Den frie elektron bliver indfanget at et andet atom og skaber en negativ ion. Geigertælleren Et GM-rør består af et metalrør, som indeholder fortyndet luft. I midten sidder en metaltråd. Metaltråden gøres positivt ladet, mens røret gøres negativt ladet. Ioniserende stråler slår elektroner løs fra luftens atomer, så de bliver ladede. Tiltrækkes til polerne der lyder et klik. Baggrundsstråling Baggrundsstrålingen er den stråling, der findes omkring os. Størstedelen af baggrundsstrålingen er af naturlig oprindelse fra jorden, rummet og os selv. Den menneskeskabte baggrundsstråling kommer fra hospitalsbehandlinger, atomprøvesprængninger og uheld på atomkraftværker. Baggrundsstråling måles i Sievert. Bornholm På Bornholm er baggrundsstrålingen højere end i resten af Danmark p.g.a. klipperne. Jo længere, man kommer ud i rummet, jo højere bliver baggrundsstrålingen. Radon Radon er en radioaktiv luftart, som dannes i undergrunden. Radon i boligen kan ophobe sig, hvis man ikke lufter ud øger risikoen for lungekræft. Menneskekroppen indeholde 2 radioaktive isotoper : Kulstof-4 og kalium-40. Sammenlagt stammer ca. 20% af baggrundsstrålingen fra menneskets egen krop. 2

3 Ioniserende stråling Der findes 3 typer af ioniserende stråling: Alfastråling : α Beta-stråling: β Gammastråling: γ Klassifikation Forskellige typer stråling: a) Bestanddel b) Hvor opstår den c) Kerneproces d) Farve i nuklidkort e) Afbøjning i elektrisk felt f) Rækkevidde g) Gennemtrængelighed h) Gang i nuklidkortet α-stråling Alfapartikler består af 2 protoner og to neutroner. Det er Heliumkerner. Massetallet ( antal protoner + antal neutroner ) falder med 4. Protontallet falder med 2. Grundstoffet 24-Am ændrer sig til 237-Np. Heliumkernen skydes væk med km/sek. α-stråling - Alfastråling a) Består af helium kerner b) Opstår ved nuklider (atomkerner der vejer for meget). Det betyder at neutronerne har svært ved at holde sammen på kernen. Den må på slankekur og udsender derfor 4 heliumkerner 2 He c) A A 4 4 x 2 y+ 2He( α ) d) Alfaradioaktive stoffer er grønne i nuklidkortet e) Alfapartikler afbøjes langsomt hen mod minus i t elektrisk felt, da de er tunge og positive f) Alfapartikler standses af ca. -2 cm luft. De er farlige at få ind i kroppen. g) Alfapartikler standses af et par stykker papir h) To tilbage og to ned β-stråling Beta-partikler er elektroner. Massetallet er uændret en neutron omdanner sig til en proton. Protontallet stiger med. Grundstoffet 90-Sr ændres til 90-Y. Elektronen skydes væk med km/sek. β - -stråling - Betaminusstråling a) Består af elektroner b) Opstår ved nuklider der har for mange neutroner. I nuklidkortet ligger de under den sorte stabilitetslinie c) En neutron omdannes til en proton og en elektron n p+ 0 0 e A A 0 x + x+ e d) Betaminusradioaktive stoffer er blå i nuklidkortet e) Betaminuspartikler afbøjes hurtigt hen mod plus i et elektrisk felt, da de er lette og negative f) Betaminuspartikler standses af ca. ca. 50 m luft. g) Betaminuspartikler standses af et -2 mm. Aluminium (Al) h) En tilbage og en op (en skråt op) 3

4 β + -stråling - Betaplusstråling K-indfang a) Består af positroner (positive elektroner) b) Opstår ved nuklider der har for mange protoner. I nuklidkortet ligger de over den 0 A A 0 p 0 n+ + e x y+ +e sorte stabilitetslinje. c) En proton omdannes til en neutron og en positron K-indfang betyder, at en elektron fra. skal K- skallen går sammen med en proton og bliver til en neutron. Energien i overskud skydes ud som γ-stråling. d) Betaplussradioaktive stoffer er røde i K-indfang a) En K-indfangning (epsilonproces) er ikke en stråling ud af til men en betaminus stråling ind i kernen, idet kernen fanger en elektron fra den første skal (K-skallen) b) Opstår ved nuklider der har for mange protoner. I nuklidkortet ligger de over den sorte stabilitetslinie. c) En proton og en elektronomdannes til en neutron p + 0 e n A 0 A y x+ e d) Epsilonradioaktive stoffer er gule i nuklidkortet e) Ikke relevant f) Ikke relevant g) Ikke relevant h) En frem og en ned (en skråt ned) γ-stråling Gammapartikler er energirige fotoner. En foton er en energipakke uden masse. Gammastråler er i familie med røntgenstråler. Gammastråling fremkommer ved alfa- eller betahenfald samt ved K-indfang. γ-stråling - Gammastråling a) Består af kortbølget elektromagnetisk stråling (gammafotoner, kvanter) b) Opstår ved nuklider der er anslåede. Når de falder tilbage til grundtilstanden udsendes den overskydende energi som gammafotoner. Gammastråling optræder sammen med alfastråling. Man taler om en gammarest. c) Kernen udsender energi d) A x x + γ A * γ-stråling - Gammastråling d) Gammaradioaktive stoffer har ingen speciel farve i nuklidkortet e) Gammastråling påvirkes ikke i et elektrisk felt, da de er elektrisk neutrale. f) Gamma stråler har en rækkevidde på ca. 250 m luft g) Gamma stråler standses af et tykt lag bly (Pb) h) Ingen - da der ikke sker nogen kerneændring 4

5 Standsning af ioniserende stråler α-stråling kan stoppes med et enkelt lag papir eller tøj. β-stråling kan stoppes med et hæfte eller en bog, eller tynd Aluminiumsplade. γ-stråling kan kun stoppes med bly. Halveringstid Et radioaktivt stof har en halveringstid. Det er den tid, der går før halvdelen af stoffet har omdannet sig til et nyt stof. En ustabil atomkerne henfalder på et eller andet tidspunkt, men det er umuligt at forudsige, hvornår det sker. Halvveringstid Hvis man har f.eks. 00 gram af radium isotopen Ra Vil halvdelen altså 50 gram af stoffet være henfaldet om 600 år. Kulstof 4 metoden I atmosfæren dannes isotopen C-4 Der dannes kun C-4 pr.000mia C-atomer Levende: dyr, mennesker og planter optager C-4 Ved døden stopper optagelse af C-4 C-4 henfalder på år. enkelt hår er nok, bare mg kulstof Sammenligning af mængde med levende organismer. Cellerne påvirkes Når levende væv bliver ramt af ioniserende stråling, dannes der ioner i cellerne. Der kan udvikles kræftceller eller påvirkninger på arvemassen. Radioaktiv forurening Ved radioaktiv forurening optræder de følgende radioaktive nuklider ofte: Strontium Cæsium Jod Strontium: ligner calcium meget bindes i knoglerne. Cæsium: ligner kalium meget fordeles i cellerne. Jod: optages i skjoldbruskirtlen hvis der er plads. Dansk salt tilsættes jod, for at fylde jodbanken op. 5

6 Radioaktiv forurening Positive anvendelsesmåder Elektricitet helt uden forurening. Bestråling af fødevarer. Kræftbehandling. Sporstoffer bedre end røntgen. Automatisk påfyldning af beholdere. Måling af materialetykkelse. Kerne-energi Fission Processen fission er grundlaget for såvel atombomben som kernekraft. Kædereaktion Beriget uran Ved fission frigøres neutroner med stor fart. En ukontrolleret kædereaktion foregår hurtigt og uhindret. Lad os lige se det Naturligt uran er sammensat af tre nuklider: 238-U (99,3 %) 235-U (0,7 %) 234-U (meget, meget lidt) Det er kun 235-U, som kan spaltes af en neutron. Derfor beriger man uran, så den indeholder 3 4 % 235-U Neutroner kan indfanges af 238-U og den bliver til 239-U 6

7 Kontrolleret kædeproces En moderator bremser neutronerne, uden at indfange dem. Tungt vand bliver ofte brugt som moderator. Grundstoffet cadmium kan absorbere neutroner, som de forsvinder fra processen Kernekraftværket I dag er der ca. 450 aktive atomreaktorer verden over. Energi fra naturen Lager-energikilder ( energi i Jordens lager): kul olie naturgas kerneenergi Vedvarende energi Vedvarende energi: solenergi vindenergi vandenergi organisk brændstof ( CO2-neutralt ) Fordele og ulemper Røg fra olie- og kulfyrede kraftværker udleder CO2, men er den energiform, vi bruger i dag. Brændselsstave fra atomkraftværker er radioaktive tusindvis af år, men atomkraft er billigt og effektivt. Fusion En fusion er den omvendte proces af fission. En fusion er meget billigere og helt ufarlig men temperaturen skal op på omkring 00 mill grader Celsius! Vindmøller, solceller og vandkraft er miljørigtigt, men er afhængigt af vejrforhold. CO2-neutralt brændstof er godt for miljøet, men forbruger naturressourcer. 7