Kernereaktioner. 1 Energi og masse

Relaterede dokumenter
Kernefysik og dannelse af grundstoffer. Fysik A - Note. Kerneprocesser. Gunnar Gunnarsson, april 2012 Side 1 af 14

SDU og DR. Sådan virker en atombombe... men hvorfor er den så kraftig? + + Atom-model: - -

Tillæg til partikelfysik (foreløbig)

Atomets bestanddele. Indledning. Atomer. Atomets bestanddele

anhattan roject tombomben n n Erik Vestergaard

Partikler med fart på Ny Prisma Fysik og kemi 9 Skole: Navn: Klasse:

Nr Grundstoffernes historie Fag: Fysik A/B/C Udarbejdet af: Michael Bjerring Christiansen, Århus Statsgymnasium, november 2008

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

Opgaver til udvalgte kapitler FOR ALLE. Niels Bohrs atomteori Matematik. Geniet. modig, stærk og fordomsfri. Matematik

Manhattan Projektet. 1. Grundlæggende kernefysik. Atombomben Grundlæggende kernefysik. 1. Grundlæggende kernefysik. AT1 i 1z, marts 2011

Atomer er betegnelsen for de kemisk mindste dele af grundstofferne.

HALSE WÜRTZ SPEKTRUM FYSIK C

Til at beregne varmelegemets resistans. Kan ohms lov bruges. Hvor R er modstanden/resistansen, U er spændingsfaldet og I er strømstyrken.

Hvor mange neutroner og protoner er der i plutonium-isotopen

Skriftlig Eksamen i Moderne Fysik

En lille verden Ny Prisma Fysik og kemi 8. Skole: Navn: Klasse:

Opdagelsen af radioaktivitet

Jorden og solen giver energi Ny Prisma Fysik og kemi 8. Skole: Navn: Klasse:

Naturkræfter Man skelner traditionelt set mellem fire forskellige naturkræfter: 1) Tyngdekraften Den svageste af de fire naturkræfter.

Big Bang Modellen. Varmestråling, rødforskydning, skalafaktor og stofsammensætning.

Energiform. Opgave 1: Energi og energi-former

Marie og Pierre Curie

Marie og Pierre Curie

Formelsamling til Fysik B

Kompendium i fysik. 5. udgave - oktober Uddannelsesstyrelsen

Folkeskolens afgangsprøve Maj-juni 2006 Fysik / kemi - Facitliste

Antistofteorien, en ny teori om universets skabelse.

Fysik A. Studentereksamen

TEORETISKE MÅL FOR EMNET:

Big Bang og universets skabelse (af Jeanette Hansen, Toftlund Skole)

Energi, bølger repetition af C stof (JR) Kernefysik herunder et eksperimentelt projekt (TG)

Liv i Universet. Anja C. Andersen, Nordisk Institut for Teoretisk Fysik (NORDITA)

Fysikforløb nr. 6. Atomfysik

Vikar-Guide. Den elektriske ladning af en elektron er -1 elementarladning, og den elektriske ladning af protonen er +1 elementarladning.

Universets opståen og udvikling

Nedenfor er først en gennemgang af regler om eksamen, den praktiske afvikling.

Hvordan blev Universet og solsystemet skabt? STEEN HANNESTAD INSTITUT FOR FYSIK OG ASTRONOMI

Undervisningsbeskrivelse

Brombærsolcellen - introduktion

Dansk Fysikolympiade 2009 Landsfinale fredag den 21. november Teoretisk prøve. Prøvetid: 3 timer

Rela2vitetsteori (iii)

Hvilke praktiske og etiske problematikker er forbundet med fremstillingen af atomvåben?

July 23, FysikA Kvantefysik.notebook

Fysik A. Studentereksamen

FUSIONSENERGI. Fremtidens dominerende energikilde? Vagn O. Jensen

Projekt Minamata-katastrofen. En modellering af ligevægt mellem lineær vækst og eksponentiel henfald

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Myonens Levetid. 6. december 2017

Opgaver i atomer. c) Aflæs atommassen for Mg i det periodiske system eller på de udskrevne ark, og skriv det ned.

Den specielle relativitetsteori og dens indflydelse på den teknologiske udvikling

Fusionsenergi Efterligning af stjernernes energikilde

Undervisningsbeskrivelse

Folkeskolens afgangsprøve Maj 2006 Fysik / kemi - Facitliste

Lysets kilde Ny Prisma Fysik og kemi 9 - kapitel 8 Skole: Navn: Klasse:

2 Erik Vestergaard

Kvantefysik. Objektivitetens sammenbrud efter 1900

Nr Den lille neutron Fag: Fysik A/B Udarbejdet af: Michael Bjerring Christiansen, Århus Statsgymnasium, juli 2007

Teoretiske Øvelser Mandag den 28. september 2009

Øvelse 2: Myonens levetid

Det anbefales ikke at stå for tæt på din færdige stjerne, da denne kan være meget varm.

Notat. Det særlige affald - indhold af radioaktive stoffer, udbrænding og varmeudvikling. 1 Indledning. 2 Udbrænding af det særlige affald

Opgaver i fysik - ellære

Atomkraft og atombomber

Type: AT-synopsis Fag: Fysik og Historie Karakter: 7

Moderne Fysik 1 Side 1 af 7 Speciel Relativitetsteori

Solens dannelse. Dannelse af stjerner og planetsystemer

Fysik/kemi 9. klasse årsplan 2018/2019

I forløbet Atomet arbejdes med atomets opbygning. Forløbet består af 5 fagtekster, 31 opgaver og 8 aktiviteter. Derudover er der Videnstjek.

Kapitel 2. Dannelse af stjerner. 2.1 Hydrostatisk ligevægt

Standardmodellen og moderne fysik

Forløbet består af 5 fagtekster, 19 opgaver og 4 aktiviteter. Derudover er der Videnstjek.

m: masse i masseprocent : indhold i volumenprocent : indhold

Stjernernes død De lette

Undervisningsbeskrivelse

Afleveringsopgaver i fysik

Stjerneudvikling, grundstofsyntese og supernovaer. Jørgen Christensen-Dalsgaard Dansk AsteroSeismologi Center Institut for Fysik og Astronomi

Indhold En statistisk beskrivelse... 3 Bølgefunktionen... 4 Eksempel... 4 Opgave Tidsafhængig og tidsuafhængig... 5 Opgave 2...

Statistisk mekanik 2 Side 1 af 10 Entropi, Helmholtz- og Gibbs-funktionen og enthalpi. Entropi

Energiens veje Ny Prisma Fysik og kemi + Skole: Navn: Klasse:

Undervisningsbeskrivelse

Fysik A. Studentereksamen

Undervisningsbeskrivelse

Atomfysik ATOMER OG ANDRE SMÅTING RADIOAKTIVITET RADIOAKTIVITET I BRUG ENERGI FRA KERNEN CAFE KOSMOS: RADIOAKTIVITET OG DIN KROP

MODUL 1-2: ELEKTROMAGNETISK STRÅLING

STUDENTEREKSAMEN MAJ 2007 Vejledende opgavesæt nr. 1 FYSIK A-NIVEAU. Xxxxdag den xx. måned åååå. Kl STX071-FKA V

Form bølgelængde ( frekvens (hertz = bølger/sekund)

Partiklers energitab i boblekammer. Mads Sørensen, Jacob Svensmark og Rune Boas 27. marts 2006

Projekt arbejde om ensretning, strømforsyninger og netladere (adapter til mobil telefon mv.) Projekt om lys eller lyd.

Vejledende opgaver i kernestofområdet i fysik-a Elektriske og magnetiske felter

Undervisningsbeskrivelse

Undervisningsbeskrivelse

Dansk Fysikolympiade 2007 Landsprøve. Prøven afholdes en af dagene tirsdag den 9. fredag den 12. januar. Prøvetid: 3 timer

Atomer, molekyler og tilstande 1 Side 1 af 7 Naturens byggesten

Atomer består af: elektroner (negativ ladning), protoner (positiv ladning) kernepartikler neutroner (neutrale). kernepartikler

Strålingsintensitet I = Hvor I = intensiteten PS = effekten hvormed strålingen rammer en given flade S AS = arealet af fladen

Dansk Fysikolympiade 2015 Udtagelsesprøve søndag den 19. april Teoretisk prøve. Prøvetid: 3 timer

Navn Kemi opgaver Klasse 9. b Side 1 af 9. Hvilke elementærpartikler indeholder kærnekræfter, som holder kernen sammen?

Læringsmål i fysik - 9. Klasse

Undervisningsbeskrivelse

Transkript:

Kernereaktioner 7 1 Energi og masse Ifølge relativitetsteorien gælder det, at når der tilføres energi til et system, vil systemets masse altid vokse. Sammenhængen mellem energitilvæksten og massetilvækstener givet ved Einsteins berømte relation mellem energi og masse:* 1.1 Energi og masse Når et system får en energitilvækst AE, vil systemets masse samtidig vokse med en tilvækst Am. Sammenhængen er givet ved AE= Am c 2 hvor c er lysets hastighed. Denne relation bruger vi på en atomkerne. Kernen består af Z protoner og N neutroner. Vi vælger nulpunktet for energien, så systemet har energien 0, når alle kernens nukleoner er i hvile uendelig langt fra hinanden. Vi forestiller os, at kernen er i grundtilstanden. For at splitte kernen ad, så vi når tilstanden med energien 0, skal vi tilføre en energi, som kaldes kernens bindingsenergi. Den betegnes Ebinding Når vi har tilført denne energi, er massen vokset fra mkerne til massen af Z frie protoner og N frie neutroner. Forskellen mellem massen af de frie nukleoner og massen af kernen kaldes kernens massedefekt. Navnet skyldes, at kernen»mangler«denne masse. Formel 1.1 giver følgende sammenhæng mellem massedefekt og bindingsenergi: 1.2 Massedefekt og bindingsenergi Sammenhængen mellem en kernes bindingsenergi Ebinding og kernens massedefekt mdefekt er givet ved Ebinding = mdefekt c 2 Sammenhængen mellem energi og masse og denne sammenhængs betydning i kernereaktioner er også omtalt i Fysikkens Verden 2, kap. 6, afsnit 4 og 5. Energi og masse 91

hvor mdefekt = (Z mp + N mn)-mkerne Her er mp massen af protonen og mn massen af neutronen. Energi -000""". 000- frie nukleoner --- --- kerne Masse Z mµ+n mn 1 mkerne mdefekt Figur 1. 1 Kernens massedefekt og bindingsenergi I tabeller finder man ofte atommassen matom i stedet for kernens masse mkerne Vi vil da bruge følgende formel 1.3 mkerne = matom - z. me hvor me er elektronens masse. Denne formel gælder med stor nøjagtighed, men den er strengt taget ikke helt korrekt, fordi der skal tilføres en (lille) energi for at dele atomet i en kerne og Z elektroner. I processer, hvor atomkerner omdannes, kan der ske ændringer i den totale masse, som er stor i forhold til nukleonernes masse. For kerneprocesser gælder, at hvis tilvæksten Am i den totale hvilemasse er negativ, så frigøres der energi. Hvis tilvæksten Am er positiv, så bindes der energi. Den energi, der frigøres eller bindes kaldes processens Q-værdi. Hvis der frigøres energi, er Q positiv, og processen kaldes exoterm. Hvis der bindes energi, er Q negativ, og processen kaldes endoterm. Alle radioaktive processer er exoterme, dvs. har positiv Q-værdi. 1.4 Q-værdi Hvis den totale hvilemasse ved en kernereaktion får en tilvækst Am, er processens Q-værdi givet ved Q = -Am c 2 Q-værdien er lig med tilvæksten i den kinetiske energi Q = AEkin Den første formel i 1.4 følger af formel 1.1 og energibevarelse. Den anden formel skyldes, at den energiændring, der er knyttet til en ændring af den totale hvilemasse, modsvares af en ændring i den kinetiske energi. Ved et radioaktivt henfald foregår kerneprocessen af sig selv. Der er derfor altid tale om frigørelse af energi ved et radioaktivt henfald. 92 Kernereaktioner

1.5 Eksempel: Q-værdi ved et ex-henfald Vi ser på et ex-henfald af radium til radon: Vi tænker os, at radiumkernen er i hvile før henfaldet. Vi vil beregne processens Q-værdi. L1m = mslut - mstart L1 m = m~ ;,rne + m~':ne - m~';,'ne Ved at bruge en tabel over atommasser får vi m~';,'ne = 226,025436 u - 88. me m~e,;ne = 222,017608 U - 86 me m~':ne = 4,002603 u - 2. me Ved beregning af massetilvæksten ser vi, at massen af elektronerne går ud. Resultatet bliver L1m = - 5,225 10-3 u Minustegnet viser, at der frigøres energi. Q-værdien er Q = -L1m c 2 =5,225 10-3 u c 2 Q = 5,225 10-3 931,5 MeV = 4,867 MeV Her har vi benyttet, at 1 u c2- = 931,5 MeV. Ved indtastning på en lommeregner, der f.eks. kun kan modtage 8 cifre, er det praktisk at undlade at indtaste tallene før kommaet i værdien af masserne. Disse må så klares for sig. 1.6 Eksempel: Q-værdi ved et p- -henfald Vi ser på et p- -henfald af bismuth til polonium: Vi sætter antineutrinoens hvilemasse til 0. Vi får derfor Af en tabel får vi m~rrne = 209,984130 u -83 me m~~rne = 209,982883 u - 84. me I dette tilfælde ser vi, at ved udregning med atommasserne går massen af elektronerne ud. Men hvis vi kendte kernemasserne, ville massen af en elektron indgå i udregningen. Resultatet er L1m = -1,247 10-3 u Minustegnet viser, at der frigøres energi. Q-værdien er Q = -Llm c 2 = 1,247 10-3 u c2 Q = 1,247 10-3 931,5 MeV = 1, 162 MeV Energi og masse 93

1.7 Eksempel: Q-værdi af p+-henfald Vi ser på et p+ -henfald af natrium til neon: Vi sætter neutrinoens hvilemasse til 0. Vi får derfor Af en tabel får vi m~-;:ne = 21,994436 u -11. me m~':,'" 0 = 21,991385 u-10. me Her går massen af elektronerne ikke ud. Vi får L1m = -3,051 10-3 u+2 me Da m 0 = 5,486 10-4 u giver dette Am = -1,954 10-3 u Minustegnet betyder, at der frigøres energi. Q-værdien er Q = - L1m c 2 = 1,954 10-3 u c2 Q = 1,954 10-3 931,5 MeV = 1,820 MeV 2 Kernereaktioner Man kender i dag et meget stort antal kerneprocesser, og mange hundrede forskellige atomkerner er fremstillet kunstigt i laboratorier. Radioaktive henfald er kerneprocesser, der sker spontant, dvs. af sig selv. En meget væsentlig del af de processer, man har undersøgt, og som man teknisk udnytter, sker i forbindelse med, at en kerne beskydes med andre kerner eller med nukleoner. Disse kerneprocesser kaldes kernereaktioner. Den først observerede kernereaktion foregik i et tågekammer*, hvor en a-partikel ramte en kvælstofkerne og derved dannede en iltkerne og en brintkerne dvs. en proton. Processen kan skrives: 2.1 the+ 1 tn ~ 1 ~0+fH Når heliumkernen i kollisionsøjeblikket kommer tæt på kvælstofkernen, vil nukleonerne i de to kerner i et meget kort tidsrum (omkring 10-2 0 s) delvist blande sig med hinanden. De fleste af nukleonerne bliver hængende ved den store kerne, således at der udover iltkernen kun bliver en proton tilbage. I visse kernereaktioner er selve kollisionsprocessen delt op i to dele. Når f.eks. en neutron skydes mod en 235 U-kerne, kan resultatet i første omgang blive dannelsen af en 236 U-kerne. Men denne kerne er meget ustabil, og efter ca. 1 o- 12 s spaltes den i to mindre Tågekammeret er omtalt i Fysikkens Verden 2, kap. 8, afsnit 3. 94 Kernereaktioner

kerner og et antal neutroner. Spaltningen af 236 U sker ikke på samme måde hver gang, og de følgende to processer er to blandt mange mulige: 2.2 2 ~iu + ån -> 2 ~~U* -> ~~Kr+ 1 1~Ba + 3 ån 2.3 2 ~iu + ån -> 2 ~~U* -> ~~Sr + 1 1~Xe + 2 ån Den kerne, der dannes i mellemstadiet i 2.2-3 (dvs. 236 U-kernen), kaldes en compoundkerne (compound= sammensætning). De to processer er eksempler på neutroninduceret fission, dvs. fission, der bliver startet af en neutron (fission = deling). Det er processer af denne type, der foregår i atomkraftværker. En kernereaktion, hvor to små kerner forenes til en større kerne, kaldes en fusion (fusion = sammensmeltning). Et eksempel på en fusion er følgende proces: 2.4 ~He+~He-> 1He+2 ih Det er fusionsprocesser af denne type, der foregår i Solens indre, og som danner grundlaget for Solens energiudstråling. 3 Bevarelsessætninger i kerneprocesser Når man ser på kerneprocesser, ser man på ændringer i stoffets mindste bestanddele. Det har vist sig, at der under disse ændringer er en række størrelser, der er bevaret. For alle kerneprocesser gælder, at den elektriske ladning er bevaret, og at den samlede energi og impuls er bevaret. Disse størrelser og deres bevarelse kender vi også fra makroskopiske processer. Desuden har det vist sig, at det samlede antal nukleoner er det samme før og efter processen. Det såkaldte leptontal er også bevaret i kerneprocesser. Leptontallet omtales nærmere i afsnit 5. 3.1 Bevarelsessætninger Ved enhver kerneproces gælder, at 1 Den samlede energi er bevaret 2 Den samlede impuls er bevaret 3 Den samlede elektriske ladning er bevaret 4 Det samlede antal nukleoner er bevaret 5 Det samlede leptontal er bevaret I den samlede energi indgår både den energi, der er knyttet til massen, og den kinetiske energi. I processer, hvor massen aftager, bliver den tilsvarende frigjorte energi til kinetisk energi af de forskellige partikler. Denne frigjorte energi fordeles på en sådan måde, at den samlede impuls er bevaret. Bevarelsessætninger i kerneprocesser 95

Kerneenergiens udnyttelse 8 1 Fissionsprocesser Alle verdens nuværende kernekraftværker udnytter fissionsprocessen. Det har vist sig, at de kerner, der er mest velegnede til spaltning i kernereaktorer er uranisotopen 235 U og plutoniumisotopen 239 Pu. Fissionen i disse kerner kan ske dels ved spontan fission (dvs. af sig selv) og dels ved neutroninduceret fission (dvs. ved fission, der startes af en neutron). Sandsynligheden for spontan fission er meget lille, og den spiller ikke nogen væsentlig rolle i en kernereaktor. Den neutroninducerede fission kan skrives på følgende måde: 1.1 235U +ån-+ 236 U-+ x+ y +neutroner 1.2 239Pu + ån -+ 240 Pu -+ X+ Y +neutroner Fissionen starter ved at kernen f.eks. 235 U opfanger en neutron. Derved dannes en 236 U-kerne. Denne kerne eksisterer kun i et kort tidsrum (ca. 10-12 s), hvorefter den spaltes i to kerner og måske 2 eller 3 neutroner. I processerne 1.1 og 1.2 er det ikke muligt at forudsige præcis hvilke kerner X og Y eller hvor mange neutroner, der kommer ud af processen. I de fleste tilfælde viser det sig, at den ene kerne X har et massetal omkring A = 100, og at den anden kerne Y har et massetal omkring A = 140. (Se figur 1.1.) Det gennemsnitlige antal neutroner i sluttilstanden både i 1.1 og 1.2 er ca. 2,5. Formlerne 2.2 og 2.3 i kap. 7 viser to muligheder for processen 1.1. Den gennemsnitlige bindingsenergi pr. nukleon er større i spaltningsprodukterne end i uran og plutonium. Derfor bliver der frigjort energi i fissionsprocesserne. Den frigjorte energi er processens Q-værdi, der viser sig som en tilvækst i kinetisk energi. I fissionsprocesser af typerne 1.1og1.2 vil de fleste fissionsprodukter X og Yvære radioaktive. Deres henfald bidrager derfor også til energiproduktionen. Både i 1.1 og i 1.2 frigøres der for hver fission en samlet energi på ca. 200 MeV. 114 Kerneenergiens udnyttelse

hyppighed 10% ---..--...---,.---..--...----.--...---..---1,..._-...-- 80 100 120 140 160 Figur 1.1 Fordelingen af massetallene for fissionsprodukterne X og Y massetal A i processen 1.1. 2 Kædereaktioner Vi så i afsnit 1, at der i gennemsnit er ca. 2,5 neutroner blandt slutprodukterne ved fission af 235 U og 239 Pu. Hvis processen sker i en klump med stor koncentration af f.eks. 2 35 U, kan disse neutroner blive opfanget af nye 235 U og derved forårsage nye fissionsprocesser. Herved produceres endnu flere neutroner, der igen kan starte nye fissionsprocesser. På denne måde kan man starte en kædereaktion som den på figur 2.1. Kædereaktionen kan kun finde sted, fordi antallet af producerede neutroner i hver fissionsproces er større end 1. Desuden skal klumpen indeholde tilstrækkeligt mange 235 U-kerner til, at der er stor sandsynlighed for, at de producerede neutroner bliver absorberet i disse kerner uden at slippe forbi dem og væk. Det n n n +23su _ 236u ~X n +235u - 236u ~~ 4E"x ~n+ 23su- 23su X 23s 23s n n+ u- U Y n+ 23su- 23su~~ n +235u - 236u ~ ~+ 235LJ- 236LJ ~~ ~Y n Y n + 235LJ - y n 236u ~y"x \X-: Figur 2.1 n n En kædereaktion. Kædereaktioner 11 5