atomfysik.notebook

1

September 11, 2012

Atom­ och kärnfysik

HT År 9

Hur är atomerna uppbyggda?

Elementarpartiklar

Atomnummer

Masstal

Periodiska systemet

Fotoner

Isotoper

Protoner

Neutroner

Elektroner

Radioaktivitet

Sönderfall

Halveringstid

Strålning

Fisson

Fusion

Kärnvapen

Kärnkraftverk

atomfysik.notebook

2

September 11, 2012

Atomen* De allra flesta ämnen är uppbyggda av två eller tre olika sorters atomer.

* Ett ämne som bara består av en sorts atomer kallas grundämnen .

* Alla atomer är uppbyggda av tre slags elementarpartiklar . Protoner (+) Neutroner (0) Elektroner (­)

* I kärnan  finns protoner och neutroner och utanför befinner sig elektronerna.

* En atom har alltid lika många  elektroner som protoner

atomfysik.notebook

3

September 11, 2012

atomfysik.notebook

4

September 11, 2012

Elektronskal

För att förstå hur elektronerna runt en atomkärna fungerar så är det lättast att tänka sig att de 

befinner sig i skal runt kärnan.

K = 2 elektronerL = 8 elektronerM = 18 elektronerN = 32 elektroner

atomfysik.notebook

5

September 11, 2012

Rita upp följande grundämnen:

Syre ­ O (Nummer 8 i periodiska systemet.)

Neon ­ Ne (Nummer 10)

Klor  ­ Cl (Nummer 17)

atomfysik.notebook

6

September 11, 2012

atomfysik.notebook

7

September 11, 2012

Periodiska systemet

* Är uppbyggt av Grupper  (lodräta) och Perioder  (vågräta)

* Alla ämnen i en grupp har lika många valenselektroner och har liknande egenskaper. 

* Alla ämnen i en period har lika många elektronskal.

Grupp 1  ­ Väte och alkaligruppen.  1st Valenselektron ­ bildar 1+ joner (ex H+)

Grupp 2  ­ Alkaliska jordartsmetaller . 2st Valenselektroner ­ bildar 2+ joner (ex Na2+)

Grupp 17  ­ Halogenerna. 7st Valenselektroner ­ bildar 1­ joner. (ex Cl­)

Grupp 18  ­ Ädelgaserna. 8st Valenselektroner. Ädelgasstruktur  ­ bildar inte joner.

http://www.youtube.com/watch?v=cqeVEFFzz7E&feature=player_detailpage

http://www.youtube.com/watch?v=r7hO­1ItqXw

atomfysik.notebook

8

September 11, 2012

Väte ­ den enklaste atomen

* Väte (H) ­ det vanligaste ämnet i universum.

* Består av enbart en proton och en elektron

* Nummer 1 i det periodiska systemet

Kom ihåg!Alltid lika många elektroner

som protoner!

atomfysik.notebook

9

September 11, 2012

Atomnummer och masstal

* Atomnummer  = antalet protoner (visar vilket grundämne det är)

* Masstal  = Sammanlagda antalet protoner och neutroner

atomfysik.notebook

10

September 11, 2012

En annan sorts väteatom?

En normal Väteatom ­ en proton och en elektron.

Atomnummer = 1 (antalet protoner)Masstal = 1 (sammanlagda antalet protoner och neutroner)

Vad händer om man lägger till en neutron ?

Atomnummer = 1Masstal = 2 

Ämnet är fortfarande Väte (samma atomnummer) men masstaletär olika därför kallas detta för en isotop .

Kom ihåg!Alltid lika många elektroner

som protoner!

atomfysik.notebook

11

September 11, 2012

Isotoper

Två ämnen som samma antal protoner men olika  antal neutroner kallas isotoper.

Isotoperna har samma atomnummer men olika  masstal.

De har alltid  samma antal elektroner.

De har ofta samma kemiska egenskaper men i fysiken kan en extra neutron göra stora skillnader.

atomfysik.notebook

12

September 11, 2012

Vad kan vi få fram genom att titta på denna bild?

atomfysik.notebook

13

September 11, 2012

1. Gör Minns du? 1­5 på sid 249 i fysikboken.

2. Gör uppgift 1­3 på sid 246 i fysikboken.(Använd dig av ett periodiskt system som hjälp.)

3. Gör sid 1­4 i frågehäftet.

Kom ihåg!Alltid lika många elektroner

som protoner!

Kom ihåg!* Atomnummer  = antalet protoner (visar vilket 

grundämne det är) (Nere)

* Masstal  = Sammanlagda antalet protoner och neutroner(Uppe)

Kom ihåg!Två ämnen som samma  antal protoner 

men olika  antal neutroner kallas isotoper .

atomfysik.notebook

14

September 11, 2012

JonerJon = En "atom" som är laddad.

Överskott på elektroner = minusladdningÖverskott på protoner = plusladdning

En atom strävar alltid efter att få ädelgasstruktur  ­ att få sitt yttersta skal fullt. 

Detta kan man få genom att ta till sig eller släppa ifrån sig elektroner.

Vad ska Natriumjonen göra för att få ettyttersta skal fullt?

atomfysik.notebook

15

September 11, 2012

Hur bildas det negativa joner?

Vad gör kloratomen för att yttersta skalet ska bli fullt?

atomfysik.notebook

16

September 11, 2012

Jonbindning 

Bildas när en metall och en icke­metall reagerar med varandra. 

atomfysik.notebook

17

September 11, 2012

Elektronparbindning ­ Kovalentbindning

När en ickemetall reagerar med en ickemetall så bildas inga joner. Istället delar de på valenselektronerna för att fylla sitt yttersta skal.

atomfysik.notebook

18

September 11, 2012

Vatttenmolekylen ­ ett exempel på elektronparbindning

atomfysik.notebook

19

September 11, 2012

Radioaktivitet

En del atomkärnor är inte stabila och faller därför sönder.

När detta sker så sänder de ut strålning och vi kallar dem för radioaktiva

Ju större atomkärna desto större risk är det att ämnet är radioaktivt.

Exempel: Uran­238, Radon ­222, Polonium ­210, Cesium­137, Plutonium­244, Kol­14.

Sönderfallet mäts i becquerel (Bq). 1 Bq = 1 atomsönderfall per sekund.

1kBq = 1000 kärnor sänder ut strålning/sekund

Radio = Strålning

atomfysik.notebook

20

September 11, 2012

Strålning

Det finns tre olika typer av strålning:

Alfa ­  α

Beta ­ βGamma ­ γ

atomfysik.notebook

21

September 11, 2012

Alfastrålning ­  α * Består av 2 neutroner och 2 protoner ­ kallas för 

en alfapartikel.

* En alfapartikel är helt enkelt en heliumkärna. 

* Eftersom det försvinner 2 protoner så bildas det ett nytt ämne efter sönderfallet.

Uran­238 Thorium­234

238U92

234Th90

* Alfastrålning innehåller relativt lite energi och kan inte gå igenom huden.

* Alfastrålningen är inte farlig om de kommer från föremål utanför kroppen men om du skulle äta eller andas in ämnen som ger ifrån sig strålning kan det vara mycket farligt.

Masstalet minskar med 4 Atomnumret minskar med 2

atomfysik.notebook

22

September 11, 2012

Betastrålning ­ β* Betastrålningen består av elektroner. 

* En betapartikel består av en elektron som kastas ut ur kärnan med mycket hög hastighet.

* En nutron från kärnan omvandlas till en proton och en elektron. Elektronen "skjuts" ut och 

protonen stannar i kärnan.

209 Bi ­> 209Po + e­83     84

* Betastrålningen har längre räckvidd än alfastrålning och kan tränga igenom tunn metall.

Atomnumret ökar med 1 och masstalet är oförändrat!

atomfysik.notebook

23

September 11, 2012

Gammastrålning ­ γ* När atomkärnor sänder ut alfa eller betapartiklar brukar de 

också sända ut gammastrålning.

* Gammastrålningen består inte av elementarpartiklar utan är en elektromagnetisk strålning precis som solljus eller UV­

ljus.

* Den har mycket lång räckvidd och tränger igenom metertjocka väggar av betong och är mycket svår att skydda 

sig mot.

atomfysik.notebook

24

September 11, 2012

Masstalet minskar med 4 Atomnumret minskar med 2

Masstalet oförändratAtomnumret ökar med 1

Elektromagnetisk strålning

atomfysik.notebook

25

September 11, 2012

Varför är strålningen farlig?

* Strålning från radioaktiva ämnen kan göra att elektroner slås bort från atomer. Då bildas joner istället som gärna 

reagerar med andra joner.

* Man kallar det för joniserande strålning.

* Alla tre typer av strålning är joniserande strålning.

* Detta kan skada cellerna i kroppen och orsaka cancer och blodbrist.

* Används inom sjukvården för sina celldödande egenskaper. T.ex inom strålbehandling av cancer. 

atomfysik.notebook

26

September 11, 2012

Halveringstid

* En atomkärna kan bara sända ut strålning en enda gång. Eftersom den vid sönderfallet omvandlas till ett nytt 

grundämne.

* I många fall är också det nya ämnet radioaktivt vilket gör att det i sin tur också sönderfaller.

Halveringstid = den tid det tar för hälften av ett ämnes atomer att sönderfalla och ge ifrån sig strålning. 

Polonium­210 har en halveringstid på 20 veckor. 

8 st Polonium­210 atomer Efter 20 veckor har hälften av atomernasänt ut strålning och omvandlats till blyatomer. Den andra hälften 

ärr fortfarande radioaktiv.Men strålningen har minskat till hälften.

Efter ytterligare 40 veckor(2 halveringstider) så finns det

bara en fjärdedel av atomerna kvar.Dessa är fortfarande radioaktiva.

atomfysik.notebook

27

September 11, 2012

Halveringstid

* Olika ämnen har olika lång halveringstid.

Radon­222 = 4 dagarPolonium­210 = 20 veckor

Cesium­137 = 30 årKol­14 = 5700 år

Plutonium­244 = 80 000 000 årUran­238 = 4500 000 000 år

* Radioaktivt avfall från kärnkraftverk innehåller en del isotoper med långa 

halveringstider. Därför måste man förvara avfallet under mycket lång tid.

Halveringstid =  den tid det tar för hälften av ett ämnes atomer att 

sönderfalla och ge ifrån sig strålning.  

atomfysik.notebook

28

September 11, 2012

Kol­14 Metoden

* En mycket liten del av luftens koldioxid består av kol isotopen Kol­14.

* Eftersom de gröna växterna tar upp koldioxid ur luften tar de alltså även upp kol­14 i samma proportion som det 

finns i koldioxiden.

* Eftersom människor och djur äter växter så innehåller även vi kol­14 isotoper.

* När en organism dör så slutar den att ta upp kol och mängden kol­14 minskar i takt med att atomerna 

sönderfaller och sänder ut betastrålning.

* Genom att mäta den mängd strålning som en död organism sänder ut så kan man på ett ungefär avgöra när 

organismen levde.

* Man vet nämligen att Kol­14 har halveringstiden 5700 år.

* Kol­14 metoden gör det alltså möjligt att bestämma åldrar upp till 10000­tals år.

http://virtuelgalathea3.dk/artikel/aldersbestemmelse­kulstof­14­metoden

Ismannen Ötzi ­ ca 5000 år gammal

atomfysik.notebook

29

September 11, 2012

AlfaMasstalet minskar med 4 Atomnumret minskar med 2

BetaMasstalet oförändratAtomnumret ökar med 1

Halveringstid =  den tid det tar för hälften av ett ämnes atomer att 

sönderfalla och ge ifrån sig strålning.  

GammaElektromagnetisk strålning

Kol­14 MetodenGenom att mäta den mängd strålning som en död organism sänder ut så kan man på ett ungefär avgöra när organismen levde.

Kol 14 ­ halveringstid = 5700 år

1. Nu ska du kunna göra Minns du? Uppgift 6­9 på sid 249.2. Du kan även testa Förstår du? 2 och 5 på sid 249.3. Du kan även göra sida  5­8 i häftet.

atomfysik.notebook

30

September 11, 2012

FissionFission

Fission = klyvning

1. Om man skjuter en neutron på vissa stora tunga atomkärnor så kan den "fria" neutronen klyva atomkärnan.

2. Först bildas en mellanform som är instabil och faller sönder.

3. Då bildas det två "medeltunga" atomkärnor, fria neutroner och en stor mängd energi.

* Energin kallas för kärnenergi  och gör så att resterna får hög fart och vi kan använda det som energikälla.

atomfysik.notebook

31

September 11, 2012

235U + 1 neutron → 236U → 92Kr + 141Ba + 3 neutroner + energi + γ­strålning

I ett kärnkraftverk och vid kärnvapentillverkning så används ofta isotoper av Uran och Plutonium.

Uran ­ 235 och Plutonium ­239 är de vanligaste.

Klyvningsprodukterna från fissionen blir här krypton och barium, två ämnen som är starkt radioaktiva. Andra klyvningsprodukter kan vara  131I (Jod­131), 137Cs (Cesium­137) och 90Sr (Strontium­90).

Kärnbränsle

atomfysik.notebook

32

September 11, 2012

KedjereaktionerEftersom det bildas fria neutroner med hög hastighetvid klyvningen så kan de i sin tur slå sönder nya kärnor. 

Då bildas det nya fria neutroner som slår söndernya atomkärnor.

Detta kallas kedjereaktion och används inom både kärnkraft och kärnvapen.

atomfysik.notebook

33

September 11, 2012

Ringhals ­ Nordens största elfabrik

Ringhals är ett kärnkraftverk med både kokvatten och tryckvattenreaktorer.

Det har fyra reaktorer som under ett normalt år producerar ca 20% av all el som används i Sverige.

Den första reaktorn togs i drift 1975 och den sista 1983. De moderniseras och beräknas hålla i många år till.

Men hur fungerar de?

atomfysik.notebook

34

September 11, 2012

Kärnkraftverk

Det finns två  olika sorters reaktorer. Tryckvattenreaktor som är vanligast och kokvattenreaktor.  

Tryckvattenkokare

Kokvattenreaktor

I båda sorterna så använder man oftast Uran­235 som bränsle. 

Uranet klyvs med hjälp av fission och då bildas det kärnenergi som kan omvandlas till värme som kan driva elektriska generatorer som producerar el.

atomfysik.notebook

35

September 11, 2012

Kärnkraft ­ bra eller dåligt?

Fördelar  Låga utsläpp, låg produktionskostnad, stabil, effektiv produktion.

Nackdelar  Hög investeringskostnad, hög komplexitet, kräver omfattande säkerhetshantering, det använda kärnbränslet är radioaktivt och kräver lagring mycket lång tid, uranbrytningens miljöpåverkan måste hanteras.

Slutförvaring ­ hur tar man hand om avfallet?

atomfysik.notebook

36

September 11, 2012

FusionFusion = sammanslagning

Fusion är motsatsen till fission.

Fusion är en naturlig process somförekommer i stjärnorna, där Väteisotoper slås samman till Helium.Då bildas det energi (rörelseenergi)som fungerar som stjärnans energikälla.

För att fusion ska kunna ske så krävsextremt tryck och temperatur. 

Något man inte lyckats skapa på jorden förutom i vätebomber.

Men lyckas man kan framtidens energiproblem vara lösta.

atomfysik.notebook

37

September 11, 2012

Kärnvapen

Kärnvapen är kraftfulla bomber som får sin energi genom antingen fission (atombomber) eller fusion (vätebomber). "Normala bomber" får sin energi från olika kemiska processer.

Många kärnvapen har provsprängts genom åren men bara två har använts i krig. Atombomberna över som USA släppte över Hiroshima och Nagasaki i Augusti 1945.