---

Atom- och kärnfysik

Materiens uppbyggnad

I tusentals år har människan undrat över hur materien egentligen är uppbyggd. Några menade att om man delade till exempel en sten i mindre och mindre delar, så skulle varje del vara uppbyggd på samma sätt. Bara man hade tillräckligt bra verktyg, så kunde delarna bli hur små som helst.

Andra menade att det måste finnas en minsta beståndsdel, som allt är uppbyggt av. Den tanken väcktes för mer än 2 500 år sedan. Den grekiska filosofen Demokritos använde ordet atomos, som på svenska betyder odelbar.

De gamla grekerna kunde bara fundera och fantisera om dessa frågor. De hade inga möjligheter att bevisa sina påståenden. Först för cirka 100 år sedan började forskarna på allvar ana hur materien är uppbyggd.

Den delbara atomen

Man kom då fram till att det finns en minsta beståndsdel, som bygger upp all materia. Den kallades för atom. Men nya experiment visade att atomen i sin tur är uppbyggd av ännu mindre partiklar. Rutherford , Crookes, Goldstein och Thomson är fyra forskare, som bidragit till att ge oss en enkel bild av en atom.

Atomen består av en atomkärna i centrum med ett antal elektroner roterande runt kärnan. Mellan kärnan och elektronerna är det tomrum.

Numera vet vi att atomkärnan i sin tur är uppbyggd av ännu mindre partiklar. De viktigaste är protonen och neutronen. Protonen är positivt laddad. Neutronen är neutral, det vill säga oladdad.

Elektronen däremot är negativt laddad. Elektronens negativa laddning är precis lika stor som protonens positiva. Eftersom atomkärnan innehåller protoner och neutroner, är den positivt laddad.

Atomer och joner

En atom har alltid lika många elektroner runt kärnan som protoner i kärnan. De positiva och negativa laddningarna tar då ut varandra. Atomen som helhet är alltså oladdad.

Om en atom förlorar en eller flera elektroner får den ett underskott av negativa laddningar. Den blir då positivt laddad. Den har blivit en positiv jon. Om atomen istället fångar in en eller flera elektroner, får den ett överskott av negativa laddningar. Den har då blivit en negativ jon.

Atomnummer och masstal

Vi sa att atomkärnan innehåller protoner och neutroner. De olika grundämnenas kärnor innehåller olika antal protoner och neutroner. Antalet protoner i kärnan anger ämnets atomnummer. Det sammanlagda antalet protoner och neutroner i kärnan anger masstalet.

Varje grundämne har ett kemiskt tecken som består av en eller två bokstäver, till exempel O för syre och Au för guld. Ibland skriver man tecknet med atomnumret nere till vänster och masstalet uppe till vänster om det kemiska tecknet.

För att beteckna kol, med det kemiska tecknet C, masstalet 12 och atomnumret 6 skriver man alltså , men eftersom detta kan vara svårt att göra på en dator nöjer man sig ofta med att skriva C – 12 eller bara C.

De enklaste grundämnena

Grundämnenas atomer är mycket logiskt uppbyggda. Den enklaste atomen har bara en enda proton i kärnan. Den näst enklaste har två. Nästa har tre, och så vidare. Dessutom har alla atomer utom vanligt väte ett antal neutroner i kärnan.

Det allra enklaste grundämnet är vanligt väte. Kärnan består av bara en enda proton och ingen neutron. Runt kärnan kretsar en enda elektron. För att beteckna väte, med det kemiska tecknet H, masstalet 1 och atomnumret 1 skriver man eller H – 1 eller bara H.

Nästa grundämne är helium. Masstalet 4 betyder att det sammanlagt finns fyra protoner och neutroner i heliumkärnan. Atomnumret 2 betyder att heliumkärnan har två protoner. Runt kärnan kretsar 2 elektroner. För att beteckna helium skriver man eller He – 4 eller bara He.

Nästa grundämne är litium med atomnummer 3 och masstalet 6. För att beteckna litium skriver man eller Li – 6 eller bara Li.

Nästa grundämne har fyra protoner i kärnan. Det som kommer därefter har fem. Och så fortsätter det till tyngre och tyngre atomkärnor. Urankärnan innehåller 92 protoner.

Antalet neutroner i en atomkärna kan variera. Om man vet atomnummer och masstal, kan man räkna ut antalet neutroner i kärnan genom att dra bort atomnumret från masstalet. Till exempel har uran 234 – 92 = 142 neutroner.

Isotoper

Många grundämnen förekommer i flera isotoper. Det betyder att ett och samma grundämne har olika antal neutroner i kärnan. Antalet protoner är alltid detsamma, därför har isotoper av samma grundämne samma atomnummer. Men eftersom antalet neutroner varierar, kommer masstalet att variera.

Väteatomen förekommer med en och i vissa fall två neutroner i kärnan. Man säger att väte finns i tre isotoper. Den väteisotop som har en neutron i kärnan kallas tungt väte eller deuterium. Den väteisotop som har två neutroner i kärnan kallas extra tungt väte eller tritium.

Alla tre väteisotoperna har en proton och därför atomnummer 1. De har alla en elektron som kretsar runt kärnan. Men eftersom de har olika antal neutroner har de också olika masstal och kan skrivas H – 1, H – 2 och H – 3.

Några andra isotoper

Ett annat exempel på ett grundämne som finns i flera isotoper är kol. Alla kolatomer har 6 protoner i kärnan. Antalet neutroner kan vara antingen 6 eller 8. Det betyder att masstalet kan vara 6 + 6 = 12 eller 6 + 8 = 14. Man skriver då kol som C – 12 eller C – 14

Uran finns, liksom väte, i tre olika isotoper. Men i varje urankärna, oavsett hur många neutroner den innehåller, finns 92 protoner och runt om kärnan kretsar 92 elektroner. Alla uranisotoperna har alltså atomnummer 92. Antaler neutroner varierar däremot. Det kan vara 142,143 eller 146. Masstalet kan därför vara 234, 235 eller 238.

Grundämne – Kemisk förening

Den minsta byggstenen hos ett grundämne kallas som sagt atom. Hos ett grundämne har alltid alla atomer lika många protoner i kärnan. Det finns lite över hundra grundämnen. De tyngsta grundämnena är framställda på konstgjord väg. Några viktiga grundämnen är : Väte H, kväve N , kol C , syre O, järn Fe, koppar Cu och silver Ag.

Byggstenen hos en kemisk förening kallas molekyl. Den är uppbyggd av två eller flera atomer. Hos en kemisk förening finns alltid atomer med olika antal protoner i kärnorna. Det finns nästan oändligt många olika kemiska föreningar. Exempel på några viktiga kemiska föreningar är : Vatten H2O, koldioxid CO2 och koksalt NaCl.

Radioaktiva ämnen

Radio betyder strålning. Radioaktiva ämnen är ämnen som sänder ut strålning.

I atomkärnan finns oladdade partiklar, neutroner, och positivt laddade partiklar, protoner. Lika elektriska laddningar stöter bort, repellerar, varandra. Alla grundämnen utom väte har fler än en proton i kärnan. Alltså borde den elektriska kraften mellan protonerna spränga atomkärnan.

Att detta inte sker betyder att det måste finnas ytterligare en kraft inne i atomkärnan, som verkar sammanhållande. Den kraften kallas kärnkraft. Det är en mycket stark kraft med ytterst kort räckvidd. Den verkar bara inne i själva atomkärnan.

Man kan säga att det råder en kamp inne i atomkärnan mellan den repulsiva elektriska kraften och den sammanhållande kärnkraften. I de flesta fall segrar kärnkraften. Men i några fall vinner den elektriska kraften och kärnan splittras. Dessa ämnen är radioaktiva.

Hos radioaktiva ämnen faller atomkärnorna sönder av sig självt.

Halveringstid

Den tid det tar för hälften av ett ämnes atomkärnor att falla sönder kallas halveringstid. Halveringstiden varierar hos olika ämnen, från bråkdelen av en sekund till flera miljoner år.

En isotop av cesium har en halveringstid på omkring 30 år. Om man vid ett tillfälle har 4 kg av denna isotop, har man 2 kg efter 30 år. När ytterligare 30 år har gått, finns det kvar 1 kg cesium. Får det gå 30 år till, finns där bara kvar 0,5 kg.

Tre olika typer av strålning från radioaktiva ämnen

När atomkärnorna hos radioaktiva ämnen faller sönder, sänder de ut strålning, som kan vara av tre olika slag: De kallas alfastrålning, betastrålning och gammastrålning.

Alfastrålning :   Vid alfasönderfall lämnar två protoner och två neutroner samtidigt atomkärnan. Atomnumret minskar alltså med två och masstalet med fyra. Eftersom två protoner försvunnit och atomnumret ändrats, har vi inte kvar samma grundämne som från början.

Alfastrålningen består av de två protonerna och de två neutronerna, som hänger samman i en klump .Den kallas ofta för alfapartikel. Alfastrålningen har kort räckvidd i luft och stoppas av huden. Den kan ända vara farlig.

Om det radioaktiva ämnet är i gasform, kan du andas in det i lungorna. Där är vävnaderna mycket känsligare än i huden. De fina vävnaderna skadas av alfastrålningen. Radon är exempel på ett radioaktivt ämne i gasform.

Betastrålning :  Vid betasönderfall omvandlas en neutron i kärnan till en proton och en elektron. Protonen stannar kvar i atomkärnan. Elektronen lämnar kärnan i form av betastrålning. Betastrålning består alltså av elektroner. Eftersom kärnan får en proton till, ökar atomnumret med ett. Det har alltså bildats ett nytt grundämne. Masstalet är oförändrat.

Betastrålning har större genomträngningsförmåga än alfastrålning. Betastrålning kan nå 20 meter i luft. Den kan gå en cm i levande vävnad. Plexiglas och centimetertjock betong kan stoppa betastrålning. Kol – 14 och Cesium – 134 är exempel på radioaktiva ämnen, som sänder ut betastrålning.

Gammastrålning :   Gammastrålning är en mycket kortvågig och energirik elektromagnetisk vågrörelse, som kommer från atomkärnan. Den har mycket stor genomträngningsförmåga. Den kan stoppas med tjock bly och betong.

Joniserande strålning

Strålning som är så energirik att den kan slå ut en elektron från atomen kallas för joniserande strålning. Det är alltså strålning som har förmågan att göra joner av atomer. Exempel på sådan strålning är alfastrålning, betastrålning, gammastrålning, neutronstrålning och röntgenstrålning.

Stråldos och aktivitet

Stråldos är ett mått på hur mycket energi från joniserande strålning, som en levande kropp tar upp per kilo. Enheten för stråldos är sievert, förkortat Sv. 1 Sv = 1 J / kg. En sievert är en stor enhet. Stråldos brukar därför ofta anges i millisievert. En millisievert = 0,001 sievert.

Aktivitet är ett mått på antalet sönderfall hos en strålningskälla per sekund. Här är enheten becquerel. Ett sönderfall per sekund kallas 1 becquerel. Ofta talar man om becquerel per kilo. Stråldos hänger alltså ihop med mottagaren av joniserande strålning och aktivitet hör ihop med själva strålkällan.

Bohrs atommodell

Om man låter ljus från upphettad vätgas passera genom ett prisma eller gitter, får man inte ett kontinuerligt spektrum som från en vanlig lampa. I stället ser man ett par färgade linjer mot en mörk bakgrund. Detta kallas för ett linjespektrum. Den som lyckades förklara detta fenomen var den danske fysikern Niels Bohr.

Bohr menade att runt atomkärnan finns flera banor, eller skal, på olika avstånd från kärnan, som elektronerna kan färdas i. Skalen har olika energinivåer. Det innersta skalet har den lägsta energinivån. Det näst innersta den näst lägsta, och så vidare.

Normalt befinner sig vätets enda elektron i det innersta skalet, där den alltså har så liten energi som möjligt. Nu kan elektronen av någon anledning stötas ut till ett yttre skal. Den har då lagrat lite energi. Man säger att atomen är exiterad.

Elektronen strävar alltid efter att uppnå minsta möjliga energinivå. Den hoppar därför från ett yttre skal till ett inre. Den förlorar då den lagrade energin. Den förlorade energin skickas iväg i form av en elektromagnetisk vågrörelse. Ju längre hopp elektronen har gjort desto mer energi har den förlorat.

Energi som ljus

Hög energi hos en elektromagnetisk vågrörelse medför kort våglängd. Låg energi medför lång våglängd. Synligt ljus är en elektromagnetisk vågrörelse med våglängder mellan cirka 4 000 ångström och 7 000 ångström. En ångström , Å, är en mycket kort sträcka. 1 Å = 10^–10 m.

Ju kortare våglängden är, desto mer närmar sig färgen på ljuset violett. Längre våglängder närmar sig rött. De färgade linjer man får från upphettad vätgas är en röd och en grön. Den röda linjen, H , uppkommer när elektroner hoppar från det tredje skalet till det andra. Det måste till massor av hopp för att ljuset ska bli så kraftigt att man kan se det.

Den gröna linjen, H , uppstår då elektroner hoppar från det fjärde skalet till det andra. Eftersom H innebär ett längre hopp än H , är energiförlusten större vid H än vid H . Därför är våglängden hos H kortare än hos H . Rött ljus har längre vågländ än grönt.

Anledningen till att det är svart mellan de färgade linjerna är att elektronbanorna ligger på vissa bestämda avstånd från atomkärnan. Då kan elektronerna bara göra hopp av vissa bestämda längder. De kan alltså bara förlora vissa bestämda energimängder. Mot dessa bestämda energimängder svarar vissa bestämda våglängder. Våglängden hos H är 6560 Å och hos H 4860 Å.

Röntgenstrålning

När elektroner hoppar från ett yttre skal till ett inre skal förlorar de energi. Den största energiförlusten görs vid hopp till det allra innersta skalet. Energiförlusterna är så stora att den elektromagnetiska vågrörelsen, som skickas ut, är för kort för att hamna inom den synliga delen av spektret. Strålning som uppstår på detta sätt kallas röntgenstrålning.

Röntgenstrålning är egentligen av samma typ som synligt ljus. Den innehåller bara mer energi och har kortare våglängd. Energin hos röntgenstrålning är så hög att den tränger igenom mjukare material, som delar av människokroppen. Röntgenstrålningen hör till den joniserande strålningen.

Faran med joniserande strålning

Vanliga celler kan omvandlas till cancerceller om de utsätts för för stora mängder av joniserande strålning. Det beror på att strålningen har så hög energi att den sätter cellens normala funktioner ur spel. Gammastrålning, som har högst energi, är den farligaste. Det är också den som det är svårast att skydda sig mot. Strålningen kan också ge upphov till missbildade foster eller sterilitet.

Strålning inom sjukvården

Trots att strålningen kan vara farlig kan den under kontrollerade former komma till stor nytta, till exempel inom sjukvården:

Röntgenstrålning används för att upptäcka brott eller sprickor i benstommen. Den kan också användas för att finna tumörer eller hål i tänderna.

Genom att tillföra kroppen en radioaktiv isotop av jod, kan man se hur mycket jod sköldkörteln tar upp.

Man kan också föra in ett radioaktivt ämne i blodet och på så sätt följa hur blodet strömmar genom kroppen.

Ett annat viktigt område är att bestråla cancertumörer. Så att de dör eller åtminstone hålls under kontroll.

Atombomben

Principen för atombomben bygger på Albert Einsteins idé om att materia kan omvandlas till energi till exempel i form av värme och strålning. Detta sker enligt den berömda formeln:

E = mc²

E = energin i joule
m = massan i kg
c = ljusets hastighet i m/s

Ljusets hastighet är 300 000 000 m/s. Uttrycket c² är alltså ett mycket stort tal, närmre bestämt 9 · 10¹⁶ = 90 000 000 000 000 000. Det betyder att om bara lite materia kan omvandlas till energi, skulle man få enorma energimängder. Denna kunskap låg till grund för utvecklandet av atombomben.

Principen för en atombomb

Om man lyckas klyva en atomkärna av uranisotopen U – 235, försvinner lite massa. Den massan omvandlas till energi. Men ska man klyva en atomkärna måste verktyget vara av partikelstorlek. Neutronen är en lämplig partikel för detta. Men den måste ha rätt hastighet när den träffar kärnan. Annars blir det ingen klyvning. Normalt har neutronerna för hög hastighet. Därför får neutronen passera genom en moderator för att få rätt hastighet. Moderatorn kan vara tungt vatten eller grafit.

När nu neutronen träffar och tränger in i urankärnan klyvs denna. Då bildas två klyvningsprodukter och två till tre nya fria neutroner. Klyvningsprodukterna kan vara i princip vilka atomkärnor som helst. Man vet inte på förhand vilka klyvningsprodukterna blir. Många är radioaktiva.

De fria neutronerna kolliderar med andra urankärnor, som i sin tur klyvs och ger upphov till nya klyvningsprodukter och nya fria neutroner. Detta kallas för en kedjereaktion.

Nu visar det sig att de partiklar som bildas efter klyvningen av atomkärnan väger lite mindre än de partiklar, som fanns från början. Vid varje kärnklyvning omvandlas lite massa till energi. Det är den energin som frigöres när mängder av atomkärnor klyvs, som utgör atombombens styrka.

Vätebomben

Om man i stället för att klyva urankärnor lyckas slå samman vätekärnor till heliumkärnor, omvandlas mer materia till energi. Det är på så sätt som energin på solen bildas. För att kärnsammanslagningen ska ske krävs många miljoner grader. I vätebomben slås vätekärnor samman till heliumkärnor. Eftersom mer materia omvandlas än i atombomben, är energiutvecklingen i vätebomben större än hos atombomben.

Fission – Fusion

Inom kärnfysiken betyder fission kärnklyvning och fusion kärnsammanslagning. Atombomben bygger alltså på fission medan vätebomben bygger på fusion.

Kärnreaktorn

En kärnreaktor bygger egentligen på samma princip som en atombomb. Fast i kärnreaktorn kan man kontrollera antalet fria neutroner med hjälp av styrstavar. Styrstavarna är oftast av kadmium, som har förmågan att suga åt sig neutroner. Själva bränslet är U – 235. Uranet finns i form av uranoxid. Bränslet finns i cirka fyra meter långa rör av någon metallegering.

En neutron får gå genom en moderator för att få rätt hastighet. Den klyver en urankärna. Lite materia omvandlas till energi. Nya neutroner frigöres. Dessa klyver i sin tur nya urankärnor. För att inte kedjereaktionen ska gå för fort, skjuter man in styrstavar mellan bränslestavarna. Styrstavarna suger upp överflödiga neutroner.

Vid varje kärnklyvning försvinner alltså lite materia och omvandlas till energi. Energin värmer upp vatten, som finns i reaktorn. I en kokareaktor hettas vattnet upp till vattenånga, som driver ett turbinhjul. Turbinhjulet driver en generator. Generatorn omvandlar rörelseenergin till elektrisk energi. Hela reaktorn är innesluten i bly och tjock betong, så att ingen strålning kan komma ut.

Fördelar och nackdelar

En av fördelarna med kärnreaktorer är att de ger mycket stora energimängder.

Ett av de största problemen med kärnreaktorerna är de avfallsprodukter, som bildas. Klyvningsprodukterna är till stor del radioaktiva, många med halveringstider på hundratusentals år. Vi vet ännu inte var detta radioaktiva avfall ska förvaras.