Atomer og stråling eksamensnoter

Atomer og stråling

Den viden, vi i dag har om, hvordan atomet i hovedtrækkene er opbygget, er baseret på indicier. Det er nemlig ikke muligt at se de enkelte atomer, men det er lykkedes at udforske atomernes opbygning ved at lave forsøg, hvis resultater kun kan forklares ved, at atomerne må være opbygget på en bestemt måde.

I 1870 fastslog Dalton, at alting består af mindre end 100 forskellige atomer, som kunne gå i forbindelse med hinanden og danne molekyler. De afviger fra hinanden ved forskellig masse, rumfang og kemiske egenskaber og atomer var uddelelige.

I 1897 opdagede J. J. Thomson ved at undersøge katodestråler, at der i et atom findes negativt ladede partikler, som han kaldte elektroner. Og fordi, alle elektroner bliver afbøjet lige meget af ef en elektrisk ladet plade, har de samme ladning og samme masse. Elektronens ladning har samme størrelse som et proton, bare negativ. Han mente, at elektronerne var inde i en positivt ladet kugle, og at det tilsammen udgjorde et atom.

I 1896 opdagede Becquerel, at nogle grundstoffer fx uran udsender en usynlig stråling. Det er de radioaktive stoffer.

Ernest Rutherford påviste, at stråling består af positivt ladede partikler, og kaldte dem alfapartikler. Ved at undersøge alfastråling opdagede han, at ca. hvert 20000. alfapartikel blev slået tilbage fra et tyndt guldfolie, og konkluderede, at der i et atom måtte være et meget lille område, hvor en stærk positiv ladning var koncentreret, og at dette område var i centrum af atomet. Han beregnede, at områdets diameter højst udgjorde 1/10000 af hele atomet. Han kaldte området atomkernen, og opstillede en ny atommodel, hvor der i centrum af atomet befandt sig en positivt ladet kerne, hvorom de negativt ladede elektroner kredser med så stor fart, at de ikke bliver trukket ind mod kernen af den elektriske tiltrækning.

Atomets bestanddele

I 1932 opdagede James Chadwick ved at undersøge alfapartikler, at en atomkerne udover positivt ladede protoner, også indeholder neutralt ladede neutroner, som vejer det samme som en proton, bare negativt ladet. De vejer 1 u (unit) = 1,66053886 x 10^-27 kg. En elektron vejer 1/1836 u.

Alle atomer består af en positivt ladet kerne, hvorom negativt ladede elektroner bevæger sig.

Kerne består af positivt ladede protoner og neutralt ladede neutroner. De kaldes nuklnukleoner.

Nukleonerne bevæger sig rundt mellem hinaden, mens elektronerne bevæger sig om kernen i stor afstand.

Antallet af nukleoner i en atomkerne er atomets nukleontal.

Antallet af protoner bestemmer hvilket grundstof der er tale om, og hvilken plads i det periodiske system, det har. Det angiver også, hvor mange elektroner, kernen kan fastholde – og dermed grundstoffets kemiske egenskaber.

Kernekræfter, som er kortrækkende tiltrækningskraft, der forekommer når 2 nukleoner kommer meget tæt på hindanden, er det, som fastholder protonerne i atomkernen. Det er derfor neutronerne, der holder fast på kernen til trods for de frastødende elektriske kræfter mellem protonerne.

Isotoper

Et grundstof indeholder altid samme antal protoner (ellers er det et andet grundstof), og antal elektroner (ellers er det en ion), men antallet neutroner kan kan varier en smule fra grundstof til grundstof. Disse atomer kaldes isotoper. Isotoper har forskellig masse, og gennemsnitsmassen for grundstoffer er angivet i det periodiske system.

Betegnelsen for en atomkerne er et nuklid, og der findes udover de 92 grundstoffer 340 nuklider.

Lys

Lys bevæger sig med meget stor hastighed (ca. 300000 km pr. sekund), og har en meget høj frekvens, og derfor bliver bølgelængden meget lille (fordi jo større frekvens, desto mindre bølgelængde.)

Et optisk gitter kan dele hvidt lys op i forskellige farver (et spektrum). Idet farverne danner et sammenhængende bælte, er det et kontinuert spektrum. Det indeholder de samme farver som en regnbue: violet, blå, gul orange og rød.

Hvidt lys er i virkeligheden en blanding af lys i alle spektrets farver.

Når et optisk gitter kan brede lyset ud til et spektrum, skyldes det, at lyset afbøjes, når det passerer gitteret. Jo større lysest bølgelængde er, desto mere afbøjes det.

Et optisk gitter kan dele forskellige grundstoffer op i deres respektive spektrer. Et sådant spektrum kaldes et linjespektrum.

At analysere et grundstof ved at iagttage dets linjespektrum kaldes spektralanalyse.

Vi kan se lys med en bælgelængde mellem 380 nm og 740 nm.

Kosmisk stråling: mindre end 10 fm

Gammastrling: 10 fm – 10 pm

Røgtenstråling: 5 pm-10 nm

Ultraviolet: 10-380 nm

Violet: 380-430 nm

Indigo: 430-450 nm

Blå: 450-500 nm

Cyan: 500-520 nm

Grøn: 520-565 nm

Gul: 565-590 nm

Orange: 590-625 nm

Rød: 625-740 nm

Infrarød: 740 nm-0,1 mm

Fjern-infrarød: 10000 nm til 0,1 mm

Mid-infrarød: 10000-2500 nm (varme objekter udsender mid-infrarød stråling

Nær-infrarød: 2500-740 nm (kan tilnærmelsesvist ses som synligt lys, for de dyr, som kan se i nær-infrarød)

Terahertz stråling: 0,1-1 mm

Mikrobølger: 1mm til 50 cm

Radiobølger: 50 cm til 10 m

(nm = nanometer = en milliontedel millimeter.

pm = pikometer = en milliardtedel millimeter

fm = femtometer = en billiontedel millimeter)

Stråling

Elektroner kan kun kredse i nogle bestemte cirkelbaner omkring atomkernen. Alt afhængig af, hvilke baner elektronerne befinder sig i, er der I er oplagret en bestemt mængde energi i de forskellige elektroner. Jo længere fra kernen en elektron er, desto større er den oplagrede energi.

Denne energi måles i eV (elektronvolt)

Elektronerne kan ikke af sig selv springe til baner, der ligger længere ude, idet elektronen ikke har så meget energi. Det kræver tilførsel af energi, det kunne fx være i form af kraftig opvarmning eller elektrisk højspænding. Man siger, at atomet bliver anslået.

Det kræver tilførsel af energi at slå en elektron ud i en bane, der ligger længere ude.

En elektron kan imidlertid altid selv springe til en bane, der ligger længere inde, og den overskydende energi bliver afgivet i form af stråling. (I form af en foton, hvori energien, som afgives er oplagret.)

Strålings bølgelængde afhænger af, hvor meget overskydende energi elektronen afgiver. Jo kortere bølgelængde strålingen har, desto mere energi indeholder fotonerne

Plancks Formel

Man kan udregne bølgelængden med Plancks Formel:

Bølgelængden i nm = 1240/E

(E angives i eV, som er den overskydende energi, elektronen afgiver ved et spring til en bane, der ligger tættere på kernen)

Når et atom er blevet anslået vil elektronen normalt hurtigt søge tilbage til en lavere liggende bane.

Røntgenstråler

Røntgenstråler kan gennemtrænge lette stoffer som træ, tøj og kød, men bliver stoppet af hårde stoffer som metal eller knogler. Grunden til, at de er så gennemtrængende er, at de har en meget lille bølgelængde og dermed indeholder en meget stor energimængde.

Elektromagnetisk stråling

Alle slags stråler bevæger sig med samme hastighed, og den eneste forskel er bølgelængden. Tilsammen kaldes strålerne for elektromagnetisk stråling, fordi de består af elektriske og magnetiske felter. Disse stråler udsendes fra den ydre del af atomet.

Radioaktivitet

Der er grænser for, hvor mange neutroner, der kan være i kernen, uden den går fra hinanden. Kerner med et ustabilt antal neutroner vil på et tidspunkt gå i stykker. Når det sker, udsender disse stoffer en stråling. De kaldes radioaktive stoffer, og selve evnen til at udsende stråling kaldes radioaktivitet.

Radioaktive stoffer kan udsende tre forskellige slags stråling, alfa-, beta- og gammastråling, hvilket er de tre første bogstaver i det græske alfabet.

Man kan måle radioaktivitet med en geigertæller.

I en geigertæller trænger strålingen igennem en tynd membran ind i et rør med fortyndet luft. Her slår strålingen elektroner løs fra nogle af luftens atomer, som derved omdannes til positive ioner. Elektronerne, som er slået løs, trækkes øjeblikkeligt ind mod en positivt ladet metalpind midt i røret, mens de positivt ladede ioner trækkes ud mod rørets metalvæg, som er negativt ladet. Det frembringer et svagt strømstød, som man kan forstærke op og få til at frembringe et klik i en højtaler og få en impulstæller til at gå et tal frem. Stråling, som kan slå elektroner løs fra de atomer, den rammer, så der dannes ioner, kaldes ioniserende stråling. Stråling fra radioaktive stoffer og røntgenstråling er ioniserende.

Når man registrerer stråling fra en kilde, kan man kun måle en meget lille del af dem, idet strålingen sendes ud i alle retninger, og det er kun den stråling, der lige præcis rammer ind i røret, der registreres. Jo længere fra kilden tællerrøret anbringes, desto mindre stråling vil blive registreret.

Vi er hele tiden udsat for ioniserende stråling, som skyldes dels radioaktive stoffer i jorden og i vores boliger, dels stråling fra verdensrummet. Den stråling, som vi således hele tiden er udsat for, kaldes baggrundsstrålingen.

Radioaktive kilders styrke.

Radioaktivite kilders styrke måles i enheden becquerel (Bq). Tidligere brugte man mikkrocurie (μC), som er det samme som 37000 Bq.

Bq angiver, hvor mange kerneomdannelser, der sker i sekundet.

Alfastråling

Alfastråling er heliumkerner ₂⁴He. Når en ustabil kerne udsender en alfapartikel, sker det ved at to protoner og to neutroner slutter sig sammen i kernen og danner en heliumkerne ₂⁴He, som under sin bevægelse i kernen skubbes ud af kernen og frastødes af de tilbageværende protoner i kernen. Alfapartiklen bliver derfor skudt ud med høj hastighed.

Stoffets protontal bliver 2 mindre, og nukleontallet bliver 4 mindre.

Betastråling

Betastråling er betydeligt mere gennemtrængende end alfastråling, men kan standses af en bog eller en forholdsvis tynd metalplade.

Betapartikler består af negativt ladede elektroner, som skydes ud af atomkernen med høj hastighed. Grunden til, at der kan skydes en elektron ud af atomkernen, der jo ellers ikke består af elektroner, skyldes at en neutron kan omdannes til en proton og en elektron. Protonen bliver inde i kernen mens elektronen skydes ud med høj hastighed.

Stoffets protontal bliver 1 større, men nukleontallet ændres ikke.

Når en atomkerne omdannes under udsendelse af en alfa- eller partikel, siger vi, at den henfalder.

Gammastråling

Gammastråling består hverken af nukleoner eller elektroner, som alfastråling og betastråling, men er elektromagnetisk stråling med meget kort bølgelængde. Gammastråling har en bølgelængde på mellem 10 femtometer og 10 pikometer, som er mindre end røngtenstråling.

Gammastråling opstår, når en atomkerne skal af med overskydende energi. Det sker ofte, når kernen henfalder, dvs. når der sker en kerneomdannelse, hvor kernen har udsendt en alfa- eller betapartikel. Den nydannes kerne vil ofte befinde sig i en ustabil tilstand, hvor der er oplagret mere energi end i den stabile atomkerne. Den ustabile kerne vil derfor på et tidspunkt gå over i den stabile tilstand, idet den afgiver sin overskudsenergi ved at udsende gammastråling.

Halveringstid

Den tid et radioaktivt stof tager om at halveres ved henfald er stoffets halveringstid. Et radioaktivt stofs halveringstid afhænger af, hvor stor sandsynligheden er for, at dets atomer henfalder.

Anvendelse

Radioaktivitet anvendes i røgalarmer, ved at americum-241 henfalder med alfastråling og ioniserer luften inde i røgalarmen, så der kan gå strøm igennem. Hvis der kommer røg ind, kan der ikke løbe strøm igennem, og så går alarmen i gang.

Når dåser o.l. skal fyldes op, holder en geigertæller øje med, hvornår dåsen er fuld, idet strålingen kan gå igennem en tom dåse, men ikke en fuld. Når stråling ikke kan gå igennem længere stoppes påfyldningen. Det samme gælder produktion af bøger, hvor man sikrer, at alle produkter har den rigtige tykkelse.

Når man laver papir, sørger man ved hjælp af betastråling for, at papiret har den rigtige tykkelse.

Inde i rør lægger et radioaktivt stof, som kan trænge igennem røret, hvis der er dårlige svejsninger eller utætheder. Sådanne radioaktive isotoper kaldes sporstoffer.

Tungt vand

Et almindeligt vandmolekyle, H₂O, består af to hydrogenatomer (₁¹H) og et oxygenatom, O – dets masse er 18 u.

Et mellemtungt vandmolekyle, HDO, består af to hydrogenatomer, hvoraf et har fået en ekstra neutron (₁²H) og af et oxygenatom, O – dets masse er 19 u.

Et tungt vandmolekyle, D₂O består af to hydrogenatomer, der begge har fået en ekstra neutron (₁²H) og et oxygenatom, O – dets masse er 20 u.

Kerneenergi

Der er oplagret energi i atomkerner, fordi protonerne frastøder hinanden, og holdes sammen af kernekræfter mellem protonerne og neutroner.

Uran-235 kerner er opbygget sådan, at de er lige ved at gå i stykker. Hvis man tilfører en sådan kerne en lille smule energi fx ved at få en neutron til at ramme den – vil den spaltes i tre mindre kerner, som vil fare fra hinanden med stor fart på grund af den elektriske frastødning. Når de bremses ned af omgivelsernes atomer og molekyler får disse mere fart på og temperaturen stiger dermed lidt.

Derudover frigives også nogle neutroner ved kernespaltning, som så vil spalte nogle nye uran-235 kerner, og dermed sætter gang i en kædereaktion.

Hvis sådan en kædeproces forløber hurtigt og uhindret, sker der en meget kraftig eksplosion – en atombombe.

Hvis kædereaktionen derimod foreløber kontrolleret i langsommere tempo, kan man udnytte energi, der er oplagret i kernerne.

Der findes forskellige slags uran-isotoper, og det er kun uran-235, hvis kerne man kan spalte. I en portion uran vil størstedelen være uran-238, som optager neutronerne i stedet for at spaltes. Og de neutroner, som frigøres ved kernespaltning er for hurtige til at kunne optages af uran-235, (hvis kerne kan spaltes) og optages derfor af uran-238 isotoperne.

For at bremse neutronerne ned (og dermed får uran-235 til at optage neutroner) bruger man tungt vand som et moderatorstof dvs. et stof, der er egnet til nedbremsning af neutroner.

For at processen ikke tage fart for hurtigt og eksploderer, kan man sænke cadmium stænger ned, som indfanger en del af neutronerne, og processen kan forløbe langsomt og kontrolleret.

De atomkerner, der dannes ved spaltninger i reaktoren er stærkt radioaktive, og man skal derfor afskærme reaktoren godt. Det kan man gøre med bly.

Fission og fusion

En spaltningsproces (som fx foregår i en atombombe) kaldes fission, mens en sammensmeltningsproces (som fx foregår i en brintbombe) kaldes fusion.

I fissionsprocessen er det de frastødende kræfter mellem protonerne, man udnytter.

I fusionsprocessen er det de tiltrækkende kræfter mellem nukleonerne, man udnytter.