ATOM- OCH KÄRNFYSIK

Atomens delar

Atomer är byggstenarna för allt som finns på jorden och ute i rymden. Alla atomer ser inte lika dana ut. Varje grundämne består av sin alldeles egen typ av atomer. Alla atomer har en atomkärna i mitten med positivt laddade protoner. De omges av skal med negativt laddade elektroner. Antalet protoner och elektroner varierar mellan olika grundämnen och det är detta antal som ger grundämnet dess egenskaper. I kärnan finns också neutroner, men de har ingen laddning. I våra diskussioner, antar vi att elektronerna saknas massa och att både protoner och neutroner har samma massa (värdet 1).

Elektronerna snurrar runt kärnan på olika nivåer. Det innersta skalet har plats för 2 elektroner, de andra upp till 8 elektroner. Alla ämnen strävar efter fulla elektronskal (ädelgastruktur) för det är då de är som mest stabila.

Samma grundämne har alltid lika många protoner och elektroner, men det kan skilja i antalet neutroner. De olika varianterna av ett grundämne kallas för isotoper. Kol finns till exempel med 6, 7 eller 8 neutroner. De kallas därför för Kol-12, Kol-13 och Kol-14.

Radioaktiva ämnen

En atom som har en instabil kärna kan sönderdelas. Den sänder då ut energirika partiklar eller strålning. En radioaktiv atom är ofta mycket stor och dess kärna har fler neutroner än den stabila formen.

Uran är ett exempel på ett radioaktivt ämne. Den stora urankärnan sönderfaller naturligt till den mindre isotopen Torium 226. I processen frigörs en heliumatom, som kallas för alfapartikel. 

Av de tre typerna av radioaktiv strålning (joniserande strålning) är det alfastrålningen som har lägst energi – den stoppas av ett vanligt papper. Betastrålningen består av elektroner och en högre energi. Den farligaste radio-aktiva strålningen är gammastrålning. Denna har samma karaktär som synligt ljus, men energi är mycket större.
 

Joniserande strålning kan vara farlig, men vi använder den också för bra saker. Vid röntgenundersökning ger strålningen en bild av kroppen och gammastrålning kan användas för att förstöra cancerceller.

Halveringstider

Halveringstid är ett begrepp för att beskriva hur mycket av ett radioaktivt ämne som finns kvar efter en viss tid.

Bilden ovan visar att efter en halveringstid finns hälften av ämnet kvar, efter ytterligare en halveringstid finns hälften av hälften – alltså bara 25 % av ämnet kvar.

Tabellen till höger visar halveringstider för några radioaktiva ämnen. Vissa har mycket långa halveringstider, medan andra sönderfaller mycket snabbt.

Kärnenergi

Kärnenergin, oavsett om den är naturlig eller konstgjord (i ett kärnkraftverk)  bygger på Albert Einsteins berömda formel:

E = m • c2

Här ser vi att massa och energi hör ihop och att en liten förändring i massan innebär en mycket stor förändring i energin.
 

Fission

Fission betyder klyvning. Vid en fissionsreaktion delas alltså atomkärnan i mindre delar. Cirka 15 % av jordens energiförsörjning sker idag genom kärnkraft som bygger på fission av uran. Det viktiga är att man skall kunna styra hastigheten på reaktionen och att den energi som frigörs omvandlas till värme. Det kokande vattnet driver sedan elektriska generatorer.
 

När den relativt stabila uranisotopen Uran-235 träffas av en neutron tas denna upp och det bildas Uran-236. Denna isotop är instabil och sönderfaller i Barium-141 och Krypton-92, samt tre fria neutroner. Dessa fria neutroner kan fortsätta kedjereaktionen. För att kunna styra reaktionen i kärnkraftverken finns det därför möjligt att att fånga upp dessa neutroner.

Fusion

Den kärnreaktion som förekommer i solen kallas fusion och bygger på att lättare grundämnen slås samman till tyngre. Det är framförallt fyra stycken väteatomer som går samman och bildar en heliumatom. Den lilla skillnaden är massa blir till energi enligt Einsteins formel. Detta innebär att solen hela tiden minskar i massa. Det är när massan minskat så mycket att gravitationen inte längre kan hålla ihop materien som solen kommer att öka i storlek och till slut nå jorden.