Atom- og kernefysik 2

Det periodiske system | IsotoperUstabile isotoper | Beta-stråling | Alfa-stråling | Gamma-stråling | Strålerne i et magnetfelt | Halveringstid | Kunstig grundstofforvandling | Acceleratorer  Kerneenergi | Kernekraftværker  Kernevåben | Elektronerne omkring kernen | Spektrallinier | Links

Det periodiske system
Som nævnt i Atom- og kernefysik 1er der 92 naturligt forekommende atomer, og deres atomnummer fortæller, hvor mange protoner, der er i kernen.
Et stof, der kun består af én slags atomer, kaldes et grundstof. Så må der være 92 forskellige, naturlige grundstoffer i verden. Hvis et stofs molekyler består af to eller flere slags atomer, kaldes stoffet en kemisk forbindelse - dem findes der utallige af.
Grupper af grundstoffer er i familie med hinanden, og det skyldes naturligvis, at de er opbygget på beslægtet måde. Ud fra dette slægtskab har man opstillet atomernes periodiske system.
I atom nr. 1, hydrogen, består kernen af én proton, og uden om cirkulerer én elektron. I alle de andre atomer er der i kernen det antal protoner, atomnummeret angiver samt nogle neutroner (mindst lige så mange som protoner) og uden om cirkulerer et antal elektroner svarende til atomnummeret.

I andre versioner af det periodiske system får man flere oplysninger end i dette. I de fleste står også atommassen:

Isotoper
Det ser mærkeligt ud, at atommassen er et "skævt" tal, når vi ved, at en proton og en neutron hver vejer ret præcist 1 u, og en elektron bare vejer 1/2000 af en proton. Når massetallet er opgivet med to decimaler, skulle man forvente, at det blev enten 10,00 eller 11,00, men det gør det ikke, fordi boratomer findes i to udgaver i naturen, nemlig én med 5 og én med 6 neutroner - flest af dem med 6, derfor er massetallet nærmere de 11 end de 10.
De fleste atomer forekommer i flere udgaver (med forskelligt neutrontal) i naturen, og massetallet angiver altså den gennemsnitlige atommasse for dem - vægtet efter mængden af de forskellige isoper. 
Man kalder de forskellige udgaver af atomer for isotoper. Der findes altså to naturligt forekommende isotoper af grundstoffet bor.
For svovl (S, atomnr. 16) er der fire naturlige isotoper med hhv. 16, 17, 18 og 20 neutroner, så den gennemsnitlige masse (atommassen) bliver 32,06. Af det tal kan man se, at langt den største del af svovl i naturen består af den letteste isotop med 16 neutroner.
De fire svovlisotoper skriver vi således: 32S, 33S, 34S og 36S.

Ustabile isotoper
Flere gange har vi sagt "naturligt forekommende isotoper". Der er faktisk andre isotoper i naturen end dem, vi bruger, når vi beregner atommassen, de er blot ustabile. Det betyder, at de "går i stykker". De kan finde på at smide et stykke af kernen og dermed blive til et helt nyt atom - et nyt grundstof.
I naturen forekommer f.eks. tre C-isotoper: 12C, 13C og 14C, man kalder dem også kulstof-12, kulstof-13 og kulstof-14. De to letteste er stabile, så det er dem, man beregner C's atommasse (12,01) ud fra. Den sidste er ustabil. Den falder fra hinanden (henfalder) før eller siden og bliver til 14N (nitrogen, kvælstof)! Mystisk, det bliver til et helt andet stof, hvordan mon det hænger sammen?

 

Kernefysik

Beta-stråling 
På tegningen ovenfor er kun vist en C-atomkerne. Når vi kun beskæftiger os med atomkerner, taler vi om kernefysik og bekymrer os overhovedet ikke om elektronerne udenom. Det er vigtigt at holde sig for øje i det følgende. 
Du kan se, at da 14C blev omdannet til 14N, blev der ikke færre partikler i kernen, og du ved også, at N har atomnummer 7, dvs., den indeholder 7 protoner og altså 7 neutroner mod 14C's 6 protoner og 8 neutroner. Én neutron i kernen er blevet til en proton og en elektron.

I en atomkerne kan en neutron altså gå i stykker og dele sig i en proton og en elektron, og atomet bliver forvandlet til et nyt atom et atomnummer højere. Når en elektron på den måde stammer fra en kerne, kaldes den en beta-partikel, og den er negativt ladet.

Alfa-stråling
Nogle tunge atomer er tilbøjelige til at henfalde ved at udsende en lille klump kernepartikler, en alfa-partikel. Den består af to neutroner og to protoner, altså det samme som en He-kerne. En strøm af alfa-partikler kaldes alfa-stråling. Disse partikler er nogle store, tunge drenge sammenlignet med beta-partiklerne, og så er de positivt ladede, endda med to ladninger (de to protoner).


En U-kerne afgiver en alfa-partikel

En kerne, der udsender en alfa-partikel forvandles til et atom to numre lavere og bliver 4 u lettere.
Det naturligt forekommende 238U (uran)bliver til 234Th (thorium), når det afgiver en alfa-partikel.
234Th kan selv henfalde ved at afgive en beta-partikel og blive til 234Pa (protactinium) , som igen kan henfalde ved at afgive en betapartikel og blive til 234U.
Ad sindrige omveje kan en klump 238U altså blive til 234U i løbet af mange, mange år. 234U henfalder også, og gennem en lang kæde af henfald ender 238U som 206Pb (bly).

Gamma-stråling
Den sidste type stråling, vi skal beskæftige os med, er gamma-stråling. Det er en slags elektromagnetisk stråling, som minder om røntgenstråling, den er bare endnu mere kortbølget og gennemtrængende og dermed meget farlig.
Gamma-stråling udsendes ved bestemte kernespaltninger, i store mængder sammen med betastråling og i mindre grad sammen med alfa-stråling.


234Th udsender både beta- og gamma-stråling, når det henfalder

Hvad går de tre slags stråler igennem?
Når de store alfa-partikler sendes mod et materiale, bremses de hurtigt, fordi de rammer ind i materialets atomkerner. Det betyder, at de knapt kan gå igennem et meget tyndt stykke papir.
Beta-partikler, som er elektroner, og altså meget små, kan meget lettere passere forbi atomkernerne i materialet, så de går ret fint gennem et lag papir, mens 3 mm aluminium er nok til at stoppe næsten al beta-stråling
De elektromagnetisk gamma-stråler går gennem endog ret tykke metalplader. Der kræves adskillige mm blyvæg eller mange cm betonvæg for at bremse dem.


De forskellige strålers gennemtrængningsevne (neutronstråling opstår specielt i forbindelse med produktion af kernekraft og ved sprængning af kernevåben).

Strålerne i et magnetfelt
Sender man strøm gennem en ledning, der hænger mellem polerne på en hestesko-magnet, vil ledningen slå ud til den ene eller anden side, afhængigt af strømretningen gennem den.

Sådan går det også, når en stråle af elektriske partikler passerer mellem polerne. Strålebundtet vil så afbøjes til en af siderne.

 

Gammastråler er jo ikke bundter af elektrisk ladede partikler, så de afbøjes ikke af et magnetfelt.
Man kan således bruge et kraftigt magnetfelt til at sortere radioaktive stråler i de tre typer: alfa-partikler afbøjes til den ene side, beta-partikler til den anden, og gamma-stråler afbøjes overhovedet ikke.

 

Halveringstid
Man kan aldrig vide, hvornår et givet atom i et radioaktivt stof pludselig henfalder (afgiver alfa-, beta- eller gamma-stråler), men har man mange atomer i en klump af stoffet, kan man måle, hvor lang tid det tager før halvdelen af klumpen er henfaldet. Det kaldes halveringstiden.

Efter ni halveringer er der 1/256 af den oprindelige stofmængde tilbage, og efter omkring 80 halveringer er der statistisk set ikke mere. Man kan dog ikke være sikker på, at der ikke er nogle atomer tilbage, for atomer henfalder ikke på komando, så det er kun, når man har rigtig mange, man kan regne med halveringstid.
Halveringstiden for 238U er 4,5 milliarder år og for 14C er den 5730 år. De naturligt forekommende stoffer har som regel lang halveringstid, men kunstigt fremstillede kan have halveringstider på 1/1.000.000 sekund om det skal være. Dem har man ikke fornøjelse af ret længe, kun netop så længe, at man kan registrere deres eksistens under forsøget.

Kunstig grundstofforvandling
Hvis man i laboratoriet vil eksperimentere med spaltning af atomkerner, kan man gøre det ved at "beskyde" et materiale med lynhurtige partikler. Med en tilstrækkelig kraftig skudsalve vil nogle af projektilerne ramme atomkernerne i materialet (selv om vi ved, at ethvert materiale overvejende består af "ingenting"). En del af de ramte kerner vil gå i stykker, og vi har en kunstig kernespaltning og dermed grundstofforvandling. Som kanon kan man bruge en accelerator.

Acceleratorer
Som vi lige har set, kan man altså styre alfa- og beta-stråler med magneter. Det gør man også brug af i acceleratoren.

En ret simpel form for accelerator er vist ovenfor. Den består af en ionkilde, der f.eks. laver positive ioner, det kunne være Na+-ioner. De bliver tiltrukket af den elektrisk negative katode og får derved fart på. Nogle af ionerne smutter gennem hullet i midten af katoden og farer videre gennem det lufttomme rør hen mod skydeskiven (target), der er en stump af det materiale, man ønsker at bombardere for at spalte dets kerner.

Den krumme accelerator svarer ret nøje til den lineære, vi så før. Over og under røret er der blot et par kraftige magnetpoler, som tvinger ionerne til at bøje af. Kun dem med den ønskede hastighed og masse rammer da skydeskiven, de andre afbøjes enten for lidt eller for meget og bumler bare ind i acceleratorens væg.

I den cirkulære accelerator lader man de elektriske partikler flyve rundt og rundt i et kæmpestort lufttomt rør . De bliver styret af store magneter, og to gange i hver omgang får de et spark i de to accelerationsgab. På den måde kan man få partiklerne op på hastigheder i nærheden af lysets!
De lynhurtige partikler rammer målskiven med enorm styrke, og atomkernerne i en del af materialet her vil blive spaltet og nye stoffer dannet. På grund af den store energi, der er i "kanonkuglerne", kan man ikke alene smadre atomkernerne, men også de enkelte kernepartikler (protoner og neutroner), og mange nye typer partikler er fundet på denne måde.

Kerneenergi
Albert Einstein påstod i sine relativitetsteorier, at stof kan forsvinde og blive til energi, og han opstillede denne simple ligning for, hvor meget energi, der kommer ud af stof, når det forsvinder:

E = m c2

m er massen af det stof, der forsvinder målt i kg
c er lysets hastighed målt i m/s (3 * 108 m/s)
E er den energi man får ud af det målt i J (joule)

En beregning efter denne simple formel vil give en forestilling om den enorme energi, der er i bare ét gram stof:

Så meget fylder 1 g jern

E = (1/1000 * (3 * 108)2) J = 9 * 1013 J = 25.000.000 kWh

I et almindeligt hus bruger man ca. 4.000 kWh strøm om året, hvis man ikke har el-varme. Energien i et gram stof ville svare til elforbruget i et hus i 6.250 år!! Desværre er det bare ikke helt nemt at omdanne masse til energi, men det er det, der sker på et kernekraftværk, i kernevåben og i Solen og stjernerne.

Kernekraftværker
En stor del af verdens el-produktion (17%) kommer fra de 440 kernekraftværker (atomkraftværker), der producerer el.
Princippet i et kernekraftværk er som i kul/olie-fyrede: 
Vand varmes op under tryk, og dampen derfra sendes ind i en dampturbine, der igen trækker en generator.

På et kernekraftværk varmes vandet blot op med "atombrændsel". Man sætter en kunstig kernespaltning i gang, og så kører den videre af sig selv, indtil den bliver bremset. Under processen forsvinder en smule stof og bliver til energi i form af varme. Det er så den varme, man udnytter til at ophede vandet med.
For at spaltningsprocessen ikke skal løbe løbsk, kan man bremse den ved at sænke nogle kontrolstænger ned imellem brændselsstavene (lange stænger af "atombrændsel").
Princippet er enkelt, men i virkeligheden er det en meget kompliceret affære at bygge et kernekraftværk. 
Alt omkring kernekraft er forbundet med store sikkerhedsmæssige problemer, derfor har danske politikere valgt at satse på traditionelle kraftværker baseret på kul, olie, gas, halm mm.
Hvis alt til gengæld fungerer perfekt, og man kan komme sikkert af med affaldet ("fissionsprodukterne"), er der mange miljømæssige fordele ved kernekraft frem for kul/olie-baserede kraftværker. Den eneste "forurening", de så laver, er "varmeforurening". De frigiver ekstra varme til atmosfæren, hvilket måske kan være med til at skabe ubalance i form af globale temperaturstigninger og iskalotsmeltninger.

Kernevåben
Også i kernevåben udnytter man de enorme energier, der slippes løs, når stof omdannes til energi. 
Forskellen på situationen i et kernekraftværk og i kernevåben er, at i de sidste slipper man kernereaktionerne løs i en ukontrolleret kædereaktion, så den store mængde energi slippes løs på en brøkdel af et sekund og dermed skaber en gigantisk eksplosion. Ikke alene er sprængkraften enorm, men den radioaktive stråling og de radioaktive partikler, der spredes langt omkring med vinden, kan ødelægge liv i miles omkreds af sprængningsstedet.
Der findes to hovedtyper af kernevåben: Fissions- og fusionsbomber.
Fission betyder kernespaltning, så fissionsbomber virker ved, at tunge U-kerner spaltes og derved afgiver energi.

En neutron, der rammer en 235U-kerne, vil slå den i stykker, og ud af det vil bl.a. komme to nye hurtige neutroner, som bombarderer to nye kerner. Næste gang kommer der så fire neutroner, så otte, seksten osv. Lynhurtigt får vi en kædereaktion. 

Fusion betyder sammensmeltning. Bomber baseret på fusion afgiver deres energi, når lette atomkerner smelter sammen og derved taber masse, der så bliver til energi. De lette atomer er tunge isotoper af H-atomer, derfor kaldes fusionsbomber også brintbomber.

 

Elektronerne omkring kernen
Indtil nu har vi beskæftiget os mest med atomkernen og kernefysik, og det har drejet sig om de fænomener, der er knyttet til den del af atomerne, nemlig radioaktivitet, kerneenergi og kernespaltning.
Nu vil vi se lidt på elektronerne udenom, og så vil det mest komme til at dreje sig om kemi samt lys og andre former for elektromagnetisk stråling.

I begyndelsen af dette århundrede arbejdede man intenst på at forstå og finde modeller for atomets opbygning. Vor egen landsmand, Niels Bohr, var en af hovedkræfterne bag modellen for elektronernes bevægelse omkring kernen. Det var den model, vi - i meget forenklet form - så på i Atom- og kernefysik I, og som vi nu skal uddybe lidt.
Vi vælger, ligesom Niels Bohr i sin tid, det simpleste atom, H-atomet, til at beskrive vores atommodel med. Tidligere tegnede vi denne model:

H-atom med elektronskal

Tegningen er noget misvisende, for man kan slet ikke tale om en bestemt bane - kun om sandsynligheder for at træffe elektronen forskellige steder i rummet. Vi bruger af og til udtrykket en elektronsky - eller en orbital (orbit = bane, kredsløb). Derfor burde vi i stedet tegne det som her under og forstille os kernen et sted inde midt i.

H-atom efter ny model

Et molekyle, der består af to H-atomer, ser da således ud:

H2-molekyle

Kemiske bindinger mellem atomer bliver altså sådanne "sammenvoksninger" af orbitaler.

Spektrallinier
Når man sætter høj spænding til to elektroder i enderne på et glasrør med en luftart under lavt tryk, begynder luftarten at lyse. 

Hver luftart giver sit karakteristiske lys, som man kan undersøge i et spektrometer. Dér ser man et spektrum, dvs. nogle lysende striber, hvis placering er karakteristisk for hver luftart. 
På en indbygget skala kan man nøjagtigt måle, hvor de enkelte striber er, og fotografisk kan man også se linier af ultraviolet- og infrarødt lys, hvis der er sådanne.
Niels Bohr gav en forklaring på disse spektrallinier. Når vi sætter høj spænding på et rør med hydrogen, vil elektronen i mange hydrogenatomer "opsuge" energi og hoppe et stykke længere væk fra kernen, men kort efter falder elektronerne tilbage - måske helt, måske blot en lille tand længere ind.

Under disse små spring udsender elektronen den overskudsenergi, den fik, da den blev "sparket" ud lidt tidligere. Energien bliver sendt ud som en lille "pakke", en foton, eller vi kunne også sige et lysglimt. Lys er sådanne flokke af fotoner.
Hver spektrallinie svarer til et elektronspring af en bestemt størrelse, og hver slags atom (hvert grundstof) har som nævnt sit særlig spektrum. 
Det er først og fremmest et atoms alleryderste elektroner (valens-elektronerne), der på den måde kan "sparkes ud og falde hjem".