Kernefysik | Til fysiksiden
Kernefysik
Radioaktivitet og stråling har at gøre med atomernes kerner. Derfor beskæftiger vi os i dette emne kun med de partikler, der er i kernen! Derfor taler man også om kernefysik.
Det var Antoine Henri Becquerel, der opdagede, at nogle stoffer udsender stråling, der ikke kunne ses som almindeligt lys og som gik gennem matrialer, som almindeligt lys ikke kunne gå igennem. Han opdagede, at noget uransalt kunne påvirke noget lysfølsomt papier, selvom papiret var pakket forsvarligt ned i en lystæt æske. altså måtte uransaltet udsende en gennemtrængende stråling. Her til højre ses et billede af det lysfølsomme papir, som Becquerel så blive påvirket af uransalt.
Becquerel fandt ud af, at der kom stråling fra uransalt, men vidste ikke præcis hvor denne stråling kom fra.
Becquerel
Marie Curie
En anden pioner indenfor radioaktivitet var franske Marie Curie. Hun viede sit liv til at forske i radioaktivitet og vandt hele to nobelpriser for sit arbejde. Hun opdagede grundstof nummer 84, Polonium, som hun opkaldt efter sit fødeland Polen, og grundstof nummer 88 Radium.
Madame Curie fandt ud af en masse detaljer omkring radioaktivitet, som ingen før havde fundet ud af. Fx fandt hun ud af, at strålingen, som visse stoffer udsendte, kom fra grundstoffet selv. Hun vidste dog ikke, at strålingen var skadelig for kroppen, og hun blev meget syg af at arbejde med radioaktive stoffer og døde af det til sidst.
Mange andre forskere har fundet ud af mange vigtige detaljer om radioaktivitet siden pionererne tog de første skridt. Vi ved nu, at de tre typer af stråling, vi skal arbejde med, består af to slags partikler og en særlig slags lys. Alle de tre strålingstyper kommer inde fra atomkernen.
"Radioaktiv" betyder "noget der udsender stråling". Vi ved, at en atomkerne består af to slags partikler - protoner og neutroner, og det er altså denne atomkerne, der udsender stråling. Denne stråling kaldet ofte "radioaktiv stråling", men det er faktisk forkert. Da strålingen kan gøre de atomer, den rammer til ioner, er den korrekte betegnelse for strålingen fra en radioaktiv atomkerne "ioniserende stråling".
Først senere fandt man ud af, at stråling kunne ødelægge levende væv. I lang tid var radioaktivitet et slags vidundermiddel - den naturlige energiudstråling fra visse stoffer mente man måtte være noget positivt for kroppen. Mange produkter som fx tandpasta og cremer blev tilsat radioaktive stoffer for at give en øget effekt. Man solgte også chokolade og cigaretter tilsat radium!
Saltet radiumklorid afgiver et grønligt lys, hvilket man har udnyttet til at male på ure, så man kunne se, hvad klokken var om natten. Unge piger, der var sikre på hånden, arbejdede på fabrikker, hvor de sad og malede de små tal på urskiverne med maling tilsat radium. For at få spidsten på penslen helt spids suttede de på den, hvorved de fik redium i munden. Mange kvinder udviklede kræft i og omkring munden - faktisk så mange, at man taler om "Radiumpiger".
"Radiumpige" med kræft i kæben
Ur med radiumklorid
Radiumpiger
Radiumpiger fra en teaterforestilling
Isotoper
Grunden til, at en atomkerne udsender ioniserende stråling er, at kernen er blevet ustabil. Hvis vi ser på et stykke af grundstoffet Carbon, vil de allerfleste af carbonatomerne i stykket have seks protoner og seks neutroner. Men nogle få af atomerne har flere eller færre neutroner, og nogle af dem bliver ustabile på grund af den ulighed, der er i atomkernen.
De forskellige typer af carbon med forskelligt antal neutroner, kaldes isotoper. Her til højre kan du se en beskrivelse af to carbonisotoper.
Isotopen Carbon 14 er ustabil og udsender stråling - den er radioaktiv.
For at kunne se forskel på de forskellige isotoper, skriver man to tal. Nederst protontallet, der viser antallet af protoner og altså også grundstofnummeret. Øverst nukleontallet, der viser det samlede antal partikler i kernen. Almindelig carbon med 6 protoner og 6 neutroner vil altså give nukleontallet 12.
De tre strålingstyper
Den ioniserende stråling, som en ustabil atomkerne udsender, skal vi her inddele i tre forskellige typer af stråling. Disse tre strålingstyper kalder man alfa-, beta- og gammastråling. Navenene på strålingstyperne er de tre første græske bogstaver, og derfor bruger man også de græske bogstaver, når man beskriver dem.
Herunder kan du se en beskrivelse af hver af de tre strålingstyper.
Alfa, Beta og Gamma
Alfastråling består af to protoner og to neutroner, der skydes ud af den ustabile atomkerne med stor fart. Alfastråling er altså fire partikler, der også er en heliumkerne.
Alfapartiklen har en positiv ladning på grund af de to positive protoner.
Betastråling er resultatet af en forvandling inde i atomkernen. En nautron deler sig og bliver til en proton og en elektron. Protonen bliver i kernen, mens elektronen kydes ud med stor fart og udgør betapartiklen. Ud over elektronen dannes også en antineutrino, som vi ikke skal arbejde med her. Betapartiklen har en negativ ladning på grund af, at den består af en negativ elektron.
Gammastråling består i modsætning til alfa- og betastråling ikke af partikler, men er lys, der i princippet kan sammenlignes med almindeligt lys, men med en meget kort bølgelængde og hoj energi. Gammastråling har ingen elektrisk ladning
Ligesom ioniserende stråling består af forskellige ting, har de også forskellige egenskaber.
Når strålingen rammer et materiale, vil den kunne bevæge sig et stykke ind stoffet, før den rammer noget, der kan standse den. Man kan sammenligne det med, hvis man sender forskellige objekter ind i en skov med spredte træer. Et objekt vil bevæge sig et stykke ind i skoven, før det rammer et træ. Hvis objektet er meget stort, vil det hurtigt blive standset af et træ, mens et meget lille objekt ville kunne rejse meget længere ind i skoven uden at ramme træer, før det var nået langt og måske helt igennem og ud på den anden side.
Herover ses en tegning, der beskriver de tre strålingstypers gennemtrængningskraft. Alfapartiklen, der jo er en heliumkerne, er relativt stor og standses af et stykke papir. Betapartiklen er meget mindre og går gennem papiret, men standses af en metalplade. Gammastrålingen består af bølger og kan gå gennem selv et tykt lag bly. Man kan se, at de tre strålingstyper følger logikken i eksemplet med skoven!
Strålingsundersøgelser
Selvom vi har teoretisk materiale, der viser strålingstypernes egenskaber, må man efterprøve teorien eksperimentelt.
I første omgang vil vi efterprøve de tre strålingstypers gennemtrængningsevne.
Her er det vigtigt, at man husker at bestemme baggrundsstrålingen, så man kan trække den fra de resultater, man får med de radioaktive kilder.
Opgave
Brug dette ark til at lave en undersøgelse af strålingen fra vores radioaktive kilder.
Henfald
De to strålingstyper alfa og beta består af partikler. Når en radioaktiv atomkerne sender partikler ud, vil de partikler mangle i kernen.
Grundstoffet Astat (At) har alfahenfald, hvor der udsendes en heliumkerne (He). Derefter har kernen to protoner og to neutroner færre, og vi ender med Bismuth (Bi).
Grundstoffet Thallium (Th) har betahenfald, hvor en neutron bliver til en proton og udsender en elektron (e-). Derefter har kernen en mere proton og en færre neutroner.
Henfaldsskemaet
På et henfaldsskema, der også kaldes et kernekort, kan man vise alfa- og betahenfald.
Her til højre ses et lille udsnit af et kernekort/henfaldsskema.
Vi kan se grundstofferne fra nummer 81-85 med neutrontallene 122-130.
Pilene angiver, hvor man ender, hvis der er hhv. alfa- og betahenfald.
Du kan se hele kernekortet med alle grundstoffernes isotoper HER.
Opgave:
Find U235 (Uran med nukleontallet 235) og tegn henfaldene, der starter her, ind på et henfaldsskema. Skriv herefter henfaldsrækken med tal og bogstaver. Prøv også andre grundstoffers isotoper.
Fission
Visse ustabile atomkerner kan spaltes, hvis de påvirkes på den rette måde.
For eksempel kan man skyde en neutron ind i en Uran 235 kerne, så den bliver til Uran 236. Denne nye kerne er så ustabil, at den spontant spaltes til fx Krypton 92 og Barium 141, samt tre nye neutroner og en meget stor energimængde. De tre nye neutroner flyver nu afsted med stor fart og kan ramme nye urankerner - en kædereaktion er i gang!
Sætter man dæmpere ind, som kan opfange en del af neutronerne, kan man kontrollere kædereaktionen. På den måde kan man høste energien i et atomkraftværk. Hvis man deriomod laver optimale forhold for kædereaktionen, får man en atombombeeksplosion!
HER kan du se en video af en simuleret kædereaktion, hvor man bruger bordtennisbolde som neutroner og musefælder som U235.
Ved henfald udsendes farlig stråling. Ved fission udsendes store mængder af ioniserende stråling - især ved en ukontrolleret kædereaktion i en a-bombeeksplosion.
Den ioniserende stråling består af kernepartikler, som elektroner, neutroner, herliumkerner eller meget energirig elektromagnetisk stråling. Vi bliver alle ramt af ioniserende stråling, der naturligt findes som baggrundsstråling overalt. Vi tager ikke skade af baggrundsstrålingen, men rammes man af den meget intense stråling fra en atombombeeksplosion, bliver cellerne i vores krop ødelagt. I alvorlige tilfælde tager kroppen så meget skade, at man dør. Det var også stråling, der slog de to videnskabsfolk Harry K. Daghlian og Louis Slotin ihjel. Læs deres historie her.
Opgave:
Hvad synes du om atomkraft? Find grunde til, at være for OG imod atomkraft. Find fx statistik over ulykker med a-kraftværker og CO2-udledning i lande med stor andel af A-kraft (Atomkraft udeleder ingen CO2). Se evt. filmene "Atomkraft - hvorfor ikke?" og "Katastrofen i Tjernobyl" på CFU.
Et eksempel på, at man udnytter den store energiudladning ved fission uden at sætte dæmpere ind, er atombomben. Her kan du studere atombomben.
Her til venstre ser du et diagram af, hvordan et atomkraftværk virker.
Vi ser, at der er to kredsløb, der er adskilt fra hinanden. Væsken, der strømmer gennem reaktoren, hvor fissionen foregår, er meget varm og bruges til at varme vand til damp, som så driver en turbine, der er forbundet med en generator. Et tredje kredsløb er kølevand, der skal få dampen til at kondensere igen.
Fukushimaværket havde et stort uheld i forbindelse med et jordskælv.