Kjernefysikk

Dette innlegget har allerede blitt vist 26230 ganger!

Atomkjernen

Kjernefysikk handler om det som skjer inne i kjernen,reaksjoner og interne krefter. Hvis vi går utenfor og ser på elektronene eller eksterne krefter som virker på kjernen, så er vi over på atomfysikk.

Rutherford oppdaget at kjernen hadde nesten all masse og all positiv ladning, altså protoner. I tillegg består kjernen av nøytroner, som ble oppdaget av James Chadwick. Summen av nøytroner og protoner kaller vi nukleontallet.

Nøytroner og Protoner:

Dette er slik man skriver opp et karbonatom på «Kjernespråket». Blå «C» er grunnstoffet, her karbon. Grønn «6» er protontallet, her seks, som alltid vil være seks for karbon. Rød «12» er nukleontallet, her 12, altså summen av protoner og nøytroner. Nukleontallet for karbon, eller hvilket som helst grunnstoff, er ikke alltid konstant. Antall nøytroner kan nemlig variere. Dette kalles isotope atomer. Vi finner nøytrontallet ved å trekke antall protoner fra nukleontallet, her 12-6, altså 6. En annen måte å skrive karbonatomet på er 12 over 6 C, som jeg kommer til å gjøre fremover.

Et proton skrives som 1 over 1 p, som er logisk, siden det er bare et proton, og nukleontallet blir da også en. Et nøytron skrives 1 over 0 n, siden det er kun et nukleon, men ingen protoner. Ladning er også lik null.  Et elektron skrives som 0 over -1 e, siden det ikke er noen nukleoner, og ladningen er negativ.

Atommasseenheten:

Siden atommassen er så liten, så har den fått en egen enhet, kalt atommasseenheten. Enheten, kalt u, er definert til 1/12 av massen til et karbon-12 atom, som er lik 1,66*10^ -27 kg. Merk at én u ikke er lik massen til et proton eller nøytron, men litt mindre. Dette er fordi nukleonene veier forskjellig ettersom hvilket atom de er i.

Krefter i en atomkjerne

Den Sterke Kjernekraften:

Alle protoner er positivt ladd. På grunn av den elektriske kraften burde disse frastøte hverandre med enorm kraft. Det gjør de også. Men allikevel kan 26 nukleoner, derav 13 protoner, i et aluminiumsatom pakkes tett sammen i en kuleform med en radius på 1,2*10^ -15 meter! Så hva holder dem sammen?

Svaret er den sterke kjernekraften, som er omtrent 100 ganger sterkere enn den elektriske kraften. Denne kraften er ekstremt sterk, og binder nukleonene sammen, ikke bare protoner, men nøytroner også. Altså, denne kraften motvirker den elektriske, men virker på veldig korte avstander, kun 10^-15 meter. Hvilket betyr bare nabonukleonene i kjernen. Den elektriske kraften derimot, har en uendelig rekkevidde, som betyr at den ikke bare virker på alle nukleonene i et atom, men på alle atomer i hele universet. Så jo flere protoner det er i en kjerne, desto større blir frastøtningen, mens den sterke kjernekraften fremdeles kun virker på nabonukleoner. Dette betyr at desto tyngre atomer, desto mer like blir summen av de to kreftene. Når den elektriske kraften blir sterkere enn den sterke kjernekraften, blir atomet ustabilt, det vil si radioaktivt. Hvis man slenger inn et nøytron til i kjernen derimot, så øker snittavstanden til protonene, og den elektriske kraften blir litt svakere. Det tyngste stabile atomet er 209 over 83 Bi, eller vismut-209.

Relativ styrke og utstrekning til de fire kreftene:

Gravitasjonskraft:  1           – Uendelig
Elektrisk kraft:        10^41   – Uendelig
Svak kjernekraft:    10^37   – 10^-18 meter
Sterk kjernekraft:    10^43   – 10^-15 meter

Den relative styrken er i forhold til gravitasjonskraften, som er veldig svak i forhold til de andre.

Bevaringslover

Energi

Bevaringslover spiller en viktig rolle i fysikk. Det at noe er bevart, betyr at det er like stort eller at det er like mye av det hele tiden. Det trenger ikke å være i samme form, men at det er like mye. Et eksempel er at masse og energi er to sider av samme sak, og hvis det forsvinner masse, blir det mer energi. Dette er avledet av den kanskje mest kjente ligningen i verden: E=mc^2. E er energi, m er masse og c er lysets hastighet i et vakuum. Energi kan også kun endres, for eksempel fra mekanisk energi til varmeenergi, men kan aldri forsvinne.

Ladning og nukleontall

I alle kjernereaksjoner er ladning bevart. Det betyr at summen av negativ og positiv ladning er lik før og etter reaksjonen. I tillegg er nukleontallet bevart. Det er ikke sikkert at antall nøytroner eller protoner er det samme, men summen av disse er det samme.

Masse per nukleon

Hvis du prøver å regne ut massen av et atom ved å legge sammen massen av nukleonene i kjernen, vil du få feil svar. Massen av atomet vil alltid være lavere enn nukleonene som bygger dem opp. Nukleonene har altså mindre masse når de er bundet opp i en atomkjerne.

Hvis vi ser på forholdet mellom nukildemassen m, og nukleontallet A, altså m/A, til alle atomer og isotoper, og setter de opp i en graf, får vi noe slikt:
m/AX-aksen er antall nukleoner, og y-aksen er gjennomsnittlig masse per nukleon, m/A. Vi ser at grafen synker raskt fra starten og har et bunnpunkt ved jern-56, og øker derfra sakte opp mot uran-238 og videre. Utifra E=mc^2 kan vi si at en nukilde med liten m/A har liten masseenergi per nukleon og at en nukilde med høy m/A har mye masseenergi per nukleon. Hvis vi har en kjernereaksjon hvor m/A minker, blir det mindre samlet masseenergi enn før. Det blir omgjort masse til energi i form av kinetisk energi og eventuell strålingsenergi. Dette skjer i kjernereaksjoner som fører mot bunnpunktet til grafen. Dette kan skje på to måter. Enten kan to lette stoffer med høy m/A slå seg sammen til et tyngre grunnstoff med mindre m/A, via fusjon, eller så kan et tungt stoff med høy m/A dele seg til to stoffer med mindre m/A, via fisjon. Reaksjonene kan også gå motsatt vei, men da må man tilføre energi.

Fisjon

Store kjerner er ustabile, og det skal ikke mye til for å forstyrre denne kjernen slik at de elektriske kreftene får overtaket på kjernekraftens tiltrekning. Da blir kjernen delt i to lettere stoffer, og bitene, kalt fisjonsfragmentene, farer fra hverandre. Den kinetiske energien i bitene svarer til massetapet. Når tunge stoffer til høyre i grafen fisjonerer, minker m/A. Derfor er den samlede massen av de to nye kjernene mindre enn den opprinnelige kjernen. Massesvinnet omformes til kinetisk energi hos fragmentene og strålingsenergi hvis bitene er eksiterte, noe de som regel er. De sender ut gammastråling når de faller tilbake til et lavere energinivå. Den kinetiske energien ender som termisk energi som man kan utnytte i kjernekraftverk.

Nuclear_fission.svg

 

En måte å skape en fisjon på er å sende et nøytron mot en U-235-kjerne. Nøytronet blir

Det er viktig at det er et «langsomt» nøytron som blir fanget opp av kjernen, ellers så kan det hende at det går gjennom kjernen uten å legge igjen nok energi til at den deler seg.fanget opp, og urankjernen blir ustabil. Den deler seg typisk opp i en Ba-141-kjerne og en Kr-92-kjerne, og tre nye nøytroner. Merk at både ladning og nukleontall er bevart. Dette er én reaksjon, men en urankjerne kan dele seg på mange flere måter. Men denne reaksjonen sender ut både energi og nøytroner. Dette er viktig, og det skal jeg komme tilbake til. Begge fisjonsbitene her er radioaktive, og sender også ut stråling og energi, og gjør at energiregnskapet blir ganske omfattende.

Kjedereaksjon og kritisk masse

Vi har sett at i en typisk fisjon av et uran-235 atom, så dannes det tre nye nøytroner. Hvis disse nøytronene bremsens og hver treffer, og da spalter, ut nytt U-235 atom, så vil det dannes ni nye nøytroner, osv. Dette kalles en kjedereaksjon. På veldig kort tid vil det spaltes mange kjerner, og frigjøres store mengder energi.

For at dette skal skje, så må det være en viss mengde uran. Hvis det er for lite, så vil nok nøytronene slippe ut før de treffer en ny kjerne og skaper en kjedereaksjon. Får å få en kjedereaksjon må ha så stor masse at flere enn et nøytron reagerer med en kjerne før det slipper ut. Denne massen kalles kritisk masse, og for uran-235 er den ca. 50 kilo, eller en kule med diameter på ca.17 cm. En overkritisk klump med uran kan på en milliondels sekund gi fra seg enorme mengder energi og stråling. Men klumpen går fort i stykker og blir underkritisk.

Det er dette som skjer i både atombomber og atomkraftverk. I atombomber skjer fisjonen ukontrollert, men i reaktorer blir den kontrollert. Man kan kontrollere reaksjonen ved å senke eller øke antall nøytroner som skaper reaksjoner. Dette kan man gjøre med kontrollstaver laget av et stoff som absorberer nøytroner, for eksempel kadmium. Det er ikke strålingsenergien som utnyttes i et kraftverk, men heller den termiske energien. Uran-stavene er omgitt av vann som fordamper og driver turbiner.

Fusjon

Det motsatte av fisjon er fusjon, hvor man slår sammen to lette stoffer med høy m/A, til et tyngre stoff med lavere m/A. Fusjon er vanskeligere å få til enn fisjon, fordi lette atomkjerner er ikke ustabile. For at en fusjon skal skje, må man presse to kjerner sammen, slik at kjernekraften får overtaket på den elektriske kraften. Siden den elektriske kraften øker voldsomt hvis man minsker avstanden, så krever det store mengder energi for å presse dem sammen. De må kollidere med enorm hastighet, og det er det som skjer inne i stjernene. Der er temperaturen og trykket så høyt at fusjon inntreffer. En typisk reaksjon i sola er fire hydrogen-atomer som slår seg sammen til et helium-atom, 2 positroner, 2 nøytrinoer, samt energi som tilsvarer ca. 4,4 pJ. Et positron er anti-partikkelen til et elektron, og et nøytrino et en liten partikkel med nesten ingen masse, men som stikker av med litt energi allikevel. De er veldig vanskelige å oppdage, fordi de nesten aldri reagerer med vanlige partikler.