Kap 7: Kjernefysikk

Question 1

7a: Nukleon

Answer 1

er et samlebegrep for nøytroner og protoner (som er byggesteiner i atomkjernen)

Question 2

Nukleontall (A):

Answer 2

er antall nukleoner i kjernen
A= Z + N
- Z: Protoner
- N: Nøytroner

Question 3

Isotoper:

Answer 3

Atomer fra samme grunnstoff, men med ulikt antall nøytroner (N).

• samme Z, men forskjellig N
• Eks: Karbon: Z=6, mens N=8, .., 12, 13, 14,..

Question 4

Hvordan skriver man isotoper med tall og bokstaver?

Answer 4

A tallet øverst, Z tallet nederst, deretter x eller grunnstoff.

Question 5

Nuklide

Answer 5

Et nøytralt atom med alle sine elektroner kaller vi en nuklide

Question 6

Masseenheter:

Answer 6

1 u= 1.66 * 10^-27 kg

• Proton: 1/1 P mp= 1.007276 u
• Nøytron: 1/0 n mp= 1.008665 u
• Elektron: 0/-1 e mp= 0.000649 u

Question 7

7.02) Bestem protontall (Z), nøytrontall (N), og elektrontall (e) i hver av disse nuklidene :

Answer 7

3H: Z(1), N= 3-1= 2, E(1)

27AI: Z(13), N= 27-13= 14, E(13)

Question 8

7.03) Hva er forholdet mellom antall nøytroner og protoner i 238 U 92?

Answer 8

Forhold= N/Z=> 288-92 / 92 = 146 / 92 => 1.586 = 1.5

- Dette tallet øker oppover i periodesystemet

Question 9

7.04) Skriv fullstendig symbol for en atomkjerne med …

Answer 9

a) 11 protoner og 12 nøytroner
A= 11 + 12=> 23 (Na-23-11)

b) 53 protoner og 131 nukleoner
(I-131-53)

c) 144 nøytroner og 237 nukleoner
Z= 237 - 144=> 93 (Np-237-93)

Question 10

7b) Kjernekraft

Answer 10

Sterke bindinger mellom protoner og nøytroner i kjernen. Har kort rekkevidde men er ekstremt sterke.

Question 11

Hvorfor spiller ikke gravitasjonskraften noen rolle i kjernen?

Answer 11

Fordi den er ekstremt mye mindre mellom to protoner i kjernen enn det den elektriske frastøtningen er.

Question 12

Hvorfor har tyngre grunnstoffer mange flere nøytroner enn protoner i kjernen?

Answer 12

Fordi protonene må ha såpass med avstand mellom seg for at den elektriske frastøtningen skal være mindre enn kjernekraften

Question 13

Hvordan er forholdet mellom protoner og nøytroner i kjernene når størrelsen øker? Hvorfor?

Answer 13

Jo flere protoner i kjernene, jo flere nøytroner. Det stiger eksponensielt med antall protoner. Dette er fordi avstanden mellom protonene må være stor nok for at kjernekreftene skal være større enn den elektriske frastøtningen. Den minker med avstand

Question 14

Radioaktivitet

Answer 14

Ustabile kjerner kan sende ut alfa, beta eller gammastråling for å bli mer stabile.
Mange trinn kan være nødvendig før man ender på en stabil nuklide.
- Radioaktive kjerner er ustabile. de blir stabile ved å sende ut stråling.

Question 15

Hva skjer med protontallet (z), nøytontallet (N), og nukleontallet (A) når en atomkjerne sender ut Alfa-, Beta- og Gammastråling?

Answer 15

Alfastråling er helium kjerner:
er ustabile atomkjerner som sender ut partikler som
består av to nøytroner og to protoner. Det er altså
heliumkjerner med stor fart som forlater atomkjernen.
- Når en atomkjerne sender ut alfastråling, vil atomkjernene inneholde 2 protoner og 2 nøytroner mindre.
- Eks: Uran(238)–> thorium(234) + helium (4)

Betastråling er elektroner:
når atomkjerner sender ut elektroner med stor fart. En atomkjerne inneholder ingen elektroner. Det som derfor skjer er at et nøytron i atomkjernen omdannes til et proton og et elektron.
- Elektronet forlater atomkjernen med veldig stor fart, mens protonet blir værende. Atomkjernen mister dermed ingen protoner og nukleontallet forandres ikke, men det er dannet et nytt grunnstoff.
- Eks: Karbon(14)–> nitrogen(14) + elektron
- Nukleontallet er alltid det samme ved betastråling.

Gammastråling: er energirike fotoner
elektromagnetisk stråling som består av energirike fotoner. Energien i fotonene har en slags “overskuddsenergi” som atomkjernene frigjør etter å ha sendt ut alfa- eller betastråling.

Question 16

Uran som omdannes til stabilt bly gjennom flere trinn (alfa og beta)

Answer 16

U(238-92) -a-> Th(234-90) -b-> Pa(234-91) -b-> U(234-92) -a-> Th(230-90) -a-> Ra(226-88) -a-> Rn(222-86) -a-> Po(218-84) -a-> Pb(214-82) -b-> Bi(214-83) -b-> Po(214-84) -a-> Pb(210-82) -b-> Bi(210-83) -b-> Po(210-84) -a-> Pb(206-82)

Question 17

7.05) Hvilken radius ville jorda få om den ble sammenpresset slik at den fikk samme tetthet som en atomkjerne (p= 6*10^18 kg/m^3)?

Answer 17

P= masse kjerne / volum kjerne

V-kjerne= m-kjerne / P => 5.974 *10^24 kg / 6 * 10^18 kg/m^3 => 995 666

V-kjerne= 996 666 * (3*3.14) / 4=> 234 477 = 3 k.rot (234477)=> 61.66 m

Question 18

7.06) Kun 2 stabile kjerner har Z > N, hvilke?

Answer 18

Hydrogen (1/1 H) og Helium (3/2 He)

Question 19

7.105) Kan du nevne en årsak til at det blir en stadig større andel nøytroner i stabile atomkjerner når atomnummeret øker?

Answer 19

Nøytroner bidrar til å øke gjennomsnittsavstanden mellom protonene i kjernen. Den elektriske frastøtningen mellom protoner minker når avstanden mellom den øker, så flere nøytroner bidrar til å stabilisere tunge kjerner.

Question 20

7c) Loven for masseenergi

Answer 20

E0 = mc^2

• m er massen til gjenstanden, - E0 er masseenergi
• c er lysfarten i vakuum (3*10^8)

Question 21

Bevaringslover

Answer 21

1) Nukleontallet(A), (A= Z+N=> protoner + nøytroner)
2) ladning
3) Totalenergien(E), (E= mc^2)
- Energi fra massesvinn (trekant E= trekant mc^2)
- Massesvinn: trekant m= m(Th-234-90) + m(He-4-2) - m(U-238-92)

• En Uran-238-kjerne veier mer enn en Thorium-234-kjerne + en alfapartikkel.

Question 22

Hva sier “bevaringslovene” for kjernereaksjoner?

Answer 22

• Ladningen er bevart
• Nukleontallet er bevart (men antall nøytroner/protoner kan være endret).
• Totalenergien er bevart

Question 23

Det er ikke alltid massen er lik før og etter en kjernereaksjon. Hva er forklaringen på det?

Answer 23

Einstein mente med sin relativitetsteori at masse og energi var to sider av samme sak. Den massen som «forsvinner» i en kjernereaksjon er omdannet til frigjort kinetisk energi eller strålingsenergi

Question 24

Hva er frigjort energi?

Answer 24

Frigjort energi ved kjernereaksjoner er ΔE0 = Δmc^2
Δm = differansen mellom den samlede massen før og etter reaksjonen.
- Frigjort energi omfatter kinetisk energi og strålingsenergi.

Question 25

Hva er totalenergi?

Answer 25

Det totale energiregnskapet
E = E0 + Ek + Ey
- E0= samlede masseenergien
- Ek= samlede kinetiske energien til partiklene
- Ey= strålingsenergien til eventuelle gammafotoner

Question 26

Hva er forholdet mellom masse per nukleon og masseenergi?

Answer 26

• En nuklide med liten masse per nukleon har liten masseenergi.
• En nuklide med stor masse per nukleon har stor masseenergi.

Question 27

Radioaktivt Uran-238 sender ut alfastråling:

Answer 27

U(238-92) –> Th(234-90) + He(4-2) + energi

Question 28

Radioaktivt thorium-234 sender ut betastråling:

Answer 28

Th(234-90)–> Pa(234-91) + e(0 -1) + v + energi

Question 29

Masse er altså ikke bevart

Answer 29

Nukelonene (altså protonene og nøytronene) veier forskjellig avhengig av hvor mange av dem vi pakker sammen.

• Kan illustreres med en graf; som viser masser per nukleon som funksjon av antallet nukleoner.
• Kjernene er altså tettere og mer stabile jo nærmere bunnpunktet vi kommer
• Fe-56 –> laveste massen er nukleon.

Question 30

7.09) Finn den ukjente partikkelen X i disse kjernereaksjonene:

Answer 30

a) AI (27-13) + He(4-2) –> X (P-30-15) + n(1-0)
c) Te(130-52) + X (H-2-1) –> I(130-53) + 2 n (1-0)
d) Mg(24-12) + H(1-1) –> X (AI-25-13) + y