Kapitel 10, 12-16 Flashcards
Relativitet
- Relativt betyder “i förhållande till”
- I det här avsnittet: Referenssystem i förhållande till varandra.
Exempel: En person i rymdraket, en person på jorden,
- Båda upplever allt “som vanligt” i sitt eget referenssystem.
- Referenssystemet upplevs vara i vila.
- Det som upplevs i det egna referenssystemet kallas: t(0) egentid, L(0) vilolängd och m(0) vilomassa.
- När personen på jorden “tittar in” i rymdraketens referenssystem kommer han/hon att se följande:
- Raketen rör sig med hög hastighet, v.
- Tiden t går långsammare i raketen (uppmätt utifrån) .
- Längden L är mindre (uppmätt utifrån).
- Massan M är större (uppmätt utifrån).
Speciella relativitetsteorin
Einsteins postulat (utgångspunkter):
- Ljusets hastighet är konstant i vakuum, oberoende av hur ljuskällan och observatören rör sig relativt varandra.
c = 299 792 458 m/s ≈ 300 Mm/s
- Det går inte att praktiskt bestämma om ett system är i vila eller rör sig med konstant hastighet. Relativt något annat kan båda beskrivningarna vara korrekta.
Lorentzfaktorn (gammafaktorn): ɣ
En yttre observatör uppmäter att:
1. Tiden i rymdraketen (t) går långsammare (tidsdilatation)
t = t(0) * ɣ
- Längden i rymdraketens färdriktning (L) blir kortare (längdkontraktion).
L = L(0) / ɣ - Den relativistiska massan M ökar.
- Alla föremål har en vilomassa m (den “vanliga” massan). Vilomassan kan anges som m(0) för extra tydlighet. m(0) ändras inte vid höga hastigheter.
M = ɣ * m(0)
Om v→c ⇒ ɣ →∞
⇒ Inget föremål (med vilomassa m(0) kan röra sig snabbare än ljuset, eftersom vis ljusets hastighet är den relativistiska massan M oändligt stor. Det skulle då krävas oändligt mycket energi för att accelerera föremålet ytterligare.
Massa och energi
- Einstein: Varje föremål (eller partikel) med vilomassan m och hastigheten v har en total energi.
- Viloenergi: E(0) = mc^2
- Enligt Einstein kan massa ses som en form av energi.
- Den totala energin är E(tot) = E(k) + E(0)
- Vid mycket höga hastigheter gäller inte den “vanliga” beskrivningen av E(k), utan vi behöver då utgå från:
E(k) = E(tot) - E(0)
Sönderfall och joniserande strålning
- Vid radioaktivt sönderfall sänds joniserande strålning ut. Detta är strålning med så hög energi att den kan jonisera (dvs slå loss elektroner) från atomer den träffar.
Olika typer av joniserande strålning:
- Alfastrålning
- Betastrålning
- Gammastrålning
- Neutronstrålning (förekommer vid fission)
Sönderfallsenergi
Är den energi som frigörs när atomer sönderfaller, alltså den energi som motsvarar bindningsenergin. Kallas även massdefekten.
Neutrino
Är en oladdad partikel med mycket liten massa som måste skapas i betasönderfall för att bevara energi och rörelsemängd.
Antimateria
- Antimateria består av antipartiklar och är “motsatsen” till den vanliga materian, som vår galax och resten av vårt synliga universum består av.
- Det finns en antipartikel till varje “vanlig” elementarpartikel. En antipartikel har samma massa men motsatt laddning.
Till exempel
proton - antiproton
neutron - antineutron
elektron - positron
neutrino - antineutrino
Alfastrålning
- Är en typ av joniserande strålning som består av alfapartiklar. Alfastrålning avges vid alfasönderfall (radioaktivt sönderfall).
- En alfapartikel har laddningen +2e och massan 4 u.
- Består av 2 protoner och 2 neutroner, dvs en atomkärna av helium.
- Alfasönderfall sker genom att en atomkärna sönderfaller till en dotterkärna (nytt ämne) och en alfapartikel (heliumkärna).
Betastrålning
- Är en typ av joniserande strålning som består av betapartiklar. Betastrålning avges vid betasönderfall.
Negativt betasönderfall
- Negativt betasönderfall sker genom att en neutron i en atomkärna omvandlas till en proton (⇒nytt ämne), en elektron och en antineutrino.
- Det nya ämnet har samma masstal men atomnumret har ökat med 1.
Positivt betasönderfall
- Det betydligt ovanligare positiva betasönderfallet sker genom att en proton i atomkärnan omvandlas till en neutron (⇒nytt ämne), en positron och en neutrino.
- Detta ger betastrålning i form av positroner.
- Det nya ämnet har samma masstal men atomnumret har minskat med 1.
Gammastrålning
- Är en typ av joniserande strålning som består av fotoner.
- Gammastrålning avges till följd av ett alfa- eller betasönderfall. Det finns inget rent “gammasönderfall”.
- Gammastrålning är en elektromagnetisk strålning och består alltså av “ljus” med mycket energi (fotoner).
- Gammastrålningen är oladdad och utan massa.
- Efter ett radioaktivt sönderfall är kärnan ofta i ett exciterat tillstånd. Detta innebär att det fortfarande finns överskottsenergi att bli av med. Istället för att sända ut ytterligare en alfa- eller betapartikel, kan denna energi avges i form av gammastrålning.
- Gammastrålning innebär precis som alfa- och betastrålning att kärnor övergår till ett lägre energitillstånd. Men gammastrålningen innebär ingen förändring av nukleonsammansättningen i kärnan.
- Nukliden är densamma som innan fotonerna sändes ut.
Fotonen
- Elektromagnetisk strålning (inkl synligt ljus) kan både ses som en vågrörelse med vågegenskaper, och som en partikel med partikelegenskaper.
- “Ljuspartikeln” kallas för foton. - Dessa fotoner kan ses som små energipaket.
- Energin bestäms av våglängden λ, eller frekvensen f.
v = f * λ
c = f * λ
E = h * f
E = h * c/λ
där h = 6,626 * 10^ -34 Js
(Plancks konstant)
Vid beräkningar med dessa formler måste vi använda oss av SI-enheter!
Massdefekt och bindningsenergi
- Massan hos en sammansatt kärna är lägre än när vi summerar massorna hos de fria delarna.
- I kärnan hålls nukleonerna (p och n) ihop av den starka kraften. För att frigöra dem från varandra krävs en viss mängd energi.
- Denna energi kallas bindningsenergi.
- Motsvarande energi frigörs när de fria nukleonerna sätts samman till en kärna.
- Energin kan räknas om och uttryckas som en massa:
ΔE = Δm * c^2
Energi frigörs ⇒ minskning massa ⇒ massdefekt, Δm
- Massdefekten anges ofta i enheten u, och bindningsenergi i eV.
Beräkning av massdefekten
- Summera massorna för de fria protonerna och de fria neutronerna, m(1).
- Bestäm massan för den sammansatta kärnan, m(2). (Nuktlidmassan - massan hos elektronerna).
- Δm = m(1) - m(2)
s. 19 i formelsamlingen
Atomkärnors stabilitet
- I en stabil kärna är nukleonerna hårt bundna till varandra.
⇒ stor bindningsenergi ⇒ stor massdefekt - Det spelar även roll hur många nukleoner en viss bindningsenergi ska “räcka” till. Ju fler nukleoner som ska hållas ihop av en viss bindningsenergi, desto mindre stabil är kärnan, eftersom det blir mindre energi per nukleon.
- För att jämföra olika ämnens stabilitet kan vi utgå från kvoten bindningsenergin/antal nukleoner
- Större värde på denna kvot ⇒ stabilare kärna.
- Eftersom bindningsenergin motsvarar massdefekten, dvs “förlorad” massa, kan vi också jämföra hur mycket massa som finns kvar hos olika ämnen. Ju mer massa en kärna förlorat vid sin sammansättning, desto större massdefekt, dvs bindningsenergi.
- För att jämföra olika ämnens stabilitet kan vi utgå från kvoten kvarvarande massa / antal nukleoner
- Lägre värde på denna kvot ⇒ större massdefekt/nukleon ⇒ stabilare kärna.
- Kvarvarande massa är samma som den sammansatta kärnmassan.
- De stabilaste kärnorna hittar vi hos atomer med masstal runt 60.
Radioaktivitet och joniserande strålning
En atomkärna som är instabil kan omvandlas till en annan sorts kärna med lägre energitillstånd. En sådan kärna är radioaktiv. Vid omvandlingen frigörs energi i form av joniserande strålning.
Elementarladdningen
1e är storleken av laddningen hos en elektron eller en proton.
Atomnummer, Z
Anger antalet protoner och därmed storleken av kärnans positiva laddning. Atomnumret anger också antalet elektroner hos atomen då den är oladdad.
Masstal, A
Anger summan av antalet protoner och neutroner i kärnan.
Antal neutroner
Kan bestämmas genom differensen A-Z.
Nukleoner
Är ett samlingsnamn för kärnans byggstenar, dvs protoner och neutroner.
Nuklid
En typ av atom med ett visst antal neutroner och protoner. Det är alltså atomer som har exakt samma kärnuppbyggnad, medan ordet grundämne i sig bara ställer krav på antalet protoner och därmed kan innefatta flera olika isotoper.
Isotoper
Nuklider med samma antal protoner men olika antal neutroner.
Tre väteisotoper
Protium (A=1), deuterium (A=2) och tritium (A=3).
Corioliseffekten
Vinden blåser från ett högre tryck till ett lägre. Ju större tryckskillnaden är desto större blir vindstyrkan. Samma princip gäller i jordatmosfären mellan lågtryck och högtryck, men i atmosfären kompliceras det hela av att vinden också påverkas av jordens rotation. Utan jordens rotation skulle vinden blåsa från högtryck till lågtryck men på grund av jordrotationen viker vinden av åt höger på norra halvklotet. Denna högervridning kallas Corioliseffekten.
Sjöbris
Marken på stranden har värmts upp mer än havet. Luften ovanför stranden blir då varm, utvidgar sig och stiger uppåt. Det skapas då ett undertryck som gör att luft från havet strömmar in mot land. Detta startar cirkulationen, och det börjar blåsa en vind från havet in över land.
Landbris
På natten ersätts sjöbrisen av en landbris som har precis samma drivkrafter, men nu är det marken som kyls av och blir kallare än vattnet. Då blir resultatet det motsatta: Ett undertryck ute till havs gör att luft strömmar från land ut mot havet.
Varför blåser det?
Temperaturskillnader ger upphov till tryckskillnader som i sin tur resulterar i att luftmassor rör sig. Ju större temperaturskillnaden är desto kraftigare blir vinden.
Vattenånga
Vattenånga ligger bakom mycket av det som vi kallar väder. T.ex regn, is, snö, dis, dimma, dagg, frost eller moln.
Moln
Moln består av små vattendroppar eller iskristaller. När dessa kolliderar med varandra slås de ihop, och när de blir tillräckligt stora faller de ned som regn eller snö beroende på temperatur.
Fronter
Gränsen mellan varma och kalla luftmassor kallas fronter.
De fyra krafterna
- Gravitationskraften
- Den elektromagnetiska kraften
- Den starka kraften
- Den svaga kraften (den svaga växelverkan)
Gravitationskraften
- För att räkna ut gravitationskraften används den allmänna gravitationslagen.
- I enklare sammanhang syftar gravitationskraften oftast på den kraft jorden utövar på kringliggande massor. I Sverige används 9,82 N/kg som ett mått på jordens gravitation.
- Gravitationskraften är en relativt svag kraft, och räcker inte till för att hålla samman materia.
Den elektromagnetiska kraften
- Den elektriska kraften verkar mellan två laddade partiklar enligt Coulombs lag.
- Den magnetiska kraften lam uppstå när laddade partiklar/föremål rör sig. En ledare med ström (dvs laddade partiklar i rörelse) skapar ett magnetfält, som kan påverka magneter eller andra laddade partiklar i rörelse.
Den starka kraften
- Existerar endast i atomkärnan.
- Håller samman atomkärnans partiklar (nukleoner).
Den svaga kraften
- Styr omvandlingen av partiklar. T.ex vid radioaktivt sönderfall.
- Kan inte hålla ihop partiklar.
Ljusets vågegenskaper
- Ljus som passerar genom en smal öppning sprids på samma sätt som vattenvågor, vilket kallas böjning eller diffraktion.
- En våglängd är avståndet mellan två vågtoppar i följd.
- Frekvens är antalet vågtoppar som passerar per sekund.
Ljusets partikelegenskaper
- Märks då ljus interagerar med materia.
- Ljuset kan slå loss elektroner. Detta kan påvisas med den fotoelektriska effekten.
- Rött ljus har längre våglängd och därför mindre energi än blått ljus. Energin i det röda ljuset räcker inte till att slå loss elektronerna.
- Det måste vara en enda foton som har tillräckligt med energi för att slå loss en viss elektron.
Kvarkar
- Partiklar som har en bråktalsladdning.
u-kvark (up): laddningen +2/3
d-kvark (down): laddningen -1/3 - Varje nukleon byggs upp av tre kvarkar.
Materiepartiklar
- Kvarkar och leptoner som tillsammans bildar grupper med två kvarkar och två leptoner.
- Dessa partiklar bygger upp materian.
- Leptoner och kvarkar är materiens minsta byggstenar som vi känner till idag.
Förmedlarpartiklar
Orsakar de olika slagen av krafter.
Mörk materia
- Har 5-6 gånger högre densitet än den materia som finns på jorden.
- Den mörka materiens partiklar tros vara osynliga och oladdade.
- Inte samma som antimateria.
Fission
- En kärnreaktion där en tyngre atomkärna klyvs till två mindre, oftast genom att atomkärnan bombarderas med neutroner.
- Summan av partiklarnas massor är lägre än summan av massorna före reaktionen.
- Massdefekten (bindningsenergin) sänds ut som överskottsenergi.
Fusion
- En kärnreaktion där två eller flera atomkärnor slås samman.
- Summan av partiklarnas massor är lägre än summan av massorna före reaktionen.
- Massdefekten (bindningsenergin) sänds ut som överskottsenergi.
