Kärnfysik – Del 1

Fysik B - NV07MTJag har kommit lite efter med bloggskrivandet i denna kurs, men här kommer en sammanfattning på det vi gått igenom i kärnfysik under vecka 15.

I boken svarar det ungefär mot avsnitten 13.1 – 13.5 i Heureka! B. Vi har talat om nukleoner (kärnpartiklar, dvs protoner och neutroner) och nuklider (hela atomkärnor, vilka är uppbyggda av nukleoner. I formelsamlingen (Formler och tabeller, Natur och Kultur, sid. 74 ff), finns massorna i enheten 1u på ett urval av  isotoper, nukleonerna och elektronen. 1u är en mycket lite massenhet, det är nämligen 1/12 av massan för en kolatom bestående av 6 protoner och 6 neutroner – brukar benämnas kol-12).

Ett alternativt sätt att ange massa på är med energi, oftast uttryckt i MeV (mega elektronvolt), enligt Einsteins relation mellan energi och massa. Egentligen är det fel att tala om relation mellan energi och massa, för massa är energi. Man kan tala om att massa är ”kondenserad energi”, alltså energi i ett annat tillstånd. För dig som är intresserad rekommenderar jag denna artikel om materia på Nationaencyklopedin (NE.se). Följande omvandlingstal gäller:

1u = 931 MeV
Massan av 1 proton = 938 MeV
Massan av 1 neutron = 940 MeV
Massan av 1 elektron = 0,511 MeV

Eftersom massa är en annan form av energi kommer också bindningsenergin i en atom att ge utslag på dess massa. Det betyder i klartext att summan av massan på de ingående partiklarna i kärnan är större än massan på hela kärnan. Skillnaden mellan de fria partiklarnas massumma och kärnans massa kallas massdefekt. I boken Heureka! B finns exempel på hur man räknar på massdefekt.

Vidare har vi talat om de fyra naturkrafterna:

  • Stark växelverkan
  • Svag växelverkan
  • Elektromagnetiska kraft
  • Gravitationskraft

Dessa står i storleksordning, med den i särklass starkaste överst. År 2004 fick tre fysiker Nobelpriset för kartläggningen kring den starka växelverkan. Läs gärna mer på Nobelpriset i fysik 2004 – Populärvetenskaplig information

Nukleonerna hålls ihop tack vare stark växelverkan. Den kraften övertrumfar vida den repulserande kraft (elektromagnetisk) som uppstår när två lika laddade nuklider kommer i närheten av varandra. En typisk kärna består av protoner och neutroner. Ju tyngre kärnan är, desto större andel av dess partiklar utgörs av neutroner. Kärnor med lika många protoner, men olika antal neutroner, kallas för olika isotoper av ett och samma ämne. Det kärnorna ”eftersträvar” är en så låg energinivå som möjligt. En låg energinivå svarar mot en hög bindningsenergi i kärnan (en stor energimängd måste tillföras för att separera nukleonerna från varandra). Beroende på vilket atomslag det är frågan om kan detta uppnås genom fusion (lättare kärnor) eller fission (tyngre kärnor).

När energinivån sänks frigörs energi i form av värme. Det är precis så ett atomenergiverk fungerar: urankärnor klyvs, energinivån sänks och värme frigörs. Dessvärre så är restprodukterna inte så nyttiga; de fortsätter med spontana sönderfall och sänder ut energi i form av skadlig strålning. Fusion är trevligare ur den aspekten. T ex två vätekärnor slås ihop till en heliumkärna. Energi frigörs, och restprodukten blir – helium. Det enda tråkiga med den processen är att den kräver värme – mycket värme.

Under veckan har det varit många frågor VARFÖR naturen beter sig på detta sätt (naturkrafter och strävan efter låga energinivåer och ekvivalensen mellan massa och energi). Fysiken går ut på att observera det som faktiskt sker och försöka hitta förklarande MODELLER för detta. Newton fann t ex en modell för gravitationskraft, Einstein reviderade denna med sin allmänna relativitetsteori (krökta rummet). På samma sätt är egentligen all fysik tankemodeller. Vad är en kraft? Något som t ex får ett föremål att accelerera. Men VAD är en kraft? En abstrakt storhet som vi symboliserar med pilar, som vi i sin tur använder för att förklara och förutsäga skeenden! På samma sätt är det t ex med massa. Vi har ett begrepp om energi, men vi vet ännu inte vad som får energin att kondensera till massa. Som sagt: Fysiken försöker svara på frågan HUR, men gör inte anspråk på ett fördjupande VARFÖR.

Slutligen: Denna vecka, vecka 15, rekommenderar jag uppgifterna 13.1 – 13.6. Nästa vecka kommer vi att börja med radioaktivitet, vilket vi kommer att arbeta med under två lektioner (avsnitt 13.6 – 13.9). Vi tar sedan lite matematik (13.10), då vi går igenom hur man kan räkna med sönderfall (matte C-kunskaper krävs!). Slutligen en liten orientering om kärnreaktioner med fusion och fission (13.12 – 13.14). Men jag kommer att uppdatera bloggen!

Kärnfysik – Del 1

Kommentera