Kärnreaktioner – Enkel förklaring med exempel!

Kärnreaktioner är processer där en atomkärnas struktur förändras. Detta kan ske på flera olika sätt, så som genom radioaktivt sönderfall, kärnfission (delning av en atomkärna) och kärnfusion (sammanslagning av två atomkärnor). Dessa reaktioner frigör stora mängder energi och är grunden till allt från kärnkraftverk till solens strålning.

2. Principen bakom Kärnreaktioner

Kärnreaktioner följer ett antal fundamentala fysikaliska lagar, kända som bevarandelagar. Dessa är bra att komma ihåg för att förstå hur uppgifter löses:

  • Bevarande av Laddning: Den totala laddningen före och efter en reaktion måste vara densamma. Detta innebär att antalet positivt laddade protoner och negativt laddade elektroner måste vara konstant.
  • Bevarande av Kärnpartiklar (Baryonantal): Totala antalet protoner och neutroner (kända som nukleoner) måste förbli konstant före och efter reaktionen.
  • Bevarande av Energi: Energi kan varken skapas eller förstöras, bara omvandlas från en form till en annan. I en kärnreaktion omvandlas den inre energin i en atomkärna till andra former av energi, till exempel kinetisk energi (rörelseenergi) eller strålningsenergi.


3. Stabilitet i Atomkärnor

För att förstå stabiliteten i en atomkärna, kan man tänka på det som ett slags balansbräda. I en atomkärna finns protoner och neutroner. Protonerna är positivt laddade medan neutronerna är oladdade. Protonerna avstöter varandra på grund av deras lika laddningar – det är som att försöka trycka ihop två starka magneter som vänder emot varandra. Denna kraft skulle vanligtvis inte kunna hålla ihop kärnan, men det finns en annan kraft som ser till att det är möjligt – den starka kärnkraften.

Den starka kärnkraften är enormt stark på mycket korta avstånd och det är den som håller protoner och neutroner samman i kärnan, trots att protonerna (tänk magneterna) ogillar det. Men den starka kärnkraften kan bara sträcka sig ett mycket kort avstånd. Om en atomkärna blir för stor, kan kärnkraften inte hålla ihop kärnan längre och den blir instabil.

En annan faktor är antalet neutroner i förhållande till antalet protoner. Neutroner bidrar till den starka kärnkraften men adderar inte till den elektrostatiska repulsionen (tänk magneter) eftersom de är oladdade. Så de hjälper till att hålla kärnan stabil. Men om det finns för många neutroner kan det också orsaka instabilitet.

4. Kärnreaktioner och Energi

I kärnreaktioner frigörs enorma mängder energi. Detta beror på ett fenomen som kallas massdefekt: den kombinerade massan av en atomkärnas enskilda partiklar är större än massan av kärnan som helhet. Skillnaden omvandlas till energi enligt Einsteins berömda formel E=mc^2, där E är energi, m är massdefekt och c är ljusets hastighet. Denna energi kan sedan omvandlas till andra former, som värme eller elektricitet.

5. Exempel på beräkningar frisläppt energi vid Kärnreaktioner

För att illustrera hur energi beräknas i kärnreaktioner, låt oss ta två utförliga exempel:

Exempel 1: Alfautsöndring

Alfautsöndring är en typ av radioaktivt sönderfall där en atomkärna utsänder en alfa-partikel (heliumkärna) och förvandlas till en ny atomkärna. Låt oss ta Barium-144 som exempel, som sönderfaller via alfautsöndring till kärnan av ädelgasen Xenon.

Reaktionsformeln blir således:

¹¹⁴Ba → ¹¹⁰Xe + ⁴He

För att beräkna den energi som frigörs, använder vi formeln E=Δmc², där Δm är massdefekten och c är ljusets hastighet. Vi behöver nu bestämma massdefekten, som är massan av den ursprungliga kärnan (Barium-114) minus massan av de slutliga produkterna (Xenon-110 och Helium-4).

Låt oss säga att massorna är följande (i atommassenhet, u):

  • Massa_Barium-114 = 113.95033 u
  • Massa_Xenon-110 = 109.94426 u
  • Massa_Helium-4 = 4.001506 u

Massdefekten blir då:

Δm = Massa_Barium-114 – (Massa_Xenon-110 + Massa_Helium-4)

Δm = 113.95033 u – (109.94426 u + 4.001506 u)

Δm = 0.004564 u

Vi omvandlar denna massdefekt till kilogram (1 u = 1.66053904010^-27 kg) och sätter in värdena i energiformeln (här är c = 310^8 m/s):

Δm = 0.004564 u * 1.660539040*10^-27 kg/u = 7.57760294 *10^-30 kg

E = Δm * c² = 7.57760294 10^-30 kg * (310^8 m/s)² = 6.82 * 10^-13 Joule

Eller med hjälp av omvandlingen 1 MeV = 1.60218*10^-13 Joule, får vi att den frigjorda energin är cirka 4.26 MeV.

Exempel 2: Fusion

Fusion är processen där två lätta atomkärnor smälter samman och bildar en tyngre atomkärna, vilket frigör energi. Ett vanligt exempel är fusionen av två vätekärnor (deuterium och tritium) för att bilda en heliumkärna.

Formeln för denna reaktion ser ut så här:

²H + ³H → ⁴He + n

För att beräkna den frigjorda energin, gör vi som i föregående exempel: vi subtraherar massan av de ursprungliga atomkärnorna från massan av den bildade heliumkärnan och neutronen för att få massdefekten.

Låt oss säga att massorna är följande (i atommassenhet, u):

  • Massa_Deuterium = 2.014102 u
  • Massa_Tritium = 3.016049 u Massa_Helium-4 = 4.001506 u
  • Massa_neutron = 1.008665 u

Massdefekten blir då:

Δm = (Massa_Deuterium + Massa_Tritium) – (Massa_Helium-4 + Massa_neutron)

Δm = (2.014102 u + 3.016049 u) – (4.001506 u + 1.008665 u)

Δm = 0.01998 u

Vi omvandlar denna massdefekt till kilogram (1 u = 1.66053904010^-27 kg) och sätter in värdena i energiformeln (här är c = 310^8 m/s):

Δm = 0.01998 u * 1.660539040*10^-27 kg/u = 3.31763139 *10^-29 kg

E = Δm * c² = 3.31763139 10^-29 kg * (310^8 m/s)² = 2.986 * 10^-12 Joule

Eller med hjälp av omvandlingen 1 MeV = 1.60218*10^-13 Joule, får vi att den frigjorda energin är cirka 18.6 MeV.

6. Quiz – har du förstått?

Testa vad du lärt dig med ett quiz!

  1. Vad kallas den kraft som håller ihop protoner och neutroner i en atomkärna?
    • A. Elektrostatisk kraft
    • B. Svaga kärnkraften
    • C. Starka kärnkraften
    • D. Gravitationskraft
  2. Vilket av följande alternativ beskriver bäst massdefekt?
    • A. Massan av en atomkärna är större än summan av dess enskilda partiklar.
    • B. Massan av en atomkärna är mindre än summan av dess enskilda partiklar.
    • C. Massan av en atomkärna är lika med summan av dess enskilda partiklar.
    • D. Ingen av ovanstående.
  3. Vilken formel beskriver omvandlingen av massa till energi?
    • A. F=ma
    • B. E=mc^2
    • C. p=mv
    • D. F=Gm1m2/r^2

Svar: 1(C), 2(B), 3(B)


För mer hjälp med fysik besök vår begreppssamling med förklaringar eller uppgiftsbank med övningsuppgifter om fysikbegrepp och koncept och såklart finns det lösningar! Allt för att du ska förstå fysiken så bra som möjligt. Du hittar även en komplett formelsamling som du får ta med dig till Kursprovet! Och kom ihåg, oavsett om du är en student som behöver hjälp med dina fysikuppgifter eller bara nyfiken på ett begrepp, finns det alltid hjälp att få, och nya saker att lära!

Lämna ett svar

Annons
GratisAccess to basic materials.$0Join
PremiumFull access, premium materials, and support.$10Join