Kärnfysik och partikelfysik sammanfattning – Fysik 1

Kärnfysik och partikelfysik är oftast det sista området i Fysik 1 kursen! Om så är fallet vill vi börja med att peppa dig, det är inte långt kvar nu. Sluta inte kämpa nu. Våra instuderingsfrågor om kärnfysik och partikelfysik är en komplett sammanfattning på de begrepp och samband som ingår i Fysik 1. Kan du begreppen som står nedanför är du på god väg att klara ditt nästa prov om kärnfysik. När man pratar om kärnfysik förs tanken ofta in på kärnkraftverk och kärnkraft. Fast kärn- och partikelfysiken är så mycket mer. De två områdena som nämns ovan är endast en liten del av området som till största del består av radioaktivitet, sönderfall, massdefekt och bindningsenergier.

Som vanligt rekommenderar vi att instuderingsfrågorna används för att plugga inför prov men också för att få kluriga begrepp förklarade för sig. De går också jättebra att använda för att du som inte kommit i kontakt med kärnfysiken innan ska förstå den, men då gärna i kombination med Youtubeklippen från vår Youtubebank. Söker du efter något specifikt begrepp? Använd då sökrutan till höger eller sökfunktionen i din webbläsare (öppnas genom att trycka på knapparna ctrl + f samtidigt).

TRYCK HÄR – För att komma till Uppgifter som handlar om fysik 1 partikel- och kärnfysik uppgifter.

Studerar du inför prov och vill förhöra dig själv eller din kompis så finns samma frågor fast utan svar här.

Önskar du istället en utskriftsvänligt version av frågorna, skrolla då längst ner på sidan.

Om du ser något som är fel eller en fråga som behöver förklaras så tveka inte utan hör av dig till oss! Det hade uppskattats otroligt mycket, både av oss och alla andra som läser. Tack på förhand!

1. Hur ser beräkningen ut för hur mycket energi 1 u motsvarar?

Att veta att 1u motsvarar 931, 49 MeV är en sak men på prov vill troligtvis din lärare att du visar hur du fått fram denna siffra. Så här gör du!

1. Skriv om massan för ett u i kg.

$1u\quad =\quad 1\quad \times \quad 1,665...\quad \times \quad { 10 }^{ -27 }\quad kg$

2. Beräkna hur mycket energi det motsvarar.

$E\quad =\quad m{ c }^{ 2 }\quad ==>\quad E\quad =\quad 1,6605\quad \times \quad { 10 }^{ -27 }\quad \times \quad (2,9979\quad \times \quad { 10 }^{ 8 })^{ 2 }\quad =\quad 1,4923...\quad \times \quad { 10 }^{ -10 }\quad J$

3. Beräkna hur många elektronvolt som energin motsvarar.

$\frac { E }{ eV } \quad =\quad hur\quad manga\quad elektronvolt\quad energin\quad motsvarar\quad ==>\quad \frac { 1,4923...\quad \times \quad { 10 }^{ -10 } }{ 1,602\quad \times \quad { 10 }^{ -19 } } =\quad 931499614\quad eV\quad \approx \quad 931,49\quad MeV$

2. Vad beskriver atomnumret och masstalet och vad är en nukleon?

Atomnumret beskriver summan av alla protoner hos en atom medan masstalet beskriver summan av alla protoner och neutroner hos en atom.

En nukleon är en partikel som finns i atomkärnan. Exempel på nukleoner är protoner och neutroner.

Lite förkortningar som är bra att kunna är att:

Z: Antalet protoner

N: Antalet neutroner

A: Antalet nukleoner (kärnpartiklar) (A = N + Z)

Vill du veta mer? Här är en video från Youtubebanken som förklarar alla delar av atomkärnan som ingår i fysik 1 kursen.

3. Vad är en nuklidmassan?

En nuklid är en oladdad atom. En atom som har lika många protoner som elektroner. Nuklidmassan är summan av alla partiklar hos en atom. Nuklidmassan = protonerna + neutronerna + elektronerna.

Vill du veta mer? Kika in denna videon i så fall. (OBS samma video som till fråga ett)

4. Vad är en elektronvolt (eV)? Hur går man från Joule till elektronvolt? Hur går man från elektronvolt till Joule?

En elektronvolt beskriver laddningen för en elektron.

$1\quad eV\quad =\quad 1,602\quad \times \quad { 10 }^{ -19 }\quad Joule$

Tips när man går från Joule t elektronvolt eller tvärtom!

För att gå från Joule till eV ska ett litet tal (talet är mindre om det skrivs i Joule jämfört med eV) bli ett stort. Därför ska Joule divideras på konstanten för 1 eV.

För att gå fån eV till Joule ska ett stort tal bli ett mindre tal (samma resonemang som ovan fast tvärtom). Därför ska eV multipliceras med konstanten för 1 eV.

5. Vad är den atomära massenheten? Hur omvandlar man u till kg? Hur omvandlar man kg till u?

Den atomära massenheten förkortas u och ett u motsvarar ungefär massan på en proton eller en neutron. Mer exakt motsvarar $1u\quad =\quad 1,660539\quad \times \quad { 10 }^{ -27 }kg$

Tips när man omvandlar u till kg, eller vice versa:

När man omvandlar u till kg så går man från ett stort tal till ett mindre. Därför ska u multipliceras med konstanten ( $1,660539\quad \times \quad { 10 }^{ -27 }kg$ ).

När man omvandlar kg till u så går man från ett stort tal till ett mindretal. Därför ska u divideras med konstanten ( $1,660539\quad \times \quad { 10 }^{ -27 }kg$ ).

6. Vad är fenomenen massdefekt och bindningsenergier?

Massdefekt är det fenomen att summan för massan av de fria partiklarna i en atom (alltså summan av massan från alla protoner, neutroner och elektroner för sig) är större än massan på atomen. Denna skillnad kallas för massdefekten.

Massdefekten motsvarar den energi (bindningsenergi) som frigörs när bindningar bildas i atomkärnan och också tvärtom. Den energi som krävs för att bryta bindningarna i atomkärnan.

$\Delta m:\quad massdefekten\\ \Delta m\quad =\quad { m }_{ fria\quad partiklarna }\quad -\quad { m }_{ atom }$

Massdefekten är ett mått på bindningsenergin. För skillnaden i massa kommer sig från att en del av massan har ”använts” som bindningsenergi i kärnan. För att beräkna bindningsenergin måste massdefekten först räknas ut och sedan ska massdefekten omvandlas till eV.

Bindningsenergin är ett mått på hur starka de kemiska bindningarna är. Oftast är det bindningsenergin per nukleon som ska räknas ut och då ska bindningsenergin divideras med antalet nukleoner (partiklar i kärnan).

Vill du se en video? Här är en grymt pedagogisk video från Youtubebanken.

7. Hur görs beräkningar på massdefekt och bindningsenergier? Visa genom att göra beräkning på U-238.

8. Vad är fusion?

Fusion är sammanslagning av två lätta molekyler till en tyngre molekyl. Oftast är det väte som slås ihop till helium. När det sker frisläpps en stor mängd energi. Reaktionsformeln visar hur fusion av deuterium och tritium går till:

$Fusion\quad av\quad deuterium\quad \& \quad tritium\\ _{ 1 }^{ 2\quad }{ H }\quad +\quad _{ 1 }^{ 3\quad }{ H }\quad ->\quad _{ 2 }^{ 4\quad }{ H }e\quad +\quad _{ 0 }^{ 1\quad }{ n }$

Visar hur fusion av U-235 kan se ut. Det tillförs en neutron och kärnan blir då väldigt instabil och splittras till två nya atomslag. I detta fallet Ba-144 och Kr-89.

9. Vad är fission?

Fission är det som sker då en stor atomkärna klyvs till två mindre atomkärnor plus ett par lösa neutroner. Det frisläpps en energi när detta sker.

10. Vilka är det fundamentala krafterna?

Den svaga kärnkraften – ingår inte i Fysik 1-kursen.
Den elektromagnetiska kraften – håller ihop atomer. Är kraften som får lika laddningar att repellera varandra och attrahera olika laddningar. Den har lång räckvidd men avtar desto längre avståndet blir.
Den starka kärnkraften – Verkar mellan kvarkar och inom sammansatta partiklar så som protoner och neutroner. Den håller ihop atomkärnan och motverkar den elektromagnetiska kraften som försöker dra isär kärnan. Den starka kraften har en kort räckvidd.

11. Varför sönderfaller vissa kärnor? Hur kan en atom sönderfalla? Vad skiljer sig mellan de olika sönderfallen?

Atomkärnor sönderfaller eftersom det blivit för stora. Avståndet mellan kärnpartiklarna ökar då vilket göra att den starka kraften försvagas. Det på grund av att den har för kort räckvidd för att motverka den elektromagnetiska kraften. Till slut räcker det inte med att ytterligare en neutron tillkommer som ”klister” utan det sker ett sönderfall.

Sönderfall eller kärnreaktioner kan antingen vara spontana eller påtvingade. När atomerna sönderfaller bildas en eller flera dotterkärnor och ibland även någon partikel. Det avges också energi. Det finns tre olika strålningar. $\alpha ,\quad \beta \quad \& \quad \gamma$ (Alfa-, beta- och gammastrålning).

Det finns även tre olika sönderfall. $\alpha ,\quad { { \beta }^{ - } }\quad \& \quad { { { \beta } } }^{ + }$ . Alla dessa typer av sönderfall är joniserad strålning vilket betyder att de kan omvandla nuklider till joner.

Alfa-sönderfall

Alfa-sönderfall sker med tunga kärnor. Alfapartikeln är en He-4 kärna. Moderkärnan sönderfaller till en dotterkärna och en alfapartikel och det frisläpps energi. Energin som frisläpps kommer antingen som rörelseenergi hos alfapartikeln eller som gammastrålning då dotterkärnan kan exciteras (lyftas upp) till högre nivå och sedan falla tillbaka igen. Då sänds gammastrålning ut.

Det blir rörelseenergi hos alfapartikeln och inte dotterkärnan eftersom alfapartikelns massa är mycket mindre i förhållande till dotterkärnan. Då rörelsemängden (m*v) ska bevaras och rörelseenergin är $\frac { m\quad \times \quad { v }^{ 2 } }{ 2 }$ så blir hastigheten för alfapartikeln större vilket leder till att rörelseenergin blir ännu större.

För att beräkna energin som frisläpps vid alfasönderfall används beräkningar på massdefekt (Δm).

En reaktionsformel för när Radon-222 sönderfaller till Polonium ser ut enligt följande:

$_{ 86 }^{ 222 }{ Rn }\quad ->\quad _{ 84 }^{ 218 }{ Po }\quad +\quad \alpha \quad +\quad energi\quad$

Klicka här för att se en video som förklarar alfasönderfall.

Betasönderfall

Betasönderfall sker på grund av den svaga kärnkraften. Betasönderfallen skiljer sig från alfasönderfallet eftersom vid ett betasönderfall så sker en partikelomvandling. I β- sönderfall omvandlas en neutron till en proton, elektron och en antineutrino. Gemensamt för båda betasönderfallen är att de partiklar som sänds ut har en mindre massa än vad alfasönderfallet sänder ut och är därför svårare att stoppa.

Energin i ett β- sönderfall fördelas mellan elektronen och antineutrinon.

Antineutrinon skrivs som ett v/u (mer exakt ν som är den grekiska bokstaven nu) med ett streck över.

Energin som sänds ut räknas ut med hjälp av Δm men viktigt att komma ihåg är att massan för elektronen inte ska tas med i beräkningen eftersom då blir svaret fel.

Reaktionsformel på då Kol-14 sönderfaller med beta minussönderfall:

$_{ 6 }^{ 14 }{ C }\quad ->\quad _{ 7 }^{ 14 }{ N }\quad +\quad \overset { \_ }{ \nu } \quad +\quad { e }^{ - }\quad$

I ett beta-plussönderfall omvandlas en proton till en neutron, neutrino (ν) och en positron (e+). Dessa sönderfall är inte lika vanliga som beta-minussönderfall.

Reaktionsformeln då kol-10 sönderfaller i ett beta-plussönderfall ser ut enligt följande:

$_{ 6 }^{ 10 }{ C }\quad ->\quad _{ 5 }^{ 10 }{ B }\quad +\quad \nu \quad +\quad { e }^{ + }\quad$

Klicka här för att se en superpedagogisk video om vad betastrålning är, eller här för att se en minst lika pedagogisk förklaring om gammastrålning.

12. Vad är elektroninfångning?

Elektroninfångning innebär att en elektron från atomens yttre skal fångas in av atomens kärna. Då detta sker kommer en av kärnans protoner övergå till neutron så här:

p+:proton, e-: elektron, n: neutron, ν: neutrino, γ: gammastrålning

p+ + e- –> n + ν + γ

12. Vad är halveringstid? Hur görs beräkningar på halveringstiden?

Halveringstid är den tid det tar för hälften av atomerna av ett ämne att sönderfalla. Det går inte att säga exakt när en specifik atomkärna ska sönderfalla utan det går endast att säga när hälften av ett stort antal atomkärnor har sönderfallit.

Halveringstiden skrivs som ${ t }_{ \sfrac { 1 }{ 2 } }$ .

I en uppgift där man har antingen halveringstiden eller sönderfallskonstanten kan den variabel av dessa som man inte har räknas ut med följande formel:

$\lambda :\quad sönderfallskonstanten,\quad { t }_{ \sfrac { 1 }{ 2 } }:\quad halveringstiden\\ \lambda \quad =\quad ln2\quad \times \quad { t }_{ \sfrac { 1 }{ 2 } }$

Vill du veta mer? Här är en mycket bra video som förklarar bland annat halveringstid.

13. Vad är aktivitet?

Aktiviteten beskriver antalet sönderfall per sekund.

Aktiviteten har enheten Becquerel (Bq) och är specifik för varje atomslag. Den kan beräknas med hjälp av sambandet:

$A:\quad aktivitet,\quad { A }_{ 0 }:\quad aktiviteten\quad vid\quad tiden\quad 0,\quad \lambda :\quad sonderfallskonstanten,\quad N:\quad antal\quad atomkarnor,\quad t:\quad tid\\ A\quad =\quad \lambda \quad \times \quad N\\ A\quad =\quad { A }_{ 0 }\quad \times \quad { e }^{ -\lambda \quad \times \quad t }$

Här är en Youtubevideo som beskriver vad aktivitet är. (OBS. samma video som till fråga 12).

14. Vilken är sönderfallslagen?

I enlighet med sönderfallslagen så kommer antalet atomer minska exponentiell enligt:

$N:\quad antalet\quad atomkarnor\quad efter\quad tiden\quad t,\quad N_{ 0 }:\quad antalet\quad atomkarnor\quad efter\quad tiden\quad 0,\quad \lambda :\quad sönderfallskonstanten,\quad t:\quad tid\\ N\quad =\quad N_{ 0 }\quad \times \quad { e }^{ -\lambda \quad \times \quad t }$

Hur sönderfallslagen härleds ur halveringstiden kan du se här.

Här är en Youtubevideo som beskriver hur sönderfallslagen kan användas. (OBS. samma video som till fråga 12).

15. Vad menas med absorberad respektive ekvivalent dos?

Absorberad och ekvivalent dos är båda stråldoser som används för att beskriva hur vi påverkas av den radioaktiva strålningen.

Den absorberande dosen anger hur mycket (i Joule) av strålningen som absorberas per kilogram kroppsvävnad.

Absorberad dos förkortas: D och mäts i j/kg eller gray (Gy).

$D:\quad abosorberad\quad dos,\quad E:\quad energi,\quad m:\quad massa\\ D\quad =\quad \frac { E }{ m }$

Från den absorberade dosen kan den ekvivalenta dosen beräknas. Den varierar beroende på vilken typ av strålning det handlar om.

Den ekvivalenta dosen skrivs H och har också enheten j/kg men för att skilja de båda från varandra så är enheten för den ekvivalenta dosen Sivert (Sv)

Det som skiljer den ekvivalenta dosen från den absorberade är att den inhehåller en kvalitetsfaktor (Q) som skiljer sig beroende på vad för strålningstyp det är. Q för alfasönderfall är 20, för beta 1 och för gamma 1.

$H:\quad ekvivalent\quad dos,\quad D:\quad aktivitet,\quad Q:\quad kvalitetsfaktor\quad \\ H\quad =\quad D\quad \times \quad Q\quad [Sv]$

Gränsvärdet per person och år är 5 mSv.

Behöver du en annan förklaring? Här är en video från Youtubebanken som handlar om stråldoser.

Det var allt på kapitlet om Kärnfysik och partikelfysik. Har du hittat något fel eller någon konstig förklaring? Kontakta oss så rättar vi till det!

Tillbaka till – startsidan

Kärnfysik & partikelfysik – Fysik 1 – Instuderingsfrågor