Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Introduksjon til kjernefysikk

11. september, 2017
Sammendrag

Kjernefysikk er den delen av fysikken som dreier seg om atomenes struktur og reaksjoner mellom atomkjerner. Innholdet i Einsteins energilikning, E=mc2 er helt avgjørende for å forstå kjernefysiske prosesser, ettersom alle av dem handler om energi-massekonverteringer. Det er sammensetningen av nukleoner i en kjerne som avgjør om den er stabil eller ikke, typisk vil en kjerne med mange flere nøytroner enn protoner bli ustabil. En ustabil kjerne ønsker å nå en stabil tilstand – noe den gjør ved å sende ut radioaktiv stråling. Slike ustabile kjerner betegner vi som radioaktive.
Små kjerner kan fusjonere til én litt større kjerne, mens store kjerner kan fisjonere til to eller flere litt mindre kjerner. Begge disse to kjernefysiske reaksjonene, hhv. fusjon og fisjon, vil gi et massesvinn. Massen som angivelig “forsvinner” konverteres til energi, jf. Einsteins energilikning, E=mc2 . Energien som frigjøres vil altså tilsvare massesvinnet multiplisert med lysfarten opphøyd i andre. Selv om massen som blir til overs i reaksjonen er forsvinnende liten, vil energien som frigjøres bli vesentlig større. Det faktum at en liten masse kan konverteres til store mengder energi utnyttes i kjernekraftverk for å høste energi.

I 1905 utledet Albert Einstein den berømte likningen E=mc2. I denne likningen står E for hvileenergien, m for massen, og c for lysfarten. Det vi tydelig ser av denne likningen er at det er en helt klar sammenheng mellom energi og masse. Einstein beviste også matematisk at masse kan konverteres til energi, og at energi kan konverteres til masse. Denne nære sammenhengen mellom energi og masse danner selve grunnlaget for radioaktive prosesser, og kjernefysiske reaksjoner.

Figur 1: X: Kjemisk symbol - A: nukleontall - Z: protontall
Figur 1: X: Kjemisk symbol – A: nukleontall – Z: protontall

 

Massen til en atomkjerne er alltid litt mindre enn massen til nukleonene som utgjør kjernen lagt sammen. For eksempel vil to nøytroner og to protoner til sammen veie mer enn en vanlig heliumkjerne. Dette kan virke rart – det virker jo nesten som om masse har forsvunnet! Den massen som tilsynelatende er til overs, kaller vi massedefekten. Selv om det kan virke slik, forsvinner den ikke – den konverteres til energi. Denne energimengden er det som står for bindingsenergien i kjernen, og sørger for å holde nukleonene sammen. Ifølge Einsteins energilikning, vil denne bindingsenergien tilsvare massedefekten multiplisert med lysfarten opphøyd i andre.

Illustrasjon: UngEnergi
Illustrasjon: UngEnergi

Hvordan beregnes bindingsenergi?

 

For å regne ut bindingsenergien må vi først se på atommasseenheten u. Denne enheten er definert som:

Hva betyr dette? Jo, det betyr at én u er nøyaktig massen til ett nukleon i karbon-12, fordi karbon-12 har 12 nukleoner. Denne definisjonen er satt for å gjøre beregninger med atommasser mer håndgripelige, ettersom det er snakk om svært små tall. For enkelhets skyld bruker vi karbon-12 videre i dette eksempelet.

 

For å regne ut massedefekten bruker vi denne formelen:

 

Trekanten er den greske bokstaven delta, som vi ofte bruker i fysikk og matematikk for å vise til en endring – her er det en endring i masse. Kjernen består av Z antall protoner, og A-Z antall nøytroner. Massen til hvert proton, nøytron og selve kjernen finner vi i fysikktabeller:

 


Figur 2: Bindingsenergien per nukleon varierer med størrelsen på nukliden, og slik vi ser har jern en av de største bindingsenergiene per nukleon. Men, kjerner større enn jern får lavere bindingsenergi, hvilket betyr at mindre energi går med på å holde sammen nukleonene. Illustrasjon: Ungenergi.no
Figur 2: Bindingsenergien per nukleon varierer med størrelsen på nukliden, og slik vi ser har jern en av de største bindingsenergiene per nukleon. Men, kjerner større enn jern får lavere bindingsenergi, hvilket betyr at mindre energi går med på å holde sammen nukleonene. Illustrasjon: Ungenergi.no

Grafen viser oss at bindingsenergien per nukleon avtar i takt med økende atomnummer etter jern. De største kjernene vil derfor holdes dårligere sammen enn de små, noe som fører til at nukleonene kommer lenger fra hverandre. Nukleonene holdes sammen av den sterke kjernekraften, men bare på veldig korte avstander. Denne kraften er grunnen til at protonene i kjernen ikke frastøter hverandre slik som like poler på magneter. Men, den sterke kjernekraften virker bare på svært korte avstander, og når størrelsen på atomkjernen øker, vil det bli vanskelig for den sterke kjernekraften å holde nukleonene sammen. Det kan nemlig bli vanskelig å unngå at den elektromagnetiske kraften virker mellom protonene og støter dem fra hverandre. For kjernene er det energimessig fordelaktig å ha omtrent like mange protoner som nøytroner. Kjerner med atomnummer høyere enn 30 har likevel behov for flere nøytroner enn protoner for å hindre protonene å frastøte hverandre. Derfor vil ikke antall nøytroner og protoner være likt til enhver tid. Dette fører til at atomkjernen blir ustabil, og kan spontant sende ut en partikkel, eller dele seg(fisjon) for å prøve å nå en stabil tilstand. Denne labiliteten gir opphav til det vi kaller radioaktiv stråling, og nuklider som sender ut radioaktiv stråling kaller vi radioaktive stoffer.

Figur 3: Denne tabellen viser en oversikt over de fire fundamentale kreftene i naturen, deres relative størrelse og virkeområde.
Figur 3: Denne tabellen viser en oversikt over de fire fundamentale kreftene i naturen, deres relative størrelse og virkeområde.

Radioaktive prosesser

Radioaktive stoffer vil sende ut radioaktiv stråling. Det er tre forskjellige slike radioaktive prosesser:

 

Alfa-stråling: utsendelse av en heliumkjerne

 

Beta-stråling: utsendelse av et elektron og et anti-elektronnøytrino. Her blir et nøytron omdannet til et proton og et elektron. I tillegg sendes alltid et anti-elektronnøytrino ut.

 

 

Gamma-stråling:  Etter en kjerne har sendt ut en alfa- eller beta-partikkel kan kjernen være i eksitert tilstand. Her vil den imidlertid ikke befinne seg lenge, fordi den alltid vil søke seg ned mot grunntilstanden. Da vil den eksiterte kjernen kvitte seg med den overflødige energien ved å sende ut(emittere) et foton med svært høy energi, en gammapartikkel.

 

Fusjon og Fisjon

Figur 3: Masse per nukleon
Figur 3: Masse per nukleon

Figur 3 viser i bunn og grunn de samme variasjonene for nuklidene som figur 2. Istedenfor å vise bindingsenergien per nukleon som en funksjon av nukleontallet, viser denne grafen imidlertid massen per nukleon som en funksjon av nukleontallet. Følgelig vil disse grafene se påfallende like ut, ettersom massedefekten som utgjør bindingsenergien kommer til uttrykk i begge fremstillingene.

 

Denne figuren egner seg godt til å forklare hvorfor fusjoner og fisjoner kan gi en reaksjonsenergi.

I fusjonen mellom hydrogenisotopene deuterium og tritium, vil vi få dannet en heliumkjerne og et nøytron:

 

 

Dersom vi summerer massen til produktene, og deretter trekker dette fra summen av massen til reaktantene, vil det være intuitivt å tenke at differansen blir lik 0. Dette stemmer dog ikke – her får vi et massesvinn. Massen som tilsynelatende “forsvinner”, konverteres til energi i henhold til Einsteins likning – på samme måte som at massedefekten konverteres til bindingsenergi. Det samme kan vi se ut i fra grafen i figur 3.

Når et nøytron sendes mot Uran-235, vil vi få Uran-236 – en særdeles ustabil nuklide som raskt vil fisjonere. Man kan betrakte det siste nøytronet som absorberes som dråpen som får begeret til å renne over. Summen av massen til produktene er også her lavere enn summen av massen til reaktantene – vi har et massesvinn.

 

Fisjon

 

 

Av figur 3 ser vi at store kjerner til høyre jern kan fisjonere til 2 eller flere mindre nuklider og på denne måten få et massesvinn. Vi ser også at kjerner med lavere nukleontall enn jern kan fusjonere til én litt større kjerne og på denne måten få et massesvinn.

 

Massesvinnet i både fusjonen og i fisjonen vil utgjøre det vi kaller reaksjonsenergien – det er snakk om relativt store mengder bindingsenergi som frigjøres. Denne energien går for eksempel til elektromagnetisk stråling, eller økt kinetisk energi for produktene, og vi beregner den ved hjelp av Einsteins formel:

ms beregner vi ved hjelp av denne formelen:

Det er denne energien vi er ute etter å utnytte i kjernekraftverk. Videre kan du lese om fusjon, bruk av thorium som brensel i kjernekraftverk, om utfordringene ved kjernekraft og om vanlige vrangforestillinger dertil.

 

Beregning av energien i fisjonen og fusjonen nevnt ovenfor

 

Reaksjonsenergi i fusjon av deuterium og tritium:

 

 

Reaksjonsenergi i fisjon av uran-235:

 

 

 

 

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Nukleoner er kjernepartikler, altså de partiklene vi finner i kjernen i et atom. Dette innbefatter protoner og nøytroner.
En nuklide er en bestemt sammensetning av nukleoner.
Denne kraften er en av de fire fundamentale kreftene i naturen, og den virker mellom nukleoner og elementærpartikler. Det er denne kraften som holder nukleonene i en kjerne sammen.
Den elektromagnetiske kraften holder atomer og molekyler sammen. Den virker tiltrekkende mellom ulike ladinger, men frastøtende mellom like ladinger.
En partikkel som er i eksitert tilstand er blitt tilført energi. Økningen i energi betegnes ut ifra et referansepunkt, ofte grunntilstanden til atomet. Atomet trives ikke i denne eksiterte tilstanden, og søker mot grunntilstanden. Når en partikkel de-eksiterer vil den overflødige energien frigis i form av fotoner. (snl, 2017)
Isotoper av et grunnstoff er atomer med likt antall protoner i kjernen, men forskjellig antall nøytroner i kjernen. For eksempel er protium, deuterium og tritium tre isotoper av hydrogen, med henholdsvis 0,1 og 2 nøytroner i tillegg til det ene protonet som gjør atomet til hydrogen.
Et isotop av hydrogen. Det er stabilt, dvs. ikke radioaktivt. Har et proton og et nøytron i kjernen.
Et isotop av hydrogen. Det er ustabilt, dvs. radioaktivt. Har et proton og to nøytron i kjernen.
En nuklide er en bestemt sammensetning av nukleoner.
Bevegelsesenergi: Ethvert legeme i bevegelse har kinetisk energi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legeme etter formelen Ek = ½mv²