Introduktion til atomfysik Stefan Teilmann Laub Nielsen © 2007

1. Atomfysik – introduktion

Om kort tid skal du høre et foredrag om hvordan man konstruerede og brugte de første atombomber. Det er en historie om atomfysikkens tidlige dage, om 2.verdenskrig, et kapløb med tiden og Tyskland – og sidst men ikke mindst om de atombomber der blev smidt i Japan i august 1945 og slog hundredetusinder af mennesker ihjel. Der er en ufattelig energi i atomer der kan bruges til uhyggelige bomber. For at forstå hvordan man skaber atomenergi – om det så er til elektricitet eller til atombomber – er det nødvendigt at vide noget om atomers opbygning, egenskaber m.m.

1.1 Hvad er et atom? Måske har du hørt udtrykket at noget er blevet ”splittet til atomer”. Dermed mener man at noget er splittet, delt eller ødelagt i så små dele at det ikke kan gøres mere grundigt! Når man taler om atomer mener man de mindste ”byggesten” i naturen. De er meget små – og kan ikke ses med det blotte øje. Forestil dig et højhus bygget af røde mursten (se fig.1.1) uden vinduer og døre - på afstand ligner det bare en rød klods der tilsyneladende er lavet af et rødt materiale. Jo tættere man kommer på huset kan vi se at det er lavet af mange små dele – mursten. Sådan er princippet også med atomer – hvis man fx har en klump ren bly og kunne forstørre, via mikroskop, nok gange ville man også kunne se at blyet ikke bare var bly – men bygget af en masse små ”mursten” – atomer. Fig. 1.1 Røde mursten – set på afstand og tæt på

Vi kan altså kalde et atom for den mindste byggesten naturen – indtil videre.

1.2 Hvor stort er et atom? Meget lille! Eksempel – ”blyet” i en blyant er primært kulstof. I 1 g kulstof er der:

Ca. 50.000.000.000.000.000.000.000 atomer (læses: 50 trilliarder)

Hvis du forestiller dig en centicube lavet af kulstof vil der i den være:

Ca. 114.000.000.000.000.000.000.000 atomer (læses: 114 trilliarder)

De er altså så små at man ikke kan se dem. Man bliver nødt til at udføre alle mulige slags forsøg for at påvise at atomerne er der – og mest at tæmme og bruge deres energi – for der er meget!

nogle små nuttede centicubes…

1.3 Er atomet så den mindste byggesten? Nej! Atomet består af en kerne der er omgivet af en slags sky (se fig.1.2) Fig.1.2 Atomets opbygning (nb! Nucleus skal her læses som ”atomkerne”

Lad os starte med skyen: her farer små partikler som er negativt ladede (-) rundt om kernen – de kaldes elektroner. Inde i atomkernen (nucleus) er der 2 slags partikler som ikke farer rundt som elektronerne, men sidder sammen. Nogle af dem er positivt ladede (+) – de kaldes for protoner og der er nogle der er neutrale – dvs. hverken positive eller negative – de kaldes for neutroner. Man har også et fællesudtryk for partiklerne i kernen: nukleoner.

FAKTABOKS OM ATOMPARTIKLER

Elektroner (negativt ladede, farer rundt omkring atomkernen) Protoner (positivt ladede, hører til i atomkernen) Neutroner (neutrale, hører til i atomkernen) Protoner og neutroner kaldes også kernepartikler eller nukleoner

Vi vil mest koncentrere os om atomkernen – dvs. protoner og især neutroner. Denne del af atomfysikken kaldes også kernefysik. Det er i atomkernerne vi kan hente energi! Virkelige atomfysiknørder er dem der undersøger om fx protoner er bygget op af endnu mindre dele! Men det venter vi med til 3.g eller universitetet.

Her har vi vist en rigtig fysiknørd…

1.4 Fission og fusion For at få energi ud af atomer skal man vide lidt om fission og fusion. Da det er fission der er vigtigt for os her gennemgår jeg kun den. Forestil dig at man har en kanon der kan skyde med neutroner (altså de neutrale partikler der normalt er inde i en atomkerne). Man affyrer en neutron mod et atom (se fig.1.3). Når neutronen rammer kernen bliver atomet splittet i 2 mindre atomer (se fig.1.3) – ca. halv størrelse af det oprindelige atom (ligesom hvis man halverer et æble!). Men det er ikke det eneste der sker – yderst til højre på fig.1.3 kan du se at der også frigøres nogle flere neutroner og lige før det, ikke mindst, bliver der frigjort energi. Og det er denne energi vi leder efter! En fission er altså når atomer splittes til mindre atomer (og frigør energi og neutroner). Det modsatter er fusion – når mindre atomer ”smelter” sammen til større atomer. Måske har du i tv hørt om store firmaer der fusionerer – dvs. at de går sammen og bliver til ét firma i stedet for flere. Fig.1.3 Model af fission

1.5 Hvad er det så med den energi og de bonusneutroner? Lad os starte med neutronerne og kigge til højre i fig.1.3. Vi startede med at skyde én neutron mod et atom og fik i fissionen bl.a. energi og 3 løse neutroner. De 3 neutroner flyver nu videre og rammer andre atomkerner. Det samme sker – atomerne deler sig, der bliver frigivet energi og flere løse neutroner – denne gang kommer der så 3 neutroner fra hver fission – altså 9 i alt. Næste gang kommer der 27 neutroner, gangen efter 81 neutroner osv. Dette kaldes for en kædereaktion. Det er lidt det samme der sker i en telefonkæde – øverste person på listen ringer til to personer, de to ringer hver til to osv. Det kan man bare ikke lave bomber af!

En lille telefonkæde

På figur 1.4 kan du se hvad det er der sker. Her regner man med at nogle neutronerne går til spilde – altså at de ikke rammer nye atomkerner – men som du kan se på figuren er samme princip – der sker flere og flere fissioner – derfor får vi også mere og mere energi frigjort. På denne figur er der ikke vist den frigjorte energi (men den er der!) og der er skrevet tal og bogstaver ved atomkernerne – de er ikke vigtige lige nu. Fig.1.4 Kædereaktion

Den energi der frigives når et atom splittes er uendelig lille. Men – som vi så tidligere var der fx i en centicube kulstof ca.114 trillioner atomer. Der kan, som I nok kan regne ud, hentes rigtig meget energi. Det stof man normalt bruger til at hente energi via fission er stoffet Uran (U). Det er uranatomer der bl.a. er vist i fig.1.4 – den ”udgave” (isotop) der hedder Uran 235 (U-235). En centicube af Uran vejer ca.18,7 g/cm3 og hvis vi deler denne centicube i 18,7 lige store dele vil de hver især veje 1 g. I 1940erne kunne man udnytte 1/1000 af den energi der var i Uran. Således ville man af 1 gram Uran få en 60 Watts pære til at lyse i 50 år. Hvis man kunne udnytte al energien i Uranen kunne man få selv samme pære til at lyse i 50.000 år. Det der altså er ”fidusen” det er at få sat fissioner og dermed kædereaktionen i gang. Altså: skyde neutroner ind i atomkerner, atomerne deler sig, der frigives energi og flere neutroner der splitter flere atomer, frigiver endnu mere energi og endnu flere neutroner. Det lyder måske nemt, men skaberne af atombomben havde mange vanskeligheder før det lykkedes. Som du kan se kan der slippes kræfter der løs der er svære at fatte. Og det er der at man kan skabe nogle meget skræmmende våben. Ikke blot skræmmende fordi energien viser sig i form af en enorm ildkugle (ca.100.000 grader i centrum) og en storm der ødelægger bygninger m.m. – men også fordi der er en meget uheldig sidegevinst ved atomspaltninger: radioaktiv stråling. Radioaktiv stråling slog ufattelig mange mennesker ihjel efter atombombesprængningerne i Japan…. Det var en kort introduktion til atomfysik – eller mere præcist kernefysikken. Nu er du godt rustet til at høre fordraget om Manhattan-projektet – udviklingen af de første atombomber, brugen af dem og konsekvenserne. Hvis du er nysgerrig efter at se de energiudladninger en sådan bombe udløser kan du gå på www.youtube.com og fx skrive nuclear bomb. Du skal dog være opmærksom på at nogle videoer kan være redigerede og manipulerede.