Kjerna

25 februar 2017

Då Ernest Rutherford oppdaga kjerna i 1911, visste han at den inneheldt positive partiklar. I 1919 blei han klar over at hydrogen-kjerna var ein egen partikkel. Han må antagelig dela æren for oppdagelsen av denne partikkelen med andre (Wilhelm Wien og J.J. Thomson), men det er klart at Rutherford sitt arbeid er av størst betydning for kjernefysikken. Det han gjorde i 1919 var nemlig det som alkymistane hadde drøymt om i hundrevis av år, nemlig å omdanna eit grunnstoff! Det han gjorde var å senda alfapartiklar inn i nitrogengass. Vanligvis blei alfapariklane bare absorbert av gassen, men av og til kom det farande ut noken partiklar som var meir gjennomtrengande enn alfapartiklar. Rutherford konkluderte med at nitrogenkjerna som blei truffe av ein alfapartikkel hadde forandra seg til ei oksygenkjerne og samtidig frigjort ei hydrogenkjerne. Han tenkte seg at disse hydrogenkjernene var byggesteiner for alle kjerner og kalte dei protoner.

Senere vart det klart at det måtte finnast fleire partiklar i ei kjerne enn protoner. Ein alfapartikkel (dvs, en heliumkjerne) har dobbelt så stor ladning som protonet, men fire ganger så så høg vekt. Rutherford foreslo at kjerna måtte inneholda nøytrale partiklar i tillegg til protonane. Han kalte disse for nøytroner og meinte at dei var protoner og elektroner i par. Men det var Rutherford sin assistent James Chadwick, som oppdaga denne partikkelen i 1932, og det vart seinere klart at dette ikke var eit proton-elektron par, men ein egen partikkel.

Symboler og notasjoner

Vi veit no at kjerna består av to typer kjernepartiklar, nemlig protonet og nøytronet. Disse kallast ofte for nukleoner. Protonet har positiv ladning som er lik elementærladningen e = 1,60×10-19 C, og veg mp = 1.67262171×10-27 kg Nøytronet er elektrisk nøytralt og har nesten samme vekt som protonet, men ikkje heilt: 1.67492728 ×10-27 kg

Vi kan nå definera ein skrivemåte for kjerner. Det totale antallet nukleoner blir kalt for nukleontalet A. Antallet protoner kallast for protontallet Z. Ladningen til ei kjerne er lik Z ganger elementærladningen. Derfor kallast Z også for ladningstallet. Protontalet bestemmer dei kjemiske egenskapane for atomet, dvs. det bestemmer kvs grunnstoff atomet er av, og er det same som grunnstoffnummeret eller atomnummeret i den periodiske tabellen. Kvart grunnstoff har sitt eget symbol, feks C for karbon, O for oksygen osv. Antalet nøytroner er lik A - Z. I noken bøker kalles dette for nøytrontalet N.

Eit atom med et bestemt protontal og nøytrontal (og dermed nukleontal) kalles for ein nuklide, og skrivest på formen der X er grunnstoffets symbol. Merk at samme grunnstoff kan ha ulikt nøytrontal. Dette er isotoper av same grunnstoff. For eksempel har hydrogen tre isotoper: vanlig hydrogen , hydrogen med et nøytron (dette kalles ofte for deuterium), og hydrogen med to nøytroner . Vi kan da sei at eit grunnstoff er ein samling nuklider med samme protontall.

Nukliden er altså grunnstoffet karbon med 14 nukleoner og 6 protoner. Som ein forstår er protontalet egentlig overflødig her, siden det heng saman med grunnstoffet. (karbon har alltid 6 protoner  kjernen) Derfor bruker ein ofte notasjonen C-14 for same nuklide. 

Merk ellers at protonet skrivest både som og .

Hverken elektronet/positronet eller fotonet er kjernepartiklar og har derfor A = 0. I en reaksjonslikning skrives da Elektronet som , positronet som og fotonet som .   Alternativt kan vi skriva henholdsvis e-, e+ og gamma.

Reaksjonslikningar.

Vi kan no bruka våre nye symboler for å beskriva dei kjernereaksjonene vi har hørt om så langt.

Eksempel 1. Alfa-decay.

 

Eksempel 2. Beta-decay.

 

Eksempel 3 Rutherfords kjernereaksjon

Eksempel 4 Chadwicks kjernereaksjon

Bevaringslover

Hvis du adderer nukleontallet A, og ladningstallet Z på venstre og høgre side, så vil du sjå at dette blir det same. Hvis vi ser på eksempel 3, Rutherfords kjernereaksjon, så ser vi at på venstre siden er det 4 + 14 = 18 nukleoner, og på høgre side 17 + 1 = 18. Dette er jo ingen overraskelse! Og ladningen er 2 + 7 = 9 på begge sider. Dette viser at både nukleontallet og ladningen er bevart i en kjernereaksjon.

Dette er eksempel på en såkalt bevaringslov. Det fins fleire andre, men det viktigaste er energibevaring. Oppsummert:

  1. Nukleontallet er bevart i en kjernereaksjon.
  2. Ladningen er bevart i en kjernereaksjon.
  3. Den totale energien er bevart i en kjernereaksjon

LENKER

http://physics.nist.gov/cuu/index.html

http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/conserv.html