Fysica/Kernfysica
Structuur van de atoomkern
[bewerken]Het verband beschrijven tussen de stabiliteit van een atoomkern en het aantal en soorten nucleonen die de atoomkern bevat.
Atoomnummer, massagetal, isotopen.
Het massagetal en ladingsgetal verwoorden en in verband brengen met elkaar.
Atoommodel, kernmodel, atoomnummer, neutronental, massagetal en ladingsgetal.
Als inleiding in overleg met de leraar chemie enkele begrippen herhalen zoals: isotopen, atomaire massa-eenheid, elektronvolt.
We maken gebruik van een simulatie (een van de pijlers van ict) waarbij atomen opgebouwd worden met elektronen en twee soorten quarks.
Bij de beschrijving van de structuur van de atoomkern de quarks beschrijven als de meest elementaire bouwstenen van het atoom.
We vertrekken van het waterstofatoom dat bestaat uit 1 elektron en 1 proton. Het atoomnummer Z van het waterstofatoom is 1 omdat het aantal protonen 1 bedraagt. Het aantal elektronen bedraagt eveneens 1. Atoomnummer Z = aantal protonen (met positieve elektrisch lading +Z.e) = aantal elektronen (met negatieve elektrische lading –Z.e). Een atoom is neutraal omdat de som van de positieve en negatieve elektrische ladingen nul is.
Een neutron (zonder elektrische lading) is opgebouwd uit 2 down quarks en 1 up quark. Als dit neutron in de kern toegevoegd wordt dan krijgen we een deuteriumatoom dat stabiel is. Er zijn dan evenveel protonen als neutronen.
Het deuteriumatoom (H-2 = D-2) is een isotoop van het waterstofatoom (H-1) omdat het ook 1 proton heeft. Het atoomnummer Z van het deuteriumatoom is zoals dit van het waterstofatoom 1. Het aantal nucleonen (protonen en neutronen) van het deuteriumatoom bedraagt 2. Het massagetal A van het deuteriumatoom bedraagt 2, dit van het waterstofatoom 1. Het aantal neutronen N van het deuteriumatoom bedraagt A – Z = 2 – 1 = 1.
- N = A - Z
We maken nog een neutron en voegen dit aan de kern toe. De derde isotoop van het waterstofatoom is het tritiumatoom (H-3 = T-3) dat niet stabiel is. Dit is radioactief. Een radioactief atoom vertoont radioactief verval. Er zijn dubbel zoveel neutronen als protonen en dat is geen evenwichtige toestand. Het atoomnummer Z van het tritiumatoom is zoals dit van het waterstofatoom 1. Het aantal nucleonen (protonen en neutronen) van het tritiumatoom bedraagt 3. Het massagetal A van het tritiumatoom bedraagt 3. Het aantal neutronen N van het tritiumatoom bedraagt A – Z = 3 – 1 = 2. We maken een proton met 1 down quark en 2 up quarks.
Als dit proton in de kern toegevoegd wordt dan krijgen we een heliumion (He+). Er zijn 2 protonen en 2 neutronen in de kern. Er is 1 elektron op de eerste schil rond de kern. Het ion is niet neutraal omdat er 2 protonen zijn en slechts 1 elektron. We voegen een elektron toe op dezelfde schil als het eerste elektron om een heliumatoom (He-4) te krijgen. We maken nog een neutron en voegen dit aan de kern toe. We krijgen een tweede isotoop van het heliumatoom.
He-5 is radioactief omdat er 3 neutronen en 2 protonen zijn in de kern. En dat is ook geen evenwichtige toestand. Een toestand waarbij er meer protonen zijn in de kern dan neutronen is ook niet zo stabiel.
Fundamentele wisselwerkingen beschrijven en in verband brengen met structuren en energietransformaties. Fundamentele natuurkrachten zijn gravitatiekracht, elektromagnetische kracht, zwakke en sterke kernkracht.
Bij de beschrijving van de atoomkern de sterke kernkracht vergelijken met de andere fundamentele krachten wat betreft de dracht en de sterkte.
De stabiliteit van een atoomkern heeft te maken met de krachten tussen de nucleonen. Protonen stoten elkaar af omdat ze een gelijksoortige lading hebben (elektromagnetische kracht). Er moet nog een andere kracht zijn die aantrekkend is opdat de kern stabiel zou zijn. Deze kracht tussen de nucleonen is de (sterke) kernkracht. Vandaar dat er niet alléén protonen maar ook neutronen in de kern moeten aanwezig zijn om die met elkaar in evenwicht te houden. Tussen de positieve protonen in de kern en de rond de kern ronddraaiende negatieve elektronen is er een aantrekkende kracht (elektromagnetische kracht) die zorgt voor de middelpuntzoekende kracht. Zo is ook het atoom stabiel.
Binnen de kern zijn de (sterke) kernkrachten overheersend, buiten de kern zijn het de elektromagnetische krachten. De elektromagnetische krachten nemen af met de tweede macht van de afstand, de kernkrachten met een hogere macht dan twee van de afstand. De sterke kernkracht of sterke wisselwerking is de sterkste van de vier fundamentele natuurkrachten uit de natuurkunde. Naast de (sterke) kernkracht en de elektromagnetische kracht hebben we nog de (zwakke) kernkracht en de gravitatiekracht.
Er kunnen nog meer elektronen, protonen en neutronen toegevoegd worden bij de vorige simulatie tot we een koolstofatoom (C-12) opgebouwd hebben.
Maar feitelijk hebben we nu al voldoende stof vergaard om een hoofdstuk van een klassieke cursus te lezen over kernfysca die te vinden is op het (inter)net.
We houden het voorlopig maar bij
- Moleculen, elementen en atomen
- De opbouw van een atoom
- Isotopen, isobaren, nucliden
Massadefect
[bewerken]Uit de massaverandering de bindingsenergie en de bindingsenergie per nucleon berekenen. Dat een atoom stabiel is kan berekend worden: als de massa van de samenstellende elementaire deeltjes (protonen, neutronen, elektronen) groter is dan die van het opgebouwde atoom dan is het atoom stabiel.
Stabiliteit
Zoek de massa van het proton, het neutron, het elektron en van het koolstofatoom. Dat kan zowel in een (papieren) boek als op het (inter)net. Ze staan ook in onderstaande tabel.
| elementair deeltje | proton | neutron | elektron |
|---|---|---|---|
| massa | 1,00728 u | 1,00867 u | 0,00055 u |
De totale massa van de samenstellende elementaire deeltjes is 12,09900 u, de massa C-12 atoom = 12,00000 u (1 u = 1/12 massa C-12 atoom), het massadefect is +0,0990 u en dus groter dan nul. C-12 is stabiel.
We kunnen het niet laten u enkele opdrachten te laten uitvoeren!
- Toon aan dat een deuteriumatoom stabiel en een tritiumatoom radioactief is.
- Toon aan dat He-4 stabiel en He-5 radioactief is.
- Massa van He-4 atoom = 4,00260 u.
- Massa 2 H-1 atomen = 2.1,00783 u = 2,01566 u
- (2 protonen + 2 elektronen)
- Massa 2 neutronen = 2.1,00867 u = 2,01734 u *Totale massa van de samenstellende
- elementaire deeltjes = 4,03300 u
- Het verschil is 0,0304 u.
Het heliumatoom is dus lichter dan zijn bouwstenen. Er verdwijnt dus massa als een kern uit zijn onderdelen wordt opgebouwd. Deze massa wordt omgezet in energie te bereken met de formule van Einstein
- E=m.c2
E = 0,0304.1,66.10-27 kg . 9 . 1016 m²/s²= 4,54176.10-12 J = 4,54176.10-12/1,60.10-19 eV = 2,8386.107 eV = 28,386 MeV
Deze energie is de bindingsenergie tussen de nucleonen.
Voor He-4 hebben we een bindingsenergie per nucleon van 28,386 MeV/4 = 7,0965 MeV.
Een radioactief atoom vervalt.
We bekijken dan ook een voorbeeld daarvan.
Maak gebruik van een nuclidenkaart.
Het moet niet meer gezegd worden dat het zowel eentje kan zijn op papier als eentje op je scherm.
Toon aan dat de bindingsenergie per nucleon voor C-12 kleiner is dan deze van Co-58.
En nog eens bekijken we de pedagogische wenken van een leerplan.
Het verschil tussen de kernmassa en de som van de massa’s van de samenstellende nucleonen leidt tot de definitie van massaverandering.
De atomaire massa-eenheid (u) wordt hier ook duidelijk gedefinieerd.
Bij de verklaring van de massaverandering kunnen de begrippen bindingsenergie en bindingsenergie per nucleon ingevoerd worden.
Het is niet de bedoeling de grafische voorstelling van de bindingsenergie per nucleon in functie van het massagetal te behandelen.
Ook bij chemische reacties heeft men massadefect.
Maar wel verwaarloosbaar klein.
Lees hier meer over.
Bij kernreacties hebben we het best niet over exo-therme en endo-therme reacties maar over exo-energetische en endo-energetische reacties omdat de grootte-orde van de energieën niet dezelfde is.
Ook bij dagdagelijkse fysische verschijnselen heeft men massadefect.
En ook dan is dit verwaarloosbaar klein.
Lees hier meer over.
Een afgesloten thermoskan met 1 liter water heeft een hogere massa wanneer het water 80°C is dan wanneer het 20°C is.
Het verschil in inwendige energie (bewegings- en potentiële energie van de watermoleculen) is 2,5 × 105 J, dus het verschil in massa is 2,8 × 10-12 kg.
Dit is moeilijk of niet meetbaar.
Wanneer een deeltje en zijn antideeltje elkaar annihileren, verdwijnen ze geheel.
Bereken de energie die vrijkomt bij de anihilatie van een elektron en een positron.
Natuurlijke radioactiviteit
[bewerken]De verschillende soorten kernstraling en hun eigenschappen zoals ioniserend en doordringend vermogen beschrijven.
Natuurlijke radioactiviteit: aard en eigenschappen van α-, β- en γ-straling.
De eigenschappen van ioniserende straling worden besproken.
Onder ioniserende straling verstaan we straling die in tegenstelling tot licht bij absorptie in een middenstof ionen vormt.
Röntgenstraling en radioactieve straling zijn vormen van ioniserende straling.
De aard en de eigenschappen van alfa-, bèta- en gammastralen beschrijven.
Natuurlijke radioactiviteit: alfa-, bèta en gammastraling, aard en eigenschappen van de straling. Stoffen die uit zichzelf straling uitzenden noemen we radioactieve stoffen, soms spreken we in dit verband ook van radioactieve straling, beter is te spreken over ioniserende straling, doordat deze straling de stoffen in de omgeving kan ioniseren.
We raadplegen eveneens de vertrouwde Wikipedia.
Aandacht hebben voor mogelijke misvattingen die leerlingen hebben over radioactieve straling.
- Alle radioactieve straling is gevaarlijk.
- Bestraald voedsel of een voorwerp is daarna ook radioactief.
- Een radioactief vervalproces heeft tot gevolg dat er in de bron een aantal deeltjes verdwijnen.
- Voor radioactieve bestraling bestaat er geen afscherming.
Voor iedere soort straling kan telkens de aard en de verklaring gegeven worden.
Hierbij kunnen de transmutatieregels van Soddy worden gebruikt.
Het vervalmechanisme kan verklaard worden met behulp van het elementaire deeltjesmodel.
De vervalvergelijking van een radioactieve kern opstellen, als gegeven is welke straling wordt uitgezonden.
De karakteristieke vervalprocessen van alfa-, bèta- en gammastralen beschrijven.
We kunnen het terug niet laten u terug aan het werk te zetten.
Stel de nucliden voor als AZX,A-4Z-2X’, AZ-1X’ en de kernstraling als 42α,0-1β, 00γ.
Haal uit de vervalvergelijkingen die in de Wikipedia gegeven worden de drie transmutatieregels van Soddy.
- 23892U → 23490Th + 42He2+
- 17069Tm → 17070Yb + 0-1e
- 9943Tc → 9943Tc + γ
Het vervalproces van een radionuclide in functie van de halveringstijd grafisch voorstellen en berekeningen uitvoeren waarbij de halveringstijd een rol speelt.
Halveringstijd, desintegratieconstante.
Activiteit en eenheid: becquerel.
Het verval van radioactieve kernen is een statistisch proces.
Het is dus onmogelijk om te voorspellen of een bepaalde kern vroeg of wel laat vervalt.
Vast staat, dat gedurende een bepaalde tijdsduur die eigen is aan de radionuclide, de helft van het aantal kernen vervalt.
Die tijdsduur noemen we de halveringstijd.
De activiteit van de radionuclide is dan gehalveerd.
Hoe kleiner de halveringstijd, hoe instabieler het radioactief atoom.
De radioactieve vervalwet leidt men wiskundig af en stelt men grafisch voor.
De halveringstijd verwoorden en in verband brengen met de activiteit van een radioactieve bron, het vervalproces grafisch beschrijven.
Een grafische voorstelling van A (massagetal) als functie van Z (atoomnummer) is voor de leerlingen is een goede visuele hulp bij de beschrijving van een vervalreeks van een radioactieve bron.
Radioactief verval: halveringstijd.
Activiteit, eenheid: becquerel.
Ook hier raadplegen we de Wikipedia.
Waarom worden er meestal geen leerlingenproeven gedaan met radioactieve straling?
Je zou voor een stralingspracticum een radioactieve stralingsbron en een Geigerteller nodig hebben.
Waarom blijft de radioactieve stralingsbron niet altijd bruikbaar?
Leerlingenproef.
Een experiment in verband met radioactieve verschijnselen uitvoeren. Het uitvoeren van leerlingenproeven met radioactieve bronnen is praktisch moeilijk, wel kan de leraar met een beperkt aantal bronnen (behorende tot Klasse IV) een aantal demonstratieproeven uitvoeren.
- Invloed van de afscherming voor een bepaald type van straling.
- Afbuiging van bètastralen in een magnetisch veld.
- Bepaling van de halveringstijd van een radioactieve bron.
Noteer met hoeveel kernen de animatie begint: N0 = ………
Druk op Start. Kijk hoe de kernen vervallen en druk op Pauze voor t = 1,00T. Noteer hoeveel nog niet vervallen kernen er dan nog zijn: ……………….
Noteer hoeveel vervallen kernen er dan zijn: ……………….
Wat wordt bedoeld met het symbool T ? …………………………………….
In de grafiek onder de applet staat N/N0 op de verticale as. Streep door wat niet van toepassing is:
N is het aantal nog niet vervallen / vervallen kernen
Druk eerst op Reset.
Druk op Start om het verval te laten beginnen.
Druk op Pauze om de onderstaande tabel in te vullen.
Als het niet onmiddellijk lukt, begin je na het drukken op Reset gewoon opnieuw.
Met de meetresultaten uit de tabel ga je het (N,t)-diagram tekenen.
Zet eerst bij de assen de grootheden, de eenheden en de juiste schaalverdeling.
Verbind de punten met een zo vloeiend mogelijke lijn.
Hoe kun je controleren of je inderdaad een exponentieel verband hebt gekregen?
Stel de formule op voor N: N = .... × ....
De wiskundige schrijfwijze van de vervalwet (exponentiële functie) in de klas bespreken in overleg met de leraar wiskunde.
Ga nu naar de volgende applet (de vertaling zal misschien ooit te vinden zijn op NatSim)
Bekijk voor een aantal isotopen wat er gebeurt bij een korte halveringstijd in vergelijking met een langere halveringstijd.
Streep door wat niet van toepassing is.
Bij een grote halveringstijd vervallen de kernen snel/langzaam.
Streep door wat niet van toepassing is.
De activiteit bij een kleine halveringstijd is groter/kleiner.
Ouderdomsbepaling.
Het radioactief verval van in de natuur voorkomende isotopen wordt bij wetenschappelijk onderzoek gebruikt om de ouderdom van voorwerpen te bepalen.
Bij wijze van voorbeeld wordt de koolstofdateringsmethode besproken die bruikbaar is voor voorwerpen die samengesteld zijn uit dood plantaardig of dierlijk materiaal.
Uit de halveringstijd de ouderdom van een voorwerp berekenen of grafisch afleiden.
Daar vertelt volgend werkstuk meer over
Transmutatiereeksen.
De drie natuurlijke transmutatiereeksen kunnen worden ingevoerd waarbij één reeks bij wijze van voorbeeld in detail kan worden uitgewerkt.
Een grafische voorstelling van A (atoommassa) als functie van Z (atoomnummer) kan hier verduidelijking brengen.
De transmutatiereeksen zijn te bestuderen met een simulatie.
Deze simulatie zegt in het geheel niet wat je moet doen!
Noteer de opeenvolgende kernreacties voor het verval van U-235.
Detectiemethoden.
Een aantal detectiemethoden zoals de filmbadge, de GM-teller, de nevelkamer.
Bij het bespreken van verschillende detectiemethoden kan men het onderscheid maken tussen detectoren die de aanwezigheid van radioactieve straling aantonen (bv. de filmbadge) en diegene die de radioactiviteit meten (bv. de geiger-müllerteller.
Een detectiemethode beschrijven voor ioniserende straling.
Bij de bespreking van de detectiemethoden kunnen volgende methoden aan bod komen: een geiger-mullerteller, een nevelsporenkamer, filmbadge, halfgeleiderdedector.
Mogelijkheid voor de uitvoering van een leerlingenproef zijn: de bouw van een nevelsporenkamer.
Informatie over filmbadges vinden we op
De kosmische straling werd ontdekt door Hess met behulp van een stratosfeerballon en een GM-teller.
Onderzoeksvraag.
Komt de achtergrondstraling die gemeten wordt door een GM-teller uit de aarde of van ergens anders vandaan?
Samenwerken met andere vakken.
De geschiedenis van het atoombegrip, de atoomstructuur en het gebruik van het periodiek systeem komen uitgebreid en uitgediept aan bod in de lessen Chemie.
Bij het bespreken van de natuurlijke radioactiviteit moet men met deze voorkennis zeker rekening houden.
In de lessen aardrijkskunde wordt de radioactieve vervalwet voor de absolute ouderdomsbepaling met de C-14 en de K-Ar methode toegepast.
Een relatie met biologie kan worden gelegd door het bespreken van enkele effecten van de radioactieve straling op de mens.
De aandacht vestigen op de aanwezigheid van de radioactieve bronnen in de natuurlijke omgeving, zoals de aanwezigheid van radon in de klas of in de woonkamer, gezondheidsaspecten van het wonen.
Door de problematiek rond de verwerking van het radioactief afval ter sprake te brengen is er een verband met milieueducatie.
Kunstmatige radioactiviteit
[bewerken]Bij kunstmatige radioactiviteit wordt de samenstelling van stabiele zware atoomkernen door beschieting met deeltjes (bv. neutronen) gewijzigd.
Er ontstaan splijtingsproducten en er komt energie vrij.
De massa van de kern in verband brengen met de energie die vrijkomt bij kernsplijting.
Kernsplijting beschrijven.
We komen meer te weten over kernsplijting op de website
We worden verantwoordelijk voor wat misgaat in een applet over een kernreactor
Op de website NatSim Light treffen we ook een applet over de kettingreactie aan
Er komt ook energie vrij als we twee lichte atoomkernen fuseren tot één iets zwaardere kern.
De massa van de kern in verband brengen met de energie die vrijkomt bij kernfusie.
Kernfusie beschrijven.
Bij kernsplijting en kernfusie het verband leggen tussen het massadefect en bindingsenergie van de kern en hierbij de vergelijking E = mc² gebruiken.
We komen meer te weten over kernfusie op de website
en daar vinden we ook een simulatie over de tokamak
Op de website van Science in School treffen we een artikel over ITER aan
Door beschieten van atoomkernen met deeltjes is het mogelijk radioactieve elementen te creëren die op de aarde niet voorkomen (transuranen).
Radio-isotopen worden niet alléén aangemaakt in een kernreactor maar ook met deeltjesversnellers.
Een applet over de lineaire versneller vinden we op de website
Een applet over de cyclotron vinden we op de website
Meer informatie over de cyclotron vinden we op de website
Als context het Europese onderzoekscentrum van de CERN toelichten als belangrijk centrum voor onderzoek van elementaire deeltjes.
Toepassingen en gevaren van radioactieve straling.
Technische ontwerpen beschrijven en gebruiken in verband met natuurlijke en kunstmatige radioactiviteit.
De radioactieve stoffen worden veelvuldig toegepast.
Deze toepassingen situeren zich op verschillende vlakken:
bijvoorbeeld in de geneeskunde waar men tracer- en stralingstechnieken gebruikt,
in de landbouw en de industrie gebruikt men sterilisatietechnieken
en in de archeologie en kunst gebruikt men de activeringsanalyse.
Meer informatie over tracers krijgen we op de link
Voor de verschillende gebieden wordt een stralingsdeskundige opgeleid voor een bepaalde specialisatie.
Toepassingen van ioniserende straling verklaren in de industrie en techniek.
Diverse toepassingen in geologie, geneeskunde, biologie, chemie
Het belang van fysische kennis in verschillende opleidingen illustreren.
Klinisch fysicus, radioloog, milieutechnicus.
Leerlingen maken kennis met beroepen waarbij de fysische kennis of de technische principes worden toegepast zoals: elektrotechnicus, stralingsdeskundige, afvalbeheerder, brandweerman, experten bij medische beeldvorming of bij het gebruik van fotonica, astrofysici, vaste stoffysici, geofysici ...
Een duik in de natuurkunde leert ons veel over Natuurkunde in het ziekenhuis
Je komt meer te weten over het leven van een astrofysicus op de link
Samenvatting
[bewerken]Het gebruikelijke atoommodel beschrijft een atoom als een positief geladen kern met negatieve elektronen die als een wolk daaromheen zwerven. De kern bestaat uit positief geladen protonen en neutronen, die zoals de naam aangeeft elektrisch neutraal zijn. De lading van een proton is tegengesteld, maar in grootte gelijk aan de lading van een elektron. In de normale neutrale toestand zijn er evenveel elektronen in de elektronenwolk als protonen in de atoomkern. Als er echter een of meer elektronen worden weggenomen, is het atoom niet meer neutraal. Het is dan een geladen deeltje, ook wel een ion genoemd. Straling die in staat is een elektron van een atoom weg te schieten en het atoom daarmee achter te laten als ion, wordt "ioniserende straling" genoemd. De straling die bij radioactiviteit wordt uitgezonden is ioniserende straling. Ze wordt soms "radioactieve straling" genoemd. Dit is in zoverre onjuist dat de stof zelf radioactief is, niet de straling. Er zijn meerdere soorten ioniserende straling: alfa (α)-, bèta (β)- en gammastraling (γ) zijn veel voorkomende vormen. Kernfusie is het samensmelten van de kernen van verschillende atomen, waarbij een ander element wordt gevormd. Wanneer atomen van lichte elementen zoals waterstof samensmelten, komt energie vrij. Het fuseren van zware atomen kost juist energie. De overgang tussen licht en zwaar ligt bij het element IJzer.
Informatie afkomstig van http://nl.wikibooks.org Wikibooks NL. Wikibooks NL is onderdeel van de wikimediafoundation.
