Atom-, kjerne- og partikkelfysikk – Fysikk 2

🎯 Læringsmål – Kapittel 11

Etter å ha arbeidet med dette kapitlet skal du kunne:

• Beskrive atomstrukturen og beskrive atommodeller (Thomson, Rutherford, Bohr)
• Bruke A, Z, N for å karakterisere kjerner og isotoper
• Beregne massedefekt og bindingsenergi per nukleon
• Forklare og skrive ligninger for radioaktivt henfall (α, β, γ)
• Bruke halvveringstidformelen og beregne aktivitet
• Forklare fisjon og fusjon og beregne frigjort energi
• Gi en oversikt over elementærpartikler (kvarker, leptoner, bosoner)

1. Atomstrukturen

Et atom består av en positivt ladet kjerne og elektronskall. Kjernen inneholder protoner (Z) og nøytroner (N); massetal A = Z + N.

Proton

Z = ordenstall
q = +e
m_p = 1,673×10⁻²⁷ kg

Nøytron

N = A − Z
q = 0
m_n ≈ m_p

Elektron

skall
q = −e
m_e = 9,11×10⁻³¹ kg

Atommodeller:

• Thomson (1904): «Rosinbolle» – elektroner innebygd i positiv ladning
• Rutherford (1911): Liten tett kjerne omgitt av elektroner (gullfolie-eksperiment)
• Bohr (1913): Elektroner i diskrete baner med E_n = −13,6/n² eV
• Kvantemekanikinsk modell: Elektroner i sannsynlighetsskyer (orbitaler)

2. Massedefekt og bindingsenergi

Kjernens masse er alltid mindre enn summen av frie nukleoner. Differansen kalles massedefekten Δm, og tilsvarer bindingsenergien:

Δm = Z·m_p + N·m_n − M_kjerne

E_B = Δm · c²

1 u = 931,5 MeV/c²; massedefekt i u → E_B i MeV direkte med 931,5 MeV/u

Bindingsenergi per nukleon (E_B/A) er et mål på kjernens stabilitet. Fe-56 har høyest E_B/A ≈ 8,8 MeV/nukleon – den mest stabile kjernen.

3. Radioaktivt henfall

Ustabile kjerner avgir stråling for å nå lavere energitilstand:

Halvveringstid og aktivitet:

N(t) = N₀ · (½)^(t/T½)

A = λN, λ = ln2/T½

Aktivitet A i Becquerel [Bq = henfall/s]; A = A₀·(½)^(t/T½)

4. Fisjon og fusjon

Fisjon: Tung kjerne (U-235) spaltes av et termisk nøytron → lettere kjerner + nøytroner + energi. Eks: ²³⁵U + n → ⁹²Kr + ¹⁴¹Ba + 3n + ~200 MeV

Fusjon: Lette kjerner smelter sammen til tyngre → energi frigis. Eks: ²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 MeV. Fusjon drives av at E_B/A er høyere i He-4 enn i H.

Energi frigis fordi massen til produktene er mindre enn massen til reaktantene: ΔE = Δm·c².

5. Elementærpartikler

Standardmodellen klassifiserer materiens grunnleggende byggeklosser:

• Kvarker: up, down, charm, strange, top, bottom – bindes av sterke kraften (gluoner)
• Leptoner: elektron, myon, tau og tilhørende nøytriner
• Bosoner (kraftbærere): foton (EM), W/Z (svak kraft), gluon (sterk kraft), Higgs
• Hadronet: Baryoner (3 kvarker, f.eks. proton: uud) og mesoner (quark-antiquark)

Proton: uud; Nøytron: udd. β⁻-henfall: nøytron → proton + W⁻ → proton + e⁻ + ν̄_e

📝 Eksempeloppgaver fra eksamen

C-14 har T½ = 5730 år. En prøve har 35 % av opprinnelig aktivitet. Finn alderen. …