Välkommen till Resurscentrums frågelåda!

 

Vill du ha ett snabbt svar - sök i databasen: Anpassad Google-sökning
(tips för sökningen).
Använd diskussionsforum om du vill diskutera något.
Senaste frågorna. Veckans fråga.

21 frågor/svar hittade

Partiklar [20647]

Fråga:
Hej! Som jag förstått det kommer den allra största delen av en protons massa från energin som håller ihop partikeln och inte från någon "materia". Energin har massa. Hur stor del av protonen består av energi och hur stor är "resten" och vad består den av? Är mängden energi som ger massa likadan i andra partiklar, t ex en meson, elektron, neutrino etc?
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Detta är en besvärlig fråga eftersom fria kvarkar inte existerar och kan därför inte tilldelas någon massa. Vi har behandlat problemet i fråga 20591 . Det diskuteras även i länk 1.

Om vi i stället tittar på en atomkärna som ju är sammansatt av nukleoner (neutroner och protoner). Om vi sätter samman en atomkärna med N neutroner och Z protoner, så finner vi att den sammansatta kärnan har mindre massa än de fria beståndsdelarna. Massan (energin) som fattas har strålat bort när kärnan sattes samman. Man kan se det så att den attraktiva bindningen i atomkärnan skapar en negativ potential som stänger inne nukleonerna i kärnan.

Vad gäller kvarkarnas massor så ser man i nedanstående figur (från länk 1) att protonen har mycket större massa än summan av de ingående kvarkarna. Dessutom är kvarkmassorna modellberoende, så värdena kan variera, se länk 1,2, Quark#Mass och Proton#Quarks_and_the_mass_of_a_proton .

Mesoner är sammansatta av en kvark och en antikvark, så förhållandet är samma som för protonen att en stor del av massan kommer från kvark/antikvark par och gluonerna.

Vad gäller elektronen och neutrinen så är de elementarpartiklar (ej uppbyggda av andra partiklar, så de får sin massa direkt av higgsmekanismen, se fråga 20015 .



/Peter E

Nyckelord: kvark [12]; bindningsenergi [21];

1 https://physics.stackexchange.com/questions/185149/where-does-the-majority-of-the-mass-of-the-usual-matter-come-from
2 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/quark.html#c1

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [20592]

Fråga:
Varför är bindningsenergin per nukleon maximal vid masstalet 56?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej hur kommer det säg att atomkärnors massa per nukleon minskar ända till man kommer till Fe-56? Borde det inte vara tvärtom? Det går väl åt mer energi att hålla ihop en större atomkärna än en mindre, således borde väl massan öka per nukleon eftersom energi har massa?
/Emil A, Rudbeck, Örebro

Svar:
Det förklaras utmärkt av vätskedroppsmodellen, se fråga 19103 . Det som gör att bindningsenergin per nukleon inte ökar för tyngre kärnor (se nedanstående figur) är att kärnkraften som håller ihop nukleonerna har mycket kort räckvidd. Detta medför att antalet växelverkande par av nukleoner är proportionellt mot masstalet A (antalet nukleoner) och inte mot A*(A-1). Bindningsenergin per nukleon blir då i första approximationen konstant och inte proportionell mot A.

Anledningen till att lätta kärnor har mindre bindningsenergi är att dessa har relativt mer "yta", dvs nukleoner på ytan har färre grannar att växelverka med.

Anledningen till att bindningsenergin per nukleon minskar med ökande A är att coulomb-repulsionen ger negativ bindning. Till skillnad från kärnkraften har coulomb-kraften lång räckvidd, så antalet växelverkningar är proportionellt mot Z(Z-1) där Z är antalet protoner.



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21]; vätskedroppsmodellen [5];

*

Blandat [20423]

Fråga:
1 Man talar ju ofta om att naturen strävar efter det tillstånd med lägst energi, Enligt min fysikbok är det Fe-56 som har den högsta bindningsenergi, därav borde detta vara den atom som är mest stabil, och har lägst energi. Hur kommer det sig att inte allt blir Fe-56 tillslut då detta är det mest stabila tillståndet för alla grundämnen om jag förstått allt korrekt?

2 Min andra fråga gäller Resistans, Min fysik bok säger såhär, "Mätningarna som Ohm gjorde visade att en tjock tråd gav mindre motstånd än en tunn tråd som var lika lång eftersom det är lättare för laddningarna att ta sig fram i en tjockare tråd." Varför är det så att en tjockare tråd gör det lättare för laddningarna att ta sig fram? Per ytenhet borde det ju bli lika stort antal nukleoner i vägen för laddningen, då densiteten är densamma för tråden.
/Martin H, Vuxenutbildningen Kungälv, Kungälv

Svar:
1 Ja, det är en grundläggande lag att ett system söker sig till tillståndet med lägst energi.

Så varför förvandlas inte all materia till 62Ni, som är den mest bundna nukleonen (största bindningsenergin per nukleon), se fråga 19559 ? Svaret är helt enkelt att det finns andra lagar som förhindrar detta. Succesiv infångning av protoner och b+-sönderfall skulle kunna leda till 62Ni men Coulomb-repulsionen mellan protonerna hindrar detta vid låga temperaturer. Fission av tunga ämnen skulle kunna producera Ni, men spontan fission hindras av en barriär. Det är som att parkera en bil i en backe: Bilen vill egentligen rulla ner, men en bra handbroms hindrar den.

2 Motståndet är enligt Ohms lag R=U/I, så större ström ger mindre motstånd.

Större tvärsnittsyta ger högre ström för given spänning eftersom strömtätheten är densamma. En tråd med dubbla tvärsnittsytan är ekvivalent med två trådar - dubbla strömmen transporteras. Det är samma effekt som att en sexfilig motorväg har mer kapacitet än en fyrfilig.
/Peter E

Nyckelord: fysik [10]; bindningsenergi [21];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [20055]

Fråga:
Hej! Jag har en fråga angående bindningsenergi och fission. Skulle ni kunna förklara varför atomkärnan väger mindre än summan av alla beståndsdelars vikt? Hur kopplas detta till E=mc2 (kunde inte skriva "upphöjt till 2")? Om bindningsenergin frigörs (fission inträffar) vart tar sedan den saknade massan vägen?
/Eskil F, Mariaskolan, Malmö

Svar:
Bindningsenergin skapas av den attraktiva kraften mellan nukleonerna i kärnan, se fråga 19345 .

Bindningsenergin är skillnaden mellan kärnans massa och summan av beståndsdelarnas (protoner+elektroner och neutroner) uttryckt i energienheter.

Energi och massa är ekvivalenta (olika aspekter på samma sak). Sambandet ges av uttrycket

E = mc2

se fråga 12753 .

När en kärna byggs upp från sina beståndsdelar frigörs energi i form av strålning. Slutresultatet blir alltså att någonting värms upp av strålningen. För kärnreaktioner (t.ex.fission) och sönderfall frigöres skillnaden i bindningsenergi mellan begynnelsetillståndet och sluttillståndet.
/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [19559]

Fråga:
Vilken kärna har den största bindningsenergin per nukleon?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! Vi har fått en uppgift där vi utifrån ett "bindningsenergi per nukleon - masstal" diagram ska välja en nuklid där det vid bildandet av nukliden frigörs så mycket energi som möjligt och motivera vårt val. Vi kan blanda protoner, neutroner och elektroner i önskade proportioner och sedan erhålla färdiga atomer. Tack på förhand!
/Michael H, Donnergymnasiet, Göteborg

Svar:
I länk 1 under Mass data finns totala bindningsenergier i keV. Om vi dividerar med masstalet får vi för de tre mest bundna kärnorna (se bild nedan från länk 2):

62Ni: 8794.49 keV
58Fe: 8792.14 keV
56Fe: 8790.24 keV

62Ni har alltså störst bindningsenergi per nukleon. Jag antar att det var bindningsenergin per nukleon du efterfrågade. Totala bindningsenergin ökar ju med masstalet A till mycket stora värden på A.



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21];

1 http://nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/
2 http://nucleardata.nuclear.lu.se/Scripts/database/masses/chart.idc?zmin=24&zmax=34&ll=8.6&ul=8.9

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [19345]

Fråga:
Varifrån kommer bindningsenergin som frigörs vid fusion?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Hej! Jag har en fråga om bindningsenergin i atomkärnor. Vid fusion frigörs energi då neukloner får nya kopplingar av typen stark växelverkan. Kanske lite förenklat, men det här är väl i huvudsak rätt?

Vad jag har lite svårt att förstå är var den här energin kommer ifrån. Energi kan ju inte "bildas". När kärnorna slås ihop ökar bindningsenergin, men på något vis frigörs då energi. Hur kan energi "bli över" när det egentligen bildas nya kopplingar?

Jag har läst något om potentiell energi som finns "lagrad" i olika objekt och som sedan frigörs och bildar rörelseenergi då objekten växelverkar. Om jag förstår det rätt är det den här energin som kan frigöras i fusion. Dock så har väl den starka växelverkan begränsad räckvidd? Bär atomkärnorna ändå omkring på potentiell energi för ifall de hade kommit tillräckligt nära för att börja växelverka? Borde inte allting i universum då bära omkring på potentiell energi för ifall det skulle börja växelverka med något annat? Borde inte det finnas otroligt mycket energi lagrat som potentiell energi, energi lagrad för all annan materia i universum? Men så kan det väl inte vara?
/Axel H, Tunaskolan, Lund

Svar:
Hej Axel! Det första är helt korrekt: energi frigörs genom att nukleonerna binds till varandra. Den frigjorda energin kommer från en negativ potentiell energi i sluttillståndet. Låt oss anta vi har en samling fria nukleoner i vila. Energin är E=mc2, där m är massan. Om vi sätter samman nukleonerna till en kärna frigörs bindningsenergin U. Denna bindningsenergi kan användas t.ex. för att producera värme och elektricitet. Totala energin från början var ju E. Energin i sluttillståndet är då (E-U)+U=E (uttrycket i parentesen är kärnans totala energi). Vi ser att totala energin bevaras som den skall. Vi ser också att den sammansatta kärnan har mindre massa, M=(E-U)/c2, än de ingående nukleonerna, m=E/c2. Det är denna skillnad i massa som gör att vi kan få ut energi från vissa kärnreaktioner.

Hur stor bindningsenergin är beror på antalet nukleoner och på egenskaperna hos den starka kärnkraften. Om vi sätter samman t.ex. en järnkärna från neutroner och protoner blir bindningsenergin per nukleon c:a 9 MeV, se figuren i fråga 1433 . En nukleon har en viloenergi på ungefär 1 GeV, så den relativa energivinsten blir 9/1000=0.9%.

Se vidare fråga 18978 , 17569 och 13242 för tillämpningar med gravitationskraften och universum.
/Peter E

Nyckelord: potential/potentiell energi [26]; bindningsenergi [21];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [19206]

Fråga:
Vilka nuklider är stabila?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
När slutar ett ämne att sönderfalla? Är det när protoner och neutroner är lika eller kan de vara stabila fast de har olika antal protoner och neutroner. Läser man i periodiska systemet är ju bly ett stabilt ämne men det har olika antal protoner och neutroner.
/Fredrik H, Nyhemsskolan, Katrineholm

Svar:
De stabila kärnorna är markerade med svart i figuren i fråga 3480 . Som synes har de stabila kärnorna ökande neutronöverskott (antal neutroner är N) med ökande kärnladdning Z. Detta förklaras bra med vätskedroppsmodellen, se fråga 19103 .

Genom att derivera uttrycket för bindningsenergin i massformlen (Semi-empirical_mass_formula#The_formula ) och sätta derivatan lika med 0 får man ett uttryck för maximal bindning som funktion av A, se nedanstående bild från länk 1.

Jämförelse mellan beräknad och verklig stabilitetslinje

 A   Z   N  Z(verklig)
10   5   5      5
20  10  10     10
40  19  21    18,20
60  27  33     28
80  35  45    34,36
100 43  57     44
150 62  88     62
200 80 120     80

Tabellen ovan visar för några masstal A (kolumn 1) det med nedanstående uttryck uträknade optimala värdet på Z (kolumn 2) och motsvarande neutrontal N. Fjärde kolumnen visar stabila kärnor för respektive masstal.

Som synes stämmer denna relativt enkla modell förvånansvärt bra!

Exempel på räkning för A=60
Z = (60*(1+0.0075*60^(-1/3)))/(1.983+0.01517*60^(2/3)) = 27.1



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21]; vätskedroppsmodellen [5];

1 http://www.phy.uct.ac.za/courses/phy300w/np/ch1/node23.html

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [19103]

Fråga:
Hej! Varför har tyngre ämnen ett begränsat antal neutroner i kärnan? Alltså vad bestämmer antalet isotoper för ett ämne? Vad gör att ex kol inte har en isotop med 5 neutroner?

Mvh Johanna
/Johanna L

Svar:
Hej Johanna! Till att börja med får vi dela upp frågan i två: globalt (för alla kärnor) och på detaljnivå.

Stabiliteten (maximal bindningsenergi) kan uppskattas mycket väl med vätskedroppsmodellen som är en modell där man betraktar en atomkärna som en droppe av en icke sammantryckbar "vätska" bestående av nukleoner sammanhållna av starka växelverkanskraften med kort räckvidd, se massformeln Semi-empirical_mass_formula .

Nedanstående bild illustrerar O-16 (8 protoner och 8 neutroner) och C-16 (6 protoner och 10 neutroner. För enkelhets skull antar vi att varje nivå tar två nukleoner (spinn-up och spinn-ner) och att avståndet mellan tillstånden är konstant). Vi ser att en jämnare fördelning av nukleoner (O-16) har mer bindningsenergi än den ojämna i C-16. O-16 är alltså stabilare. Tendensen att kärnor föredrar lika många neutroner som protoner reflekteras i massformels asymmetriterm

aA (N-Z)2/A

För tyngre kärnor förskjuts tendensen mot att de stabilaste kärnorna har fler neutroner än protoner. Anledningen till detta är Coulomb-repulsionen (lång räckvidd) som reflekteras i Coulomb-termen

aC Z(Z-1)/A1/3

Denna relativt enkla massformel Semi-empirical_mass_formula#The_formula beskriver mycket väl bindningsenergin för grundtillståndet som funktion av masstalet A för de mest stabila kärnorna, se fråga 19206 och 14847 .

På detaljnivå (hacken i kurvan i fråga 14847 ) och för exaktare värden behöver man utföra mer sofistikerade kvantmekaniska beräkningar.



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21]; vätskedroppsmodellen [5];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/liqdrop.html#c2

*

Kraft-Rörelse [18682]

Fråga:
Om potentiell energi, massa och bindningsenergi
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Denna fråga gäller mass-energi-ekvivalens och utgår från ett tankeexperiment.

Två kroppar med samma massa (m) befinner sig på ett visst (stort) avstånd från varandra i den tomma rymden. Deras inbördes hastigheter är ursprungligen noll. Den totala massan är 2m. Systemet saknar rörelseenergi och vi lägger till att temperaturen är 0 K hos föremålen och i rymden.

De två kropparna accelereras mot varandra, p g a gravitationen, och slår ihop i en rak fullständigt inelastisk stöt (temperaturen räcker dock inte för någon kärnreaktion). Vid kollisionen hettas kropparna upp och börjar sända ut elektromagnetisk strålning, efter hand avtar utstrålningen och temperaturen minskar. Till slut närmar sig temperaturen återigen 0 K.

Min slutsats av ovanstående scenario: Den totala massan efter avsvalningen är nu mindre än 2m! För varifrån skulle annars energin komma som har strålats ut?

Min fråga är: stämmer min slutsats eller är det något fundamentalt fel i mitt resonemang? Är det något som gör att man inte kan betrakta massorna på det sätt som jag gör. Tänker jag kanske fel kring mass-energi-ekvivalensen?
/Karl S, Rosendalsgymnasiet, Uppsala

Svar:
Karl! Nej, det du säger är korrekt, men du glömmer en sak: den potentiella energin i begynnelsetillståndet. När kropparna faller mot varandra omvandlas den potentiella (gravitations)energin till rörelseenergi. Denna rörelseenergi blir till värme vid kollisionen. Sett utifrån har ännu inget hänt - systemets massa är fortfarande 2m. Värmen kommer med tiden att stråla bort i form av temperaturstrålning. Massan blir då lite mindre än 2m. Det är alltså den potentiella energin i begynnelsetillståndet som omvandlas till rörelseenergi och till slut till värme som sedan strålar bort.

Karl kom med en följdfråga:

Jag tänker att man istället kan se pot energi (eller avsaknaden av det) som en form av massdefekt, skapad i samspel med gravitationen.

Ja det kan man. Det är bara två sätt att uttrycka samma sak. Den potentiella energin är av konvention noll när kropparna befinner sig på stort avstånd från varandra. När de faller mot varandra ökar rörelseenergin i samma mån som potentiella energin minskar. Den potentiella energin är då alltså negativ eftersom den började på noll. Den energi som behövs för att separera kropparna från ett visst avstånd är absolutbeloppet av den negativa potentiella energin. Denna kallas separationenergi.

Massdefekt (se fråga 1433 ) används normalt bara för atomkärnor. Anledningen är att den för klassiska system är försumbar, medan den för atomkärnor är relativt stor. Låt oss se vad massdefekten är för 4He. Denna kärna är sammansatt av två 1H och två neutroner.

Beståndsdelarna har massan (se länk 1)

(2*1.008665+2*1.007825) = 4.032980 u (atommassenheter)

4He har massan

4.002603 u

Differensen blir

4.032980 - 4.002603 = 0.030377 u = 931.5*0.030377 MeV = 28.296 MeV

där massdefekten uttryckt i MeV brukar kallas bindningsenergi. Vi kan se att massdefekten i detta fallet utgör

100*0.030377/4 = 0.76 % av massan av 4He.
/Peter E

Nyckelord: potential/potentiell energi [26]; bindningsenergi [21];

1 http://nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [18298]

Fråga:
Hej! Det har producerats isotopen Helium-2, dvs två protoner so håller ihop!, med en halveringstid(?) på ~10^-27 s och ett sönderfall till väte-2.

Hur sker det sönderfallet? En plusladdning försvinner och en neutron skapas. Energibalansen, hur är den? Skapas neutriner eller t o m absorberas från omgivningen? Och kan man verkligen säga att en isotop existerar när det gäller så korta tidrymder? (Beklagar den flerdelade frågan, men den rör ju ett och samma ämne.)
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Halveringstiden för diprotonen är nog lite längre än vad du säger, men systemet är obundet och sönderfaller till två protoner i princip så snabbt det går.

Det alternativa sönderfallet är ett vanligt betasönderfall, se fråga 15929 . Betasönderfallet har en enormt mycket lägre sannolikhet och förekommer i princip endast centrum av stjärnor. I stjärnor kolliderar protonerna hela tiden, och i en mycket liten andel av dessa kollisioner sker även ett betasönderfall till deuterium. Det är första steget i denna s.k. proton-proton kedja som reglerar hastigheten hos vätefusionen i stjärnor, se Proton-proton_chain_reaction .

Diprotonen har även observerats i ett par exotiska sönderfall, se Diproton .

Anledningen till att diprotonen är obunden är inte, som man skulle kunna tro, att protonerna repellerar varandra. Det gör de naturligtvis, men det är en i sammanhanget liten effekt. Den avgörande effekten är spinnberoendet hos kärnkraften som håller ihop neutroner och protoner i atomkärnorna, se Isotopes_of_helium#Helium-2_(diproton) .

Deuteronen (se nedanstående figur) har i sitt grundtillstånd spinn/paritet 1+. Detta åstadkoms genom att neutronens och protonens spinn (1/2) är riktade åt samma håll. Det lägsta exciterade tillståndet i deuterium, med spinnen antiparallellt, ligger över separationsenergin på 2.2 MeV och är alltså obundet.

För fallen diproton och dineutron är tillstånden med parallellt spinn förbjudna enligt pauliprincipen (Pauli_exclusion_principle ), eftersom två identiska fermioner (halvtaligt spinn) inte kan ockupera ett tillstånd med identiska kvanttal. Bosoner (partiklar med heltaligt spinn) behöver däremot inte lyda pauliprincipen.

Det som alltså orsakar att diprotonen, dineutronen och det första exciterade tillståndet i 2H är obundna är alltså att kraftverkan mellan två nukleoner med parallellt spinn är större än när spinnen är antiparallella. Om denna senare kraftverkan bara hade varit lite starkare så hade diprotonen varit bunden. Man hade då fått en helt ohämmad fusion av protoner så att stjärnor knappast hade kunnat bildas.

Se även fråga 20615 .



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21]; kärnkrafter [7]; pauliprincipen [10];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [17758]

Fråga:
Hej! Vi håller på att jobba med kärnfysik och diskuterat bindningsenergier kopplat till fission/fusion. Jag vet ju att det är massdefekten som hjälper oss att få ut den frigjorda energin vid dessa processer. Men hur kan man säga att vi går från ett högre till ett lägre energitillstånd när vi går från kärna med låg bindningsenergi till en med högre bindningsenergi? Som exempel; vi klyver en tung kärna som U-235 i två ungefär lika stora delar. Delarna har högre bindninsenergi/nukleon dvs. det år åt mer energi att hålla ihop fissionsprodukterna än U-235 (eller?). Och ändå kan vi få ut energi. Borde inte energin från massdefekten "gå åt" till ökad bindningsenergi i fissionsprodukterna? Snälla, var är det jag tänker galet? En gång i tiden har jag ju förstått det här...
/Fredrik O, Hulebäcksgymnasiet, Mölnlycke

Svar:
Hej igen Fredrik! Det beror på definitionen av bindningsenergi, se fråga 1433 .

I nedanstående figur visas bindningsenergin per nukleon som funktion av masstalet A=Z+N. Utgångspunkten för definitionen av bindningsenergin är Z väteatomer och N neutroner. Dessa har då definitionsvis bindningsenergin = 0, dvs en linje sammanfallande med den horisontella axeln. När man sätter samman dessa beståndsdelar till en kärna AZ och då frigörs energi. Vi hamnar då på den grå linjen i diagrammet. Ju större bindningsenergi som frigöres, desto mer bunden är kärnan.

Det hade varit bättre om man definierat bindningsenergin som negativ. Då hade de mest bundna kärnorna hamnat längst ner, vilket intuitivt hade varit met tillfredsställande. Se det så här: bindningsenergin är den energi som krävs för att plocka isär kärnan helt och hållet. Om vi definierar energin av den sönderplockade kärnan som 0, blir alltså energin hos den sammansatta kärnan negativ. Av praktiska skäl definierar man dock bindningsenergin som den energi som krävs för att plocka isär kärnan, dvs som positiv.



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [17519]

Fråga:
Vi har jobbat med Atomfysik i skolan jag undrar om det går att fusionera olika ämnen med varandra, t.ex. en väteatom och en heliumatom? Och om det går, vad händer? Blir det fusionerade ämnet litium och ger väte och helium fusionen lika mycket energi som en fusion med väteatomer?
/Jim W, Storåskolan, Storå

Svar:
Jim! Nej, det går inte att fusionera 4He med en proton. Inte heller kan man slå ihop två 4He. Orsaken är att det inte finns några stabila nuklider med massan 5 eller 8.

Orsaken till detta är att 4He är väldigt stabil. Nedanstående figur visar bindningsenergin per nukleon för en massa kärnor. Du kan se att 4He är mycket mer bundet än de närmaste grannarna. Om man försöker göra t.ex. 5Li med en proton + 4He, så är det energetiskt fördelaktigt att gå tillbaka och återbilda 4He. Detta är också vad som sker.

Se vidare 14847 .



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21];

*

Värme [16642]

Fråga:
för att smälta is krävs mycket energi, men för att sönderdela vatten i väte och syre krävs mycket energi. försök förklara varför ?
/casper b, junkaremålsskolan, Tranås

Svar:
Casper! Jag kan försöka.

Is är ett energimässigt lägre tillstånd än vatten. Vattenmolekylerna är alltså bundna starkare till varandra i is än i vatten, där dom ju är rätt fria från varandra så att vatten blir flytande.

I en vattenmolekyl är de två väteatomerna bundna till en syreatom. För att bryta dessa bindningar krävs energi - bindningsenergi. Det kan vara elektrisk energi om man framställer vätgas genom elektrolys. Denna energi kan man få tillbaka om man låter väte och syre reagera i en bränslecell för att producera el. Processen är emellertid inte 100% effektiv, så man får lite förluster till omgivningen.

På den atomära nivån är det emellertid inga förluster: man vinner tillbaka exakt lika mycket som det kostade att bryta bindningen.
/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21];

*

Kraft-Rörelse [15130]

Fråga:
Jag undrar:om en syreatom väger x gram, väger då en ozonmolekyl som består av tre syreatomer tre ggr så mkt? altså x gånger 3? eller förändras vikten när atomerna slås ihop?
/frida A, kasa montesoriskola, göteborg

Svar:
Pga bindningsenergi väger de tre fria syreatomerna tillsammans lite mer än ozon-molekylen O3. Detta beror på att det finns attraktiva krafter mellan syreatomerna. När atomerna närmar sig varandra utförs ett arbete (kraft*väg). Energi motsvarande detta arbete lämnar ozon-molekylen i form av strålning:

O + O + O -> O3 + strålningsenergi

För att energin skall bevaras måste O + O + O väga lite mer än O3.
/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14847]

Fråga:
Vad är skillnaden mellan fission och fusion?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Jag undrar hur jag enkelt förklarar skillnaden mellan fusion och fission för mina mellanstadieelever. Jag fick frågan av en elev som är väldigt intresserad av svaret men resten av klassen kommer sitta som fågelholkar när jag förklarar. Undrar därför om det finns en enkel, kort och koncis förklaring... Jag vill ju att de också ska förstå lite...
/Annica W, Centralskolan, Åtvidaberg

Svar:
Annica! Det är inte så lätt att förklara med mellanstadieelevernas begreppsbild. För full förståelse behöver man t.ex. förstå ett begrepp som bindningsenergi.

Det enklaste svaret är bara beskrivande: fusion är när man slår ihop lätta kärnor och fission är när man klyver tunga kärnor. Båda dessa processer ger energi (värme), så de kan användas t.ex. för att producera elektricitet.

Fissionsenergi är väl etablerat i praktiken i kärnkraftverk. Man klyver urankärnor genom att bombardera dem med neutroner. Eftersom det produceras 2-3 neutroner i varje fissionsprocess, går det att åstadkomma en kedjereaktion som kan underhållas kontinuerligt.

Fusionsenergi är däremot än så länge bara ett framtidshopp. Som en illustration till svårigheterna kan jag berätta att när jag började studera kärnfysik för drygt 30 år sedan så sade man att det kommer att ta 30 år att realisera en energiproducerande fusionsreaktor. I dag är uppskattningen: kanske om 50 år! Detta visar om inget annat hur svårt problemet är.

Anledningen till att kontrollerad fusion är så svår är att man försöker slå ihop två atomkärnor som är positivt laddade. Lika laddningar repellerar varandra, så för att kärnorna skall komma tillräckligt nära varandra så måste de skjutas mot varandra med hög hastighet. Hög hastighet hos atomerna i en gas betyder hög temperatur - flera miljoner grader. Man behöver kunna hålla ihop gasen och hindra den att expandera. Detta kan man göra med magnetfält, men det återstår ännu många problem att lösa. Nästa generation av försöksanläggning ITER, som är ett globalt samarbetsprojekt, kommer att byggas i Frankrike.

Fusion sker i alla stjärnor, inklusive solen, så solenergi och vindenergi är i princip fusionsenergi från en naturlig fusionsreaktor i solens centrum.

Låt oss se om vi kan förstå varför man kan utvinna energi både genom att slå samman lätta kärnor och att klyva tunga kärnor.

Atomkärnan består av positivt laddade protoner (vätekärnor) och neutrala neutroner. Protoner och neutroner kallas med ett gemensamt namn för nukleoner. Antalet nukleoner kallas masstal och betecknas med A. Antal protoner i en kärna kallas atomnummer och betecknas med Z. Det är atomnumret som bestämmer vilket grundämne man har att göra med.

Protonerna repellerar visserligen varandra, men det finns attraherande krafter mellan nukleonerna som är starkare är repulsionen. Nukleonerna kommer därför att bindas samman och ha vad vi kallar en bindningsenergi.

Man kan förstå förvånansvärt mycket av atomkärnors egenskaper genom en mycket enkel modell: vätskedroppsmodellen. Man betraktar atomkärnan som en vätskedroppe - t.ex. en vattendroppe - så att nukleonerna motsvarar vattenmolekyler. Vattenmolekylerna i en vattendroppe binds samman genom krafter mellan närliggande molekyler, dvs den attraktiva kraften har kort räckvidd. Molekylerna i en vattendroppe har också en bindningsenergi - man måste tillföra energi för att "koka bort" molekyler. Se Semi-empirical_mass_formula för mer om vätskedroppsmodellen.

Bindningsenergin per nukleon visas i nedanstående figur. Grovt kan man säga att bindningsenergin för de flesta kärnor är c:a 8-9 MeV per nukleon. För lätta kärnor är bindningsenergin lägre, och den minskar även för mycket tunga kärnor. De mest stabila kärnorna - högst bindningsenergi - finns omkring masstalet 60, dvs järn och nickel.

Den lägre bindningsenergin för lätta kärnor förklaras av att små kärnor har relativt mycket "yta". Nukleonerna på ytan har inga grannar "utåt", så bindningen blir mindre. Det är denna effekt som orsakar ytspänning i en vattendroppe, se ytspänning .

Nedgången i bindningsenergi för tunga kärnor beror på repulsionen mellan protonerna. Coulomb-repulsionen har lång räckvidd till skillnad från attraktionskraften mellan nukleonerna som har kort räckvidd. Detta betyder att bindningen går som masstalet A och repulsionen som Z(Z-1)/2 där Z är kärnladdningen (antal protoner). För kärnor med många protoner kommer därför coulomb-repulsionen att bli större och därmed bindningsenergin att minska.

Låt oss titta lite på energiförhållandena för fission och fusion.

Om vi delar en urankärna med A c:a 240 hamnar vi omkring A=120. Bindningsenergin per nukleon är 7.5 vid A=240 och 8.4 vid A=120 (se figuren nedan). Vi vinner alltså en bindningsenergi på c:a (8.4-7.5)*240=216 MeV. Detta är ett mycket högt värde för en kärnreaktion, och är anledningen till att det går att utvinna så mycket energi genom fission av tunga kärnor.

Kvalitativt kan man även förstå fissionsprocessen med vätskedroppsmodellen: en inkommande neutron sätter urankärnan i svängning. Om deformationen har tillräckligt stor amplitud, kommer coulomb-repulsionen att ta överhanden och kärnan kan delas i två delar.

Den mest effektiva fusionsreaktionen är att slå ihop deuterium med tritium:

d + 3H --> 4He + n

Bindningsenergierna (Nuclear_binding_energy ) för de ingående kärnorna är enligt figuren nedan

2H: 2*1.1=2.2 MeV
3H: 3*2.8=8.4 MeV
4He: 4*7.0=28.0 Mev
n: 0 MeV

Differensen i bindningsenergi blir alltså 28.0-(2.2+8.4)=17.4 MeV. Som synes är anledningen till den stora frigjorda energin att 4He-kärnan (alfapartikeln) är mycket stabil. Detta är det enda man inte kan förstå med den enkla vätskedroppsmodellen - för att förstå detta behöver man kvantmekanik.

Vätskedroppsmodellen kan även förklara vilken kärna för ett giver masstal är stabilast, se Semi-empirical_mass_formula#Examples_for_consequences_of_the_formula . Även massparablerna (fråga 13758 ) förklaras bra av massformeln.

Hoppas du kan använda en något av ovanstående utan alltför mycket fågelholksreaktion. Mer om ämnet finns under nedanstående länkar (på engelska): länk 1 är mer om bindningsenergi och länk 2 om kärnenergi.



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21]; fusion [15]; fission [15]; kärnenergi [18]; vätskedroppsmodellen [5]; kärnreaktion [5];

1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/nucbin.html
2 http://science.howstuffworks.com/nuclear-power.htm

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14621]

Fråga:
Positiv och Negativ attraherar, positiv och positiv reppelerar... Hur kommer det sig att en atomkärna kan hålla sig samman? Bör inte protonerna i kärnan reppelera varandra? Bly är det sista stabila ämnet, sönderfaller ämnen efter PB pga att det är för många protoner så att den omöjligt kan hålla sig samman?
/Alexander D, Centralskola, Svedala

Svar:
Alexander! Vismut (Z=83) har faktiskt en stabil isotop Bi-209. Anledningen till att kärnorna håller ihop även med flera protoner är att alla nukleoner (protoner och neutroner) attraherar varandra med en kraft - kärnkraften (Nuclear_force ) - som är större än coulombrepulsionen mellan protonerna.

Ämnen bortom vismut sönderfaller (med alfasönderfall eller spontan fission) därför att med många protoner tar repulsionen över och bindningsenergin blir inte tillräcklig för att hålla ihop kärnan. Om antalet protoner är Z blir repulsionen proportionell mot Z(Z-1)/2 (antal par av protoner) medan attraktionen är proportionell mot A (totala antalet nukleoner). För stora Z kommer då det kvadratiska beroendet hos repulsionen att ta över. Anledningen till att den repulsiva kraften (coulombrepulsionen) har kvadratiskt beroende och den attraktiva kraften (kärnkraften) har linjärt beroende är att coulombkraften har lång räckvidd medan kärnkraften har kort räckvidd.
/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21]; kärnkrafter [7];

*

Energi [12726]

Fråga:
det finns ju ett samband mellan energi och materia. altså är materia i lekmansterm sammanslagen energi. kan man utvinna energin, och omvända, materian till energi? och i så fall, hade det kunnat finnas 100% energi och 0% materia i hela universum?

kanske dåligt formulerat, men du förstår nog.
/fredrik l, naturhumanistiska, helsingborg

Svar:
Fredrik! Alldeles i början på vårt universums existens - precis efter Big Bang - tror vi att det bara fanns energi, ingen materia! Allt eftersom universum expanderade och "svalnade" omvandlades energin till den materie världen består av nu i flera steg.

Kan vi nu gå åt andra hållet, dvs omvandla massa till energi? Jodå, det går alldeles utmärkt nere på kärnnivå - genom att antingen slå ihop lätta atomkärnor till tyngre (fusion) eller klyva tyngre atomkärnor (fission) kan vi omvandla en del av kärnmassan till energi enligt Einsteins formel (E=mc2).

Hur det går till kan vi se på bilden nedan (från Nationalencyklopedin ). Kurvan visar hur atomkärnans potentiella energi ändrar sig när atomkärnans massa ökar. Vi ser att lätta kärnor som deuterium (D, "tungt väte") har hög potentiell energi, så när man slår ihop dem till helium (4He) kan man utvinna energiskillnaden (den skära stapeln). Om vi tvärtom klyver mycket tunga kärnor som uran (U) så att vi bildar två lättare kärnor (med massa i närheten av kurvans minimum), frigörs också energi (den gröna stapeln).

Den potentiella energin i bilden motsvaras av kärnornas inre bindningsenergi - ju högre den potentiella energin är, desto lägre är bindningsenergin per massenhet.

Läs mer: Slå upp "universum", "fusion", "fission" och "bindningsenergi" i t.ex. Nationalencyklopedin ....



/Margareta H

Nyckelord: massa-energi [1]; fusion [15]; fission [15]; bindningsenergi [21];

*

Energi, Materiens innersta-Atomer-Kärnor [12603]

Fråga:
Hur kommer det sig att det frisläpps energi när tex två kärnor slås ihop? Med andra ord varför finns bindningsenerigi?
/David G, Borås

Svar:
Man kan egentligen aldrig svara på en fråga 'varför?' när det gäller fysik. Man kan med observationer och experiment finna vissa samband, som sedan ofta uttrycks i matematik.

Kärnor består av neutroner och protoner (gemensamt kallade nukleoner) som hålls ihop av en kraft som verkar mellan alla nukleoner som ligger intill varandra (kraften har kort räckvidd). Om du slår ihop två lätta kärnor så får vi fler sådana bindningar, och den totala bindningsenergin ökar. Denna kan frigöras för att bilda värme som kan användas för att generera elektrisk energi.

Detta gäller för alla attraktiva krafter, t.ex. även tyngdkraften: Om du håller en tegelsten i handen och sedan släpper den, så kommer den att innan den träffat marken ha skaffat sig en del rörelseenergi. Detta kommer från den potentiella energin stenen hade i din hand. När stenen träffar marken bromsas den upp och rörelseenergin omvandlas till värme. Nu är stenen "bunden" till marken, och vill du ta upp den i handen igen så måste du utföra ett arbete.
/Peter E

Se även fråga 11569

Nyckelord: bindningsenergi [21];

*

Energi [12181]

Fråga:
I exotermiska kemiska reaktioner, varifrån kommer den värme energin?
/Farshid G, Montessoriskolan Casa, Göteborg

Svar:
Fashid,

Låter som en kemifråga, men man använder samma beteckningar i t.ex. kärnfysiken. I en exotermisk reaktion frigöres energi - det s.k. Q-värdet är positivt. Den frigjorda energin kommer från ökad bindningsenergi i sluttillståndet. Alltså: sluttillståndet är mer bundet, och mellanskillnaden kan frigöras som t.ex. värme. Det är samma sak som att man kan utvinna energi från ett vattenfall: vattnet ovanför fallet har högre potentiell energi än vattnet nedanför. Man skulle kunna uttrycka det så att vattnet nedanför fallet är mer bundet (till jorden) än vattnet ovanför.

Fundera: var kommer energin ifrån som fordras för att vattnet skall flyttas upp över fallet igen?
/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [21];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [11569]

Fråga:
Tack för en jättebra sida! (Inom parenteserna skriver jag först atomens masstal och därefter dess atomnummer).

H (1, 1) + H (2, 1) = He (3, 2) + /energi/

Jag är inte riktigt klar på varför H (2, 1) väger mer än He (3, 2)? MVH
/Pernilla K, Samskolan, Västra Frölunda

Svar:
Här har du din ekvation i siffror:

1.007825032 + 2.014101778 = 3.016029310 + 0.005897500

Massan 0.005897500 u (atommassenheter) motsvarar energin 0.005897500*931.5 = 5.4935 MeV1.

3He är en löst bunden kärna med en bindningsenergi på 2.1 MeV per nukleon. 4He är betydligt hårdare bunden, ungefär 7 MeV per nukleon. Det är den frigjorda bindningsenergin som håller solen lysande (E = mc2). __________________________________________________________
1 1 u är 1.6605*10-27 kg. Om vi gör om det till energienheter med formeln E = mc2 får vi

1 u = 1.6605*10-27*(2.99792*108)2 = 14.9238*10-11 J =
14.9238*10-11/(1.602176*10-13) MeV = 931.47 MeV
/KS/lpe

Se även fråga 10853 och fråga 8091

Nyckelord: bindningsenergi [21];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [1433]

Fråga:
1. Hur är kärnan sammansatt?

2. Vad är massdefekt och bindningsenergi?

3. Hur ska atomkärnan vara sammansatt för att vara mest hållfast?
/alev c, Skärholmensgymnasium, Skärholmen

Svar:
1. Av protoner och neutroner.

2. Massdefekt (Binding_energy#Mass_defect ) är hur mycket en atoms massa (vi använder neutrala atomer för att definiera massa) avviker från massan för de ingående protonerna, neutronerna och elektronerna. Massdefekten anges oftast i u (atommassenhet).

Bindningsenergi (Binding_energy ) är detsamma som massdefekt men anges normalt i MeV. Bindningsenergin är positiv för de flesta kärnor - man vinner energi genom att sätta samman dem från beståndsdelarna. Nedanstående figur visar bindningenergin per nukleon för stabila eller nästan stabila kärnor. Se fråga 18682 för ett mer utförligt resonemang om bindningsenergi.

Massexcess (Binding_energy#Mass_excess ) är skillnaden mellan en atoms massa i atommassenheter och masstalet A (som ju är antalet protoner + antalet neutroner). Om vi t.ex. har en kärna med 20 protoner och 20 neutroner (masstal 40), och atomen väger 39.9 massenheter, så är massdefekten -0.1. Massdefekten har egentligen inte någon enhet eftersom den är skillnaden mellan atommassa i u och ett dimensionslöst tal. Eftersom masstalet A bevaras i en kärnreaktion är detta inget problem - man kan räkna ut reaktionens Q-värde från massexcessen.

3. För lätta kärnor bör antalet protoner och neutroner vara ungefär lika. För tyngre kärnor är ett överskott av neutroner mer gynnsamt p.g.a. att protonerna repellerar varandra.

Uppsättningen protoner/neutoner kan för instbila kärnor ändras spontant med radioaktivt sönderfall, se fråga 17148 .

Man kan även ändra uppsättningen med kärnreaktioner. En kärnreaktion är en fysikalisk process där en atomkärna, genom att reagera med en annan partikel, genomgår en förändring och bildar en eller flera produkter.. Exempel på kärnreaktioner är

1H + 58Ni --> 59Cu + gammastrålning

1n + 14N --> 14C + 1H

Observera att i kärnreaktioner bevaras det totala antalet protoner och neutroner. Se vidare Nuclear_reaction .

Du kan läsa mer om dessa saker här: The ABC's of Nuclear Science .



/Peter Ekström

Nyckelord: bindningsenergi [21]; kärnreaktion [5];

*

Ämnesområde
Sök efter
Grundskolan eller gymnasiet?
Nyckelord: (Enda villkor)
Definition: (Enda villkor)
 
 

Om du inte hittar svaret i databasen eller i

Sök i svenska Wikipedia:

- fråga gärna här.

 

 

Frågelådan innehåller 7181 frågor med svar.
Senaste ändringen i databasen gjordes 2017-09-26 10:23:43.


sök | söktips | Veckans fråga | alla 'Veckans fråga' | ämnen | dokumentation | ställ en fråga
till diskussionsfora

 

Creative Commons License

Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar
.