Svar:
Nej, det är ingen fara! Det bildas inga svarta hål!

Förhoppningsvis kan man genom kollisioner åstadkomma materia med mycket hög temperatur och densitet, och denna skulle kunna ha andra egenskaper än vanlig materia - den skulle kunna tänkas innehålla fria kvarkar. Detta kallas kvark-gluon plasma. Men som sagt, det är helt ofarligt. Naturen utför ännu mer våldsamma experiment när kosmisk strålning träffar jorden. Det förekommer kärnpartiklar med energier upp till 1 joule i den kosmiska strålningen - detta är mycket mer än vad man kan åstadkomma med LHC.

Det andra man vill åstadkomma med LHC är att hitta den s.k. higgspartikeln. Denna behövs för den s.k. standardmodellen.

Länk 1 nedan är en artikel om LHC från Sydsvenskan. Mer information finns på LHC och CERN. Den senare har en artikel om säkerheten med LHC där det bland annat står:

“The LHC will enable us to study in detail what nature is doing all around us,” said CERN Director General Robert Aymar. “The LHC is safe, and any suggestion that it might present a risk is pure fiction.”

Tillägg 11 september 2008:

Det har på andra sätt kommit in en del frågor om farligheten hos LHC. Delvis baseras detta på information i en liten artikel av Johan Hakelius i Aftonbladet. Han är dock tydligt ironisk mot uppgifterna, och han kan ju inte hjälpa att några tossar förutspår världens undergång. Det har alltid funnits sådana, se t.ex. The_End_Is_NighOrigin_of_name.

Anton har en annan synpunkt förutom jordens undergång: skall man lägga ner miljarder euro för att bygga en accelerator som kanske kommer fram till något som knappast är relevant för de flesta människor? Ja, så länge man har en hygglig balans mellan direkt nyttig forskning och nyfikenhetsforskning så tycker jag det! Hade människan inte varit nyfiken så hade vi varit kvar i träddungarna i Afrika!

Många av de nyttigheter vi har idag (och för all del även onyttigheter) är direkta resultat av nyfikenhetsforskning. Ett exempel från CERN är World Wide Web. I dag är webben en vida spridd och viktig nyttighet: från början var det ett sätt för forskarna att kommunicera sina resultat tills Tim_Berners_Lee kom på att kanske hela värden behöver kommunicera!

Det viktigaste skälet för nyfikenhetsforskning är emellertid att människan är inte människa om hon inte får ägna sig åt annat än det direkt för överlevnaden nyttiga! Det är ju ändå så att en symfoni av Beethoven, en vacker tavla och en liten förståelse hur vi passar in i universum gör livet rikare!

Tack Madelene för Aftonbladet-artikeln och Nils-Göran för Antons inlägg!

Två intressanta videor:


/Peter E 2008-09-10

Svar:
Ja det kan tyckas konstigt att antipartiklar inte annihilerar varandra, men det finns andra saker som måste bevaras, t.ex. laddning. Låt oss titta på den först upptäckta mesonen, p-mesonen eller pionen.

Den neutrala pionen består som synes i nedanstående figur av en up-kvark och en anti-up-kvark eller en ner-kvark och en anti-ner kvark (i själva verket är pionen en kombination av dessa). Dessa kan utan problem annihilera precis som en elektron och en positron. Kvar blir bara två fotoner med hög energi. Eftersom det är en elektromagnetisk process går den mycket snabbt - medellivslängden för p⁰ är 10^-16 sekunder.

De laddade pionerna är kombinationer av en kvark och en anti-kvark av en annan typ. Den negativa pionen består av en ner-kvark och en anti-upp-kvark. Denna kombination kan inte annihilera eftersom kvark och anti-kvark är av olika typ. Dessutom kan det inte bli bara strålning kvar eftersom laddningen måste bevaras. Den negativa pionen måste därför sönderfalla med den svaga växelverkan via den intermediära bosonen W^-. Detta tar mycket längre tid, och jämfört med p⁰ är p^- "nästan stabil" med en livslängd på 10^-8 sekunder. Se vidare Pion.

Såvitt jag förstår kan elektronneutriner annihilera med anti-elektronneutriner men sannolikheten att de skall växelverka är mycket liten.

/Peter E 2008-12-15

Svar:
Charlie! Nej, som ström betraktat är det alldeles för litet. Låt oss göra en uppskattning för ett betastrålande preparat:

1 curie är 3.7 10¹⁰ sönderfall per sekund. Det är som aktivitet betraktat ett mycket stort värde. De preparat man normalt använder i ett labb är på mCi dvs miljondels curie. Om vi kan koncentrera hela aktiviteten (elektronerna går ut slumpmässigt i alla riktningar) till en ström så är laddningen per sekund (vilket är strömmen):

3.7 10¹⁰ e (C)

där e är elementarladdningen 1.6 10^-19 C (se Elementary_charge). Strömmen blir alltså

3.7 10¹⁰ 1.6 10^-19 = 6 10^-9 A (C/s), dvs 6nA.

Detta är en väldigt liten ström.

Elektronerna innehåller emellertid en hel del energi som man kan använda för att producera elektricitet, se Radioisotope_thermoelectric_generator. Om man väljer en betastrålare som ⁹⁰Sr kan 90g (en mol) producera c:a 100W termisk energi. Effektiviteten att producera elektricitet (med termoelement) är emellertid låg - c:a 5%. Bättre är då att använda ²³⁸Pu som utvecklar mycket mer energi per sönderfall. Dessa radioisotopgeneratorer används framför allt i rymdsonder som skall gå långt ut i solsystemet där solpaneler inte fungerar bra.

Det finns även ett system med tritium där elektronernas energi direkt förvandlas till en elektrisk ström med hjälp av en halvledare, se Betavoltaics.
/Peter E 2009-04-21

Svar:
Louise! Egentligen inte fysikfråga, men när har det hindrat oss? :-)

Många metaller brinner visst, t.ex. magnesium och calcium, se WebElements. T.o.m järn brinner men endast i ren syreatmosfär.

För att kunna svara på varför vissa ämnen brinner får man först fråga sig: vad menar man med brinner? Normalt menar man en självuppehållande relativt kraftfull reaktion med luft - vanligen syret i luften men även med kvävet i vissa fall (gäller t.ex. calcium ovan), se en bra definition av eld här: Eld.

Vilka egenskaper krävs för detta då? Jo, dels att det som skall brinna har relativt lösa elektroner så att kemiska reaktioner kan ske och dels att reaktionen utvecklar tillräckligt mycket energi för att vidmakthålla en tillräckligt hög temperatur.

Många andra ämnen som t.ex. guld, sten och vatten är så stabila att de inte alls reagerar med luften, dvs de kan inte brinna.
/Peter E 2009-05-14

Svar:
Hej Carro! Nej, det är korrekt, se länk 1 som är en lite mer pålitlig källa än Curium. Här är halveringstiderna och energin för alfa-partiklarna (de med högst intensitet):

²⁴²Cm: T_1/2 = 162.8 dagar, E_a = 6113 keV

²⁴⁵Cm: T_1/2 = 8500 år, E_a = 5362 keV


Vi ser att E_a är ganska olika. Detta beror dels på Q-värdet i reaktionen (som i sin tur bestäms av atommassorna) och dels på att det starkaste sönderfallet i ²⁴⁵Cm inte går till grundtillståndet. (Sedan beror halveringstiden även på vågfunktionerna för begynnelse- och sluttillstånden.)

Det finns ett sedan länge etablerat experimentellt samband, Geiger-Nuttalls regel, mellan halveringstiden för a-sönderfall och a-partikelns energi: Hög a-energi ger en hög sönderfallskonstant och alltså en kort halveringstid. Sambandet är logaritmiskt (se Geiger-Nuttall_law, länk 2 och nedanstående figur), så en liten differens i E_a ger en stor ändring i halveringstiden.

Geiger-Nuttalls regel förklaras mycket bra med bilden att a-sönderfall är en a-partikel som "tunnlar" sig igenom en potentialbarriär, se fråga [14370]. Man kan se att

en högre a-energi

ger en mindre barriär att tunnla igenom

vilket gör tunnlingen mer sannolik

och alltså halveringstiden kortare.

/Peter E 2009-06-02

Svar:
ESS, European Spallation Source (European_Spallation_Source, European_Spallation_Source), är en anläggning där man skall bedriva forskning framför allt i biokemi och materialegenskaper med användning av neutroner. I slutet av maj 2009 togs ett beslut som sannolikt innebär att anläggningen skall lokaliseras till Lund.

Att lokaliseringen bestämts till Lund i hård konkurrens med Spanien och Ungern är dels ett resultat av att Lund kan erbjuda en god forskningsmiljö och en bra infrastruktur. Resultatet har även uppnåtts genom en utomordentlig prestation av forskningsministern Lars Leijonborg, chefsförhandlaren Allan Larsson, ESS-Scandinavias föreståndare Colin Carlile och hela den organisation för ESS-S som byggts upp i Lund.

ESS är ett planerat flervetenskapligt forskningscenter baserat på världens mest kraftfulla neutronkälla. Anläggningen kan
jämföras med ett super-mikroskop, där man studerar material – från polymerer och läkemedel till membran och molekyler – för att förstå hur det är uppbyggt och hur det fungerar.

ESS kommer att öppna helt nya möjligheter för forskare inom hälso-, miljö-, energi-, klimat-, transport- och ingenjörsvetenskap, läkemedel samt arkeologi. Planerna för ESS har tagits fram i ett samarbete mellan hundratals forskare från 18 laboratorier i 11 europeiska länder. ESS kommer att byggas och drivas av flera europeiska länder gemensamt.

Bilden nedan (från länk 1) visar hur Lund kan tänkas se ut om c:a 10 år sett från NO mot SV. Den långa, raka konstruktionen är en 600 m lång linjäraccelerator som producerar 1.3 GeV protoner. Protonstrålen får träffa ett strålmål av en tungmetall, varvid atomkärnorna pga den höga energin till en del slås sönder i sina beståndsdelar protoner och neutroner (kallas spallation). Neutronerna bromsas upp av en moderator, och leds ut till experimentutrymmena för att där träffa det prov man vill undersöka med hjälp av neutrondetektorer som placeras runt provet.

Neutronerna växelverkar med provet dels genom den starka kärnkraften med atomkärnorna och dels, genom sitt magnetiska moment, med magnetfält i provet. Spridningen styrs även av kvantmekaniken på så sätt att neutronerna uppträder som vågor med våglängden

  l = h/p

där h är Plancks konstant och p är neutronens rörelsemängd. Om man väljer en energi för neutronerna för vilken våglängden är av samma storleksordning som avståndet mellan atomer i en molekyl (c:a 0.1 nm) får man ett spridningsmönster som ger maximal information om molekylstrukturen. Neutrondiffraktion, som processsen kallas (se Neutron_diffraction), är analog med röntgendiffraktion (se X-ray_scattering_techniques) som ju använts bland annat för att bestämma strukturen på DNA.

En fördel med att använda neutroner i stället för röntgenstrålning är dels att neutronerna "ser" den mycket små atomkärnorna medan röntgenstrålning "ser" stora överlappande elektronmoln. Dessutom detekteras lätta kärnor (väte, kol, kväve, syre) mycket effektivare med neutroner än med röntgenstrålning. Detta senare är speciellt viktigt eftersom biomolekyler till största delen består av dessa lätta ämnen.

Här finns en video som visar vad ESS är:




Länk 1 är till ESS-Scandinavias webbsajt som innehåller mycket bakgrundsmaterial och nyheter om projektet. Klicka t.ex. på panelen till höger märkt 'Science for Society'. Där finns massor med bra material bland annat en virtuell tur genom materialet för en utställning som under våren visats i Lund. Bland annat finns videos och broschyrer om ESS och neutronforskning.

Länk 2 är till ett utmärkt dokument med svar på ett antal vanliga frågor. Dokumentet är emellertid skrivet innan det senaste beslutet att ESS-S stöds av Tyskland och Frankrike. Sedan dess har även ett avtal slutits mellan Sverige och Spanien, den ena av Sverigers konkurrenter. Det ser alltså ut som det inte finns några hinder för att anläggningen skall byggas i Lund.

/Peter E 2009-06-08

Svar:
Sara!

Man skall inte överdriva att "se" när det gäller att studera ett föremål. "Se" är i själva verket mycket begränsat:

Man skiner ljus på ett föremål och detekterar det spridda ljuset med ögat. I bästa fall får man lite information om föremålets form och färg.

I fallet atom är ljus av alldeles för lång våglängd för att ge någon information; man måste använda strålning av mycket kortare våglängd.

För atomkärnor använder man sig ofta av partiklar i stället för elektromagnetisk strålning: man skjuter partiklar in i atomkärnan och ser vad som kommer ut med hjälp av detektorer. Från detta kan man dra slutsatser om hur atomkärnan är uppbyggd.

Bilden nedan på atomlager av kisel är tagen med sveptunnelmikroskopi, se fråga [17255].

/Peter E 2009-09-07

Svar:
Malin! Är du inte lite ung för att fundera på elektronskal och valenselektroner? :-)

Atomkärnor har 1 till c:a 100 positivt laddade protoner (och ett antal neutroner som vi inte behöver bekymra oss för). För att atomen skall vara oladdad måste den ha samma antal negativa elektroner som den har protoner. Detta antal kallas för atomnummer, och bestämmer vilket grundämne vi har att göra med.

Enligt kvantmekanikens lagar kan man inte bara stoppa in dessa elektroner i atomen hur som helst, utan man fyller vad som kallas elektronskal som rymmer ett bestämt antal elektroner. Fyllda skal är normalt orörda, så det är elektroner som hamnar i det översta icke fulla skalet som bestämmer grundämnets egenskaper. Det är dessa s.k. valenselektroner som deltar i kemiska reaktioner. Grundämnen som har alla skal fyllda saknar valenselektroner, och deltar nästan inte i kemiska reaktioner. De är gaser, och kallas för ädelgaser.

Sammanfattning:

Elektronskal är från varandra avgränsade energiintervall inom vilka elektronerna i en atom kan befinna sig.

En valenselektron är en elektron i atomens yttersta skal (valensskalet). Antalet valenselektroner har stor betydelse för vilka kemiska föreningar atomen kan ingå i, det vill säga antalet bestämmer atomslagets kemiska egenskaper. Alla ädelgaser har strukturen ns²np⁶ i sitt yttre skal. Undantaget He som ju bara ha två elektroner 1s². Gemensamt för alla ädelgaserna är alltså att det yttersta skalet är fullt (2 elektroner i s-tillstånd och 6 elektroner i p-tillstånd).
/Peter E 2009-11-17

Svar:
Hej Hanna! Experimentet du beskriver finns väl beskrivet i länk 1. För de första kan det inte vara Ba-137 (som är stabilt) utan ett metastabilt (ovanligt långlivat) tillstånd Ba-137 som produceras vid sönderfallet av det långlivade Cs-137.

1 Om du ställer upp ett G-M rör nära ett preparat så mäter du inte den absoluta aktiviteten av preparatet. Du mäter emellertid (så länge du inte rör preparat eller detektor) något som är proportionellt mot aktiviteten. För det första går strålningen från preparatet ut i alla riktningar och bara en lite andel träffar detektorn. För det andra är en detektor inte 100% effektiv - en del träffar registreras inte.

I de flesta fall - t.ex. om man vill bestämma halveringstiden - är detta att man inte mäter absoluta aktiviteten inget problem. Om man emellertid vill bestämma preparatets aktivitet måste man mäta effektiviteten hos detektorsystemet - man måste effektivitetskalibrera detektorsystemet.

Om man studerar alfasönderfall med en halvledardetektor är effektivitetskalibreringen relativt enkel eftersom i stort sett alla alfapartiklar som träffar detektorn ger en signal, dvs den inre effektiviteten av detektorn är 100%. Den verkliga effektiviteten ges då av rymdvinkeln, dvs hur stor del av de utsända alfapartiklarna som träffar detektorn. Om detektorns yta är A mm² och avståndet till preparatet r mm så är korrektionsfaktorn för rymdvinkeln

A/(4p r²)

Se även Gamma_spectroscopyDetector_efficiency.

2 Det är viktigt att man inte rör detektorn eller preparatet. Sedan bör naturligtvis tidmätningen vara korrekt.

För ett enkelt sönderfall får man en avtagande exponentialfunktion, se Exponential_decay. Ofta har man en log-skala på den vertikala axeln, så resultatet blir en rät linje, se figuren nedan. För att bestämma halveringstiden anpassar man en rät linje till punkterna och lutningen ger halveringstiden.

En sak man måste se upp med är bakgrund. Den mäter man antingen utan preparat eller när den sönderfallande nukliden har försvunnit, alltså ungefär där linjen nedan slutar. Om man inte tar hänsyn till bakgrunden kommer linjens lutning att bli för liten och därmed halveringstiden för lång.

3 Jo, i medeltal minskar antalet sönderfall med tiden, men radioaktivt sönderfall är en slumpmässig process. Det kan du studera genom att mäta på något som har mycket lång halveringstid, t.ex. Cs-137. Om du mäter ett antal 20 s intervall kommer du att finna att resultatet varierar upp och ner. Fördelningen är en s.k. poissonfördelning, se Poisson_distribution. Denna har egenskapen att den typiska spridningen (standardavvikelsen) ges av

s = sqrt(N_förv)

där N_förv är förväntningsvärdet (medelvärdet av många mätningar).

Detta blir mest märkbart för ett litet antal pulser i ett intervall. Antag att N_förv=9. s blir då 3. I så fall är utfallen 9+3=12 och 9-3=6 rimligt sannolika. Det är sådan slumpmässighet som ger upphov till ökningen du talar om. Du kan se i nedanstående figur att tredje punkten från slutet ligger lågt i förhållande till den andra från slutet. Om man emellertid utför dataanalysen på ett korrekt sätt så får man ändå ett tillförlitligt resultat.

/Peter E 2009-11-23

Svar:
Sven! Vi måste för det första skilja på spontan fission (som är en typ av radioaktivt sönderfall) och neutroninducerad fission (som är en kärnreaktion).

Neutroninducerad fission är vad som driver en kärnreaktor: en neutron infångas av en U-235 kärna och bildar U-236. Det är korrekt det du säger att U-236 är en relativt stabil kärna (halveringstid på miljontals år, se länk 1). Men U-236 kärnan är inte i sitt grundtillstånd när U-235 just har fångat in en neutron. I länk 1 kan vi se att separationsenergin för en neutron i U-236 är 6545 keV. Det betyder att om en långsam neutron fångas in av en U-235 kärna, så hamnar vi i tillstånd 6545 keV över grundtillståndet i U-236.

Nedanstående figur visar energin som funktion av avståndet mellan två lika delar i urankärnan. Vi ser för det första att grundtillståndet ligger c:a 200 MeV över energin vi har om vi separerar halvorna. Detta är alltså den energi som frigörs i fissionsprocessen. Vi ser också att det omedelbart till höger om grundtillståndet fins en barriär som hindrar fission från grundtillståndet (se emellertid nedan).

Om vi däremot kommer in med tillräckligt hög excitationsenergi till ett tillstånd över fissionsbarriären (markerad U-236) kan fissionen ske utan hinder.

Vi kan även med denna modell förklara varför U-238 inte är klyvbart med långsamma neutroner. Separationsenergin för en neutron för U-239 är 4806 keV, dvs betydligt lägre än för U-236. Följaktligen kommer man i U-239 hamna under fissionsbarriärn, och det är liten sannolikhet för fission.

För Pu-240 är separationsenergin 6533 keV, varför även Pu-239 är klyvbart med termiska neutroner.

Anledningen till denna skillnad på nära 2 MeV i separationsenergi är att U-236 och Pu-240 innehåller ett jämnt antal neutroner medan U-239 innehåller ett udda antal. Den sista neutronen i U-239 saknar då parenergin, som är en extra bindning för ett par av identiska nukleoner.

För tunga kärnor finns det trots fissionsbarriären en viss sannolikhet för fission även från grundtillståndet. Kärnan kan med en liten sannolikhet "tunnla" igenom barriären på liknande sätt som sker för alfasönderfall, se tunneleffekt. Denna process kallas spontan fission.

Se även fråga [14621], Nuclear_fission och Spontaneous_fission.

/fa

/Peter E 2010-03-08