Svar:
Din fråga gäller ett s.k. supertungt grundämne som är ett ämne med atomnummer Z större än c:a 110. Enligt skalmodellsberäkningar kan vissa av de supertunga ämnena ha ökad stabilitet, dvs längre halveringstider.

Ununoctium (Z=118) sönderfaller med alfa-sönderfall (länk 1) eftersom detta sönderfallssätt har kortast halveringstid. Om alfa-sönderfallet var hindrat skulle det sönderfalla med beta⁺-sönderfall. Detta kan man se på flera sätt.

I fråga [19206] ges ett uttryck för stabilitetslinjen. Om vi sätter in Ununoctiums masstal 293 i uttrycket får vi:

(293(1+0.0075293^(-1/3)))/(1.983+0.01517293^(2/3)) = 110.6

Enligt massformeln behöver vi alltså minska atomnumret Z och samtidigt öka neutrontalet N för att få maximal stabilitet. Detta innebär i så fall beta⁺-sönderfall.

Den observerade ²⁹³118 har alltså för få neutroner i förhållande till stabilitetslinjen. Vi kan förstå detta genom att titta på hur Ununoctium produceras genom att accelerera Kr mot Pb:

⁸⁶₃₆Kr + ²⁰⁸₈₂Pb &8594; ²⁹³₁₁₈Uuo + ¹₀n

Eftersom neutronöverskottet för beta-stabilitet ökar med masstalet A kommer en sammansmältning av två lättare kärnor att ha ett för litet neutronöverskott. Detta betyder att resultatet är beta⁺-instabilt.

Figuren nedan (från länk 2) visar de supertunga nuklider som är observerade. Sönderfallen är kodade så här:

Skär - beta⁺-sönderfall

gul - alfa-sönderfall

grön - spontan fission

Den grå linjen visar stabilitetslinjen. Som synes är alla kända supertunga nuklider neutronfattiga, det vill säga de kan sönderfalla med beta⁺-sönderfall.

Färgkoden utanför de observerade nukliderna visar barriären för spontan fission. Det är uppenbart att fissionsbarriären är betydligt högre nära Z=118. Detta möjliggör att omgivande ämnen skulle kunna vara relativt stabila mot spontan fission. Den observerade halveringstiden kan emellertid minskas radikalt genom andra sönderfallskanaler (alfa- eller beta-sönderfall).

Se vidare Island_of_stability och länk 2.

/Peter E 2013-11-28

Svar:
En nuklid (kärna med en viss uppsättning neutroner/protoner ^Z+NZ) befinner sig i ett exciterat tillstånd om den har överskottsenergi jämfört med det lägsta tillståndet - grundtillståndet. Exciterade tillstånd sönderfaller normalt mycket snabbt till grundtillståndet genom gammasönderfall.

Även om man inte skall övertolka Bohr modellen (fråga [13733]) så är det korrekt att för atomära tillstånd med högre huvudkvanttillstånd är avståndet till atomkärnan i medeltal större.

Det är två stora skillnader mellan elektroner i en atom och nukleoner i en atomkärna:

1 I fallet elektroner skapas potentialen som bestämmer rörelsen i huvudsak av atomkärnans laddning. I fallet nukleoner skapas potentialen av nukleonerna själva. Detta ger en besvärlig återkoppling mellan tillstånd och potential.

2 För elektronerna är det den välkända coulombkraften som är kraftverkan. För nukleoner är det en mycket komplex tillämpning av den starka kraften, se fråga [1720]. Framför allt finns det en mycket stark repulsiv komponent för små avstånd mellan nukleoner.

Nukleoner har en radie av storleksordningen 1 fm. Atomkärnor är inte mycket större, så nukleonerna är tätt packade, se nedanstående bild. Detta betyder att nukleonerna kolliderar hela tiden. Därför är det faktiskt ganska förvånande att en skalmodell för atomkärnor överhuvud taget fungerar (Nuclear_shell_model). Nukleonerna borde kollidera hela tiden, och inte ge en skalstruktur.

Anledningen till att skalmodellen fungerar så bra som den gör är att nukleonerna är fermioner och måste lyda pauliprincipen (se fråga [18298]), vilket betyder att många av de sluttillstånd som nukleonerna kan spridas till är blockerade - de innehåller redan en nukleon. Detta betyder av den fria medelväglängden för en nukleon i en kärna är mycket större än man skulle vänta sig.

De ständiga kollisionerna mellan nukleoner i kärnan medför även att vågfunktionen för kärnnivåer ofta är mycket komplicerad till skillnad från atomära tillstånd som oftast består av ett rent bastillstånd. Detta betyder att teoretiska beräkningar av kärnnivåer är mycket mer osäkra än för atomära nivåer. Detta betyder att man inte lika enkelt som för elektrontillstånd kan identifiera en viss nivå i kärnan med en viss konfiguration (en uppsättning nukleoner i givna tillstånd). Genom att studera kärnreaktioner och sönderfall kan man i många fall bestämma spinn och paritet för nivåer, och detta begränsar vilka konfigurationer som kan bidra till nivån.

Se även fråga [15482].

/Peter E 2014-02-07

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 2014-03-13

Svar:
Hej Sixten! Jag är inte helt säker på vad du menar. Jag antar du vill veta hur väl kan man avbilda en atom. Det finns numera flera olika metoder att avbilda atomer.

Bilden nedan till vänster visar en bild på en väteatom framställd med en teknik som kallas kvantmikroskopi (eller fotojonisationsmikroskopi), se länk 1. Man kan se hur elektronen rör sig i ett antal moln på olika avstånd från protonen och inte i en planetbana som i Bohrs enkla atommodell.

I bilden nedan till höger (länk 2) har man använt atomkraftsmikroskopi (se Atomkraftsmikroskopi) för att avbilda en molekyl bestående av kolatomer och väteatomer. Man kan tydligt se att kolatomerna förekommer i sexkantiga bensenringar.

En atom har en radie på ungefär 1/10 nanometer, så upplösningen är alltså betydligt bättre än detta.

Nobelpriset i kemi för 2014 var för högupplöst avbildning med fotoner: Super-resolution_microscopy.

/Peter E 2014-05-06

Svar:
För givet huvudkvantal n har man ban-kvanttal l = n-1,,,0. Det lägre värdet på l har lägst energi. Det beror på att för låga l-värden penetrerar vågfunktionen mer innanför de negativa laddningarna från lägre liggande elektroner, se nedanstående bild från Hyperphysics. Elektronen kommer då att utsättas för en högre effektiv positiv laddning från kärnan, vilket gör att den blir mer bunden.

Kvanttalet l är ju ett mått på elektronens rörelsemängdsmoment, dvs rXp. Klassiskt sett måste då för l>0 p gå mot oändligheten när r går mot noll. Se fråga [17699] för ett lite mer sofistikerat resonemang.

Se länk 1 fråga [19483] och Azimuthal_quantum_number.

/Peter E 2014-07-19

Svar:
Kvantmekaniska modeller för elektroner i en atom är mycket exakta, så man kan bestämma kvanttalen för olika tillstånd helt enkelt genom att jämföra experiment med teoretiska beräkningar. Experiment kan vara att observera elektromagnetiska övergångar mellan olika tillstånd eller att se hur atomer bildar kemiska bindningar.

För kärnfysik är din fråga mer relevant eftersom kärntillstånd är mer komplexa och det teoretiska modellerna mindre exakta. För kärntillstånd måste man alltså bestämma kvanttalen genom mätningar av sönderfall och reaktioner, se fråga [15482] och [19317].

De enda tillåtna atomära övergångarna är elektrisk dipol, dvs ändring av J (L+spinn) med högst en enhet och ändring av paritet. Det finns dessutom massor av andra urvalsregler som behandlas i läroböcker.

Se vidare Quantum_number och fråga [13733].
/Peter E 2014-07-21

Svar:
Det enklaste är att titta på en nuklidkarta, där anges ofta sönderfallstyp, se nedanstående bild och fråga [3480].

Det finns även böcker och webbsajter för nukliddata, se t.ex. länk 1.

Man kan även använda massformeln och stabilitetslinjen, se fråga [19206]. För t.ex. ⁷³Zn räknar man först ut den stabila nukliden

(73(1+0.007573^(-1/3)))/(1.983+0.0151773^(2/3)) = 32.5

Den stabila nukliden för A=73 är alltså Z=32 (Ge) eller Z=33 (As). Zn har Z=30, vilket är färre protoner än den stabila. ⁷³Zn bör alltså sönderfalla med b^-.

/Peter E 2014-08-16

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 2014-12-07

Svar:
Aktiviteten för de radioaktiva ⁶⁰Co-kärnorna vid tiden t ges av

A(t) = R(1 - e^-lt) (1)

där R är antalet som produceras per sekund. Vi ser att aktiviteten ökar mot ett gränsvärde som är lika med R. Eftersom bestrålningstiden är mycket längre än halveringstiden (30/5=6) ges den efterfrågade aktiviteten approximativt av R = 10000.

Man ser av ovanstående att det inte är mycket idé att bestråla mer är 2-3 halveringstider. Vill man öka slutaktiviteten måste man öka R s^-1.

Tillägg 7/2/15:

Exakta resultatet med de givna värdena blir

10000(1-exp(-log(2)30/5)) = 9844 s^-1.

Tillägg 29/1/19:

En relativt enkel härledning av (1) finns i länk 1, sektion 6.8. Figuren nedan från länk 1 illustrerar hur mängden ⁶⁰Co (och därmed aktiviteten) ökar asymptotiskt mot ett konstant värde.

/Peter E 2015-02-06

Svar:
Det är en mycket omfattande fråga. Enkelt uttryckt hålls de negativt laddade elektronerna i atomerna fast av den positiva och massiva atomkärnan. Elektronerna håller i sin tur på olika sätt ihop atomerna med vad som kallas kemisk bindning.

Kemisk bindning är en attraktion mellan atomer, som möjliggör bildandet av kemiska substanser.

Attraktionen beror på att det energimässigt är fördelaktigare för de flesta atomer och joner att vara bundna till lämpliga bindningspartners än att förekomma som obundna partiklar.

De olika bindningarnas styrkor varierar avsevärt. De starkaste bindningstyperna är jonbindningar och kovalenta bindningar. Övriga bindningstyper är metallbindning, van der Waals-bindning, vätebindning, dipol-dipolbindning samt jon-dipolbindning, se Kemisk_bindning.

NE har en utmärkt artikel om kemisk bindning: kemisk-bindning.

Engelska Wikipedia har en detaljerad artikel, se Chemical_bond.
/Peter E 2015-11-11