Kjarnorka
Kjarnorka • 6-1 Gerð frumeinda • • ¥ Frumeind samanstendur af kjarna- úr róteindum og nifteindumog rafeindum sem sveima um kjarnann. Rafeindirnar fylgja ekki ákveðnum brautum þar sem þær sveima um kjarnann heldur eru þær út um allt. Þess í stað er hreyfingu þeirra lýst þannig að þær myndi eins konar rafeindaský á tilteknu svæði í kjarnanum. • • Öreindir • • ¥ Menn vita nú að til eru hundruð mismunandi öreindir. Margar þessara einda eru hins vegar samseettar úr sex mismunandi eidnum sem kallast kvarkar. Þessar sex tegundir kallast d-,u-,s-,c-b- og tkvarkar. T.d róteind er úr 2 u-kvörkum og 1 d-kvarka.
Kjarnorka • Sterk víxlverkun • • ¥ Á mili hluta með samkynja hleðslu ríkja fráhrindandi rafkraftar. • • ¥ Róteindirnar sem mynda þyrpingu í frumeinddarkjarna eru allar jákvætt hlaðnar. • • ¥ Kraftur sem kallast sterk víxlverkun vegur upp fráhrindandi rafsegurlkrafta milli öreinda og heldur þannig öreindum kjarnans saman. • • ¥ Sterka víxlverkunin er mjög öflugur kraftur en áhrif hans ná ekki langt, í raun gætir hans eingöngu innan kjarna frumeindanna. • • ¥ Þessi orka sem binda róteindirnar saman nefnast kjarnorka.
Kjarnorka • • • • • • • • • • • • • •
Sætistala ¥ Róteindir, rafeindir og nifteindir eru i öllum frumeindum(atómum). Allar róteindir eru eins, svo og allar rafeindir sem og nifteindir. ¥ Úran er fast efni og er meðal þyngstu frumefna. ¥ Eiginleikar frumefna ákvarða hvernig frumeindir frumefnisins tengjast hver annarri og frumeindum annarra frumefna. ¥ Milli frumeindanna verka rafkraftar sem ákvarða þetta vegna þess að sterka víxlverkunin er svo skammdræg að áhrif hennar gætir ekki út fyrir kjarnann og þyngdarkrafturinn er miklu minni en rafkrafturinn.
¥ Fjöldi róteinda og rafeinda skiptir því miklu máli fyrir efnafræðilega gerð frumeindar, en fjöldi nifteinda skiptir hins vega ekki máli þar eð þær eindir eru ekki rafhlaðnar. ¥ Fjöldi róteinda í kjarna frumeindar ákvarðar svokallaða sætistölu. Sætistala frumefnis segir til um fjölda róteinda í kjarna hverrar frumeindar og um það hvert frumefnið er.
Kjarnorka • Samsætur • • ¥ Fjöldi róteinda í frumeindum sama frumefnis er ávallt hinn sami. • • ¥ Frumeindir sem eru með sama fjölda róteinda en mismargar nifteindir kallast samsætur. • • ¥ Samsætur þekkjast á massatölu sinni. Massatala segir til um heildarfjölda nifteinda og róteinda í kjarna frumeindar. • • 6-2 Frumefnabreytingar og geislavirkni • • ¥ Frumefnabreytingar eiga sér stað þegar eitt frumefni breytist í annað vegna breytinga í frumeindarkjarna og það getur gerst í náttúrunni eða orðið fyrir tilverknað manna.
Kjarnorka • Geislavirkni • • ¥ Við geislavirka sundrun losnar frá þeim oka, t.d í formi ljóseinda og rafeinda. Þau frumefni brotna sundur á þennan hátt kallast geislavirk frumefni og eiginleiki þeirra kallast geislavirkni. • • ¥ Kjarnar geislavirkra efna breytast með ákveðnum hraða sem endurspeglast í helmingunartíma þeirra. • • ¥ Helmingunartími frumefnis er sá tími sem það tekur helming kjarna í tilteknu sýni að breytast. • • ¥ Helmingunartími er afar breytilegur eftir frumefnum. •
Kjarnorka • Alfasundrun • • ¥ Í alfasundrun losna 2 róteindir og 2 nifteindir úr kjarna geislavirkrar frumeindar. Þessar 4 eindir losna allar í senn og sem ein heild er kallast alfaögn(alfaeind). Alfaögnin er í raun helínkjarni- 2 róteindir og 2 nifteindir. • • ¥ Þegar frumeind lætur frá sér alfaögn missir hún 2 róteindir. Það gerir það aðverkum að við alfasundrun myndast annað frumefni með sætistölu sem er 2 lægri en upphaflega frumefnið. •
Kjarnorka • Betasundrun • • ¥ Rafeind sem er neikvætt hlaðin eind losnar úr kjarna frumeindar þegar betasundrun verður. Við betasundrun breytist nifteind í róteind og sendir frá sér rafeind og þá myndast frumefni sem hefur sömu massatölu og upphaflega efnið, en sætistalan er einum hærri en áður. • • ¥ 1 geislavirkur kjarni getur breyst í annan kjarna sem kann líka að vera geislavirkur. •
Kjarnorka • Gammasundrun • • ¥ við breytingar á kjarna getur losnað gríðarleg orka bundin í kjarna frumeindanna. • • ¥ Gammasundrun, sem fólgin er í losun gammageisla, er venjulega samfara alfa- og betasundrun. • • ¥ Þegar gammasundrun á sér stað án þess að alfa- og betasundrun verði samhliða verður ekki frumefnabreyting. •
Kjarnorka • Örvuð kjarnahvörf • • ¥ Geislavirkni lýsir sér með því að orka og efni losna úr kjarna frumeindar sem tekur breytingum um leið. Í mörgum tilvikum breytast kjarnar frumefna sjálfkrafa, en mönnum hefur einnig tekist að framkalla geislavirkni með sérstökum aðferðum. •
Kjarnorka • •
6-3 Nýting kjarnork - Kjarnaklofnun
•
¥ Sú hugmynd að kljúfa frumeindarkjarninn (atómkjarninn) hélt huga margra vísindamanna föngnum árum saman. Fyrst í stað unnu vísindamennirnir að þessu á fræðilegum grunni, en ekki með því að gera tilruanir.
• • • • • •
• •
¥ Það var ekki fyrr en árið 1938 sem mönnum tókst að framkvæma fyrstu kjarnaklofnunina. ¥ Kjarnaklofnun er það kallað þegar kjarni frumeindar(atóms) klofnar sundu í 2 minni kjarna. ¥ Í dæmigerðum kjarnaklofnun af mannavöldum er nifteind beint að kjarna úrans. Við áreksturinn verða til 2 minni kjarnar, barín og krypton. 3 nifteindir losna við þessa kjarnaklofnun- upphaflega nifteindin sem skotið var á kjarnann og 2 nifteindir úr kjarna úransins. ¥ Þannig heldur kjarnaklofnunin áfram í hvörfum sem kallast keðjuhvörf eða keðjuverkun.
Kjarnorka • Kjarnaofnar • • ¥ Við kjarnaklofnun losnar gríðarleg orka úr læðingi og menn hafa búið til ógnarleg hertól sem byggjast á þessu ferli. Menn hafa þó líka nýtt kjarnaklofnun í friðsamlegum tilgangi go búa nú yfir tækjum sem kallast kjarnaofnar eða kjarnakljúfur þar sem unnt er að stýra henni að vild. • • Kjarnaeldsneyti • • ¥ Eitt algengasta kjarnaeldsneytið(kjarnaorkuefnið þegar nifteind rekst á úranfrumeind hefst kjarnaklofnun. Ef úranstöngunum er komið fyrir hæfilega langt hverri frá annarri hefst keðjuverkun sem fer þó ekki úr böndum.
Kjarnorka • Hemilefni • • ¥ Nifteindirnar sem losna úr læðingi við kjarnaklofnunina eru afar hraðfara. Úran getur hins vegar illa tekið við nifteindurm sem eru á mikilli ferð. Af þeim sökum er nauðsynlegt að hægja á nifteindunum. Efni sem dregur úr hraða nifteinda í kjarnaofni kallast hemilefni. Sérstök mynd vatns sem kallast þungt vatn er tiltlulega ódýr go auðfengin og hentar vel sem hemilefni í kjarnaofnum. Þungt vatn er get úr sameindum þar sem kjarnar vetnisfrumeindanna hafa eina róteind og eina nifteind í stað þess að hafa einungis eina róteind og eina nifteind. •
Kjarnorka • Stýristengur • • ¥ Nauðsynlegt er að hafa stjórn á fjölda nifteinda ekki síður en hraða þerirra. Ef nifteindrinar sem losna við hvörfin go úran kjarnarnir taka til sín verða of margar er hætt við hamlausri keðjuverkun. Orkan losnar of hratt úr læðingi og kjarnaofninn hitnar æ meira. Reyndar getur farið svo að kjarnaofninn bráðni. • • ¥ Til þess að hafa hemil á skothríð nifteindanna er stöngum úr kadmíni komið fyrir í kjarnaofnunum. Þessar stýristengur eru þeim eiginleikum búnar að gleypa nifteindir. • • ¥ Í kjarnorkuveri er orkan sem losnar við keðjuhvörfin notuð til þess að breyta vatni í gufu. Þessi gufa er notuð til þess að knýja hverfla og framkvæma rafmagn.