1.1.3Atomet
Før vi kigger nærmere på de forskellige strålings typer, hvordan de bliver dannet og hvordan de vekselvirker med andre partikler, er den en god idé at opfriske vores kendskab til atomet – hvordan ser det ud?
Atomet består af to dele: en kerne og atomare elektroner. Kernen selv indeholder to typer partikler, protoner, der har en positiv ladning, og neutroner, der er elektrisk neutral – de har ingen ladning. Elektronerne har negativ ladning.
Et grundstofs type, f.eks. brint (H), helium (He), technetium (Tc), bestemmes af antallet
af protoner der findes i kernen. Atomer der har forskellige antal protoner kaldes for forskellige grundstoffer. Der findes cirka 120 forskellige grundstoffer, der er organiseret i det periodiske system.
K
Figur 1 2: Atomet
ernen indeholder Z positive protoner, og N neutrale neutroner, derfor har den en netto positiv ladning. Atomet selv er elektrisk neutral, derfor må der også findes Z negative elektroner, for at balancere den positive ladning i kernen.
Men hvor finder vi disse elektroner?
Det historiske atom:
Idéen at stoffet, som vi ser rund om os til hverdag, er bygget op af ”fundamentale byggeklodser” der kaldes atomer, har eksisteret siden ”de gamle grækere”. Opdagelsen af elektronen i slutningen af 18-hundredtallet medførte et billedede af atomet som en jævn fordeling af både negative (elektron) og positive ladninger – en slags ”blomme-pudding”. I 1911, udførte Ernest Rutherford eksperimenter, der viste at denne model ikke kan beskrive virkeligheden; han beviste at atomet består af et tungt positiv centrum – det vi i dag kalder kernen, og at det meste af atomet består af tomt rum. Det betød at elektronerne må ligge langt væk fra kernen. Billedet blev til ”planet-modellen”, hvori der optræder en tung, positiv-ladet kerne, og de negative elektroner bevægede sig rundt om kernen ved stor afstand – ligesom planeterne omkredser solen i solsystemet.
Planet-modellen for atomet var baseret på klassisk-fysik, og den havde et stort problem: fysikken siger at elektroner der bevæger sig omkring en kerne, udsender elektromagnetisk stråling (fotoner), dvs. de skulle miste energi og spiralere ind til atomets center! Dette ser vi ikke hverdag, så spørgsmålet var: hvordan kan det være?
Problemet blev løst i 1913 af Niels Bohr, ved ikke at tænke på atomet som en klassik ting, men at inkludere en kvantemekanisk beskrivelse for de atomare elektroner. Han udvidede planet-modellen ved at give 2 postulater: i) at elektronerne kun må eksistere i diskrete (tilladte, kvantiserede) baner rundt om kernen, og når elektronerne sidder i disse baner kan de ikke udsender fotoner; og ii) elektroner udsender ikke kontinueret stråling, men de absorberer/ udsender fotoner kun når de skifter baner. Derfor når elektronerne sidder i disse tilladte baner, er atomet stabilt (Figur 1-2).
Røntgen stråling:
I denne Bohr-model, betyder det at fotoner (energi) bliver udsendt fra atomet når atomare elektroner skifter mellem tilladte energi-baner, dvs. der sker en omorganisering af elektronernes energier. Hver tilladt bane har en bestemt energi. Det betyder at fotonerne der udsendes når elektroner skifter baner, har en bestemt energi der svarer til forskellen i energi mellem de forskellige baner (Ex = E1e-E2e). Fotonerne udsendt pga. omorganisering af elektroner i atomet, kaldes for røntgen stråling (se bilag 2, Figur B2-1).
Elektronerne for forskellige grundstoffer sidder i bestemte energi-niveauer, der er enestående til denne type grundstof. Det betyder at et atom har et multiniveau spektrum til absorption/udsendelse af fotoner, som er givet af energi-forskellen mellem forskellige energi-niveauer. Disse energi-spektra er et fingeraftryk for hvert enkelt grundstof.
Gammastråling:
Ligesom for røntgen-fotonens dannelse, findes der en tilsvarende proces til dannelsen af gamma stråling – protoner og neutroner i kernen sidder også med bestemte energier, og gammafotoner ved tilsvarende energier bliver udsendt under omorganisering af disse energi-niveauer (E = E1p,n-E2p,n).
Elektronsky:
Med Bohr-modellen for atomet har vi en god beskrivelse for stabile atomer, og en forklarelse for hvorfor der findes fotoner med bestemte energier. Men har vi det hele? Bohr-modellen er baseret på kvantemekanik – en kvantificering af tilladte energi-niveauer. Men kvantemekanik har flere interessante idéer, der også har vigtige konsekvenser.
Atomet er en partikel, derfor i den kvantemekaniske beskrivelse har det både partikel og bølge egenskaber pga. idéen om partikel-bølge dualitet. Vi ved at en elektron i atomet har en bestemt energi E, derfor har den en bestemt impuls p (E = pc), og en associeret bølgelængde . Er dette vigtigt?
Kvantemekanikteori har et grundlæggende præmis: den er baseret på usikkerhed. Når man udfører en fysisk måling på en eller anden egenskab, er der altid en usikkerhed på målingen, f.eks. når man måler impuls, får man et resultat p p, hvor p er usikkerheden i målingen. Tilsvarende, når man måler en position, får man resultatet x x. I kvantemekanik findes der en forbindelse mellem egenskaberne, f.eks. impuls & position, energi & tid osv.:
p . x = h / 2 ,
E . t = h / 2 .
Hvis vi ganger usikkerheden i vor impuls måling med usikkerheden i vor positions måling, får vi en konstant, og tilsvarende for usikkerhederne i energi og tid. Det betyder at hvis en målt kvantitets usikkerhed formindskes, så stiger usikkerheden i en anden kvantitetet. Det kaldes for usikkerhedsprincippet.
Lad os nu betragte vort kvantificerede atom: en elektron har en bestemt energi E, derfor har den en bestemt impuls p som nævnt ovenover. Dette betyder at usikkerheden i impulsen p = 0, dvs. vi ved lige nøjagtigt elektronens impuls. Men, fra usikkerhedsprincippet, betyder det at x = , dvs. usikkerheden i elektronens position stiger til uendelig - vi kan ikke vide hvor i atomet elektronen finder sig! Derfor er det billede, hvor elektronerne eksisterer i bestemte baner omkring kernen, alt for enkelt. I stedet for dette Bohr-billede, snakker vi om sandsynligheder – der er en sandsynlighed for at elektronen findes på en bestemt position. Der eksisterer en større sandsynlighed for at den findes nogle steder end andre, f.eks. i ”baner”, men samtidigt er der en lille sandsynlighed for at den findes andre steder, f.eks. i kernen selv! Det er måske kun en lille sandsynlighed, men den eksisterer og ikke er nul. Derfor er vort billede af atomet udvidet til en tung kerne, som har en sky af elektroner omkring sig, hvor elektronskyen svarer til det område hvor en elektron må finde sig5.
Denne ide om en elektronsky, og at der eksisterer en sandsynlighed for en elektron at befinde sig i kernen, har vigtig betydning for nogle radioaktive henfalds processor.
Ionisering:
Generelt er et atom elektrisk neutralt. Men, hvis det mister en eller flere af dets elektroner, får det en net positiv ladning – der er ikke længere negative ladninger nok til at balancere kernens positive ladning totalt. Vi siger at atomet er ioniseret. Det kan ske ved en vekselvirkning af en gamma eller røntgen foton med atomets elektroner: under vekselvirkningen, opgiver fotonen energi til atomets elektron(er), og energien er nok til at fjerne elektronen(erne) fra atomet. Når dette sker, kaldes atomet for en positiv ion. En negativ ion opstår under den omvendte proces – et atom fanger en eller flere elektroner, med det resultat at atomet får en net negativ ladning.
Fotoner eller stråling der har energi nok til at ionisere atomer, kaldes for ioniserende stråling.
|
