2222 Atómið

Samantekt kafla

22.1 Bygging atómsins

Gullþynnutilraun Rutherfords sýndi að atómið hefur lítinn, þéttan kjarna og að rafeindir fylla að mestu tómarúmið í kringum hann.
Línuróf sýna að örvuð atóm senda frá sér eða gleypa orku í afmörkuðum skömmtum. Í Bohr-líkaninu eru rafeindir á ákveðnum brautum og orkan sem losnar eða gleypist við brautarskipti má rita ΔE = E_i − E_f, þar sem E_n = Z²E₀/n² fyrir n = 1, 2, 3, ...
Bylgjulengd ljóss sem atóm gleypir eða sendir frá sér má tengja við orkustigin með 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²), þar sem R = 1,097 × 10⁷ m⁻¹. Skammtalíkan atómsins, rafeindaskýið, byggist á de Broglie-bylgjum og óvissulögmáli Heisenbergs.

22.2 Kjarnakraftar og geislavirkni

Kjarni atóms er gerður úr kjarnaeindum, róteindum og nifteindum. Sætistala Z, nifteindafjöldi N og massatala A eru notuð til að lýsa kjarntegundum og samsætum.
Stöðugleiki kjarna ræðst af samspili rafsegulkraftsins og sterka kjarnakraftsins. Geislavirk sundrun er kjarnabreyting þar sem óstöðugur kjarni sendir frá sér eindir eða orku.
Í alfasundrun má tákna hvarfið sem A_Z X_N → A−4_Z−2 Y_N−2 + ⁴₂He. Í betasundrun getur nifteind breyst í róteind, rafeind og fiseind: A_Z X_N → A_Z+1 Y_N−1 + e⁻ + ν̄ₑ. Í gammasundrun fer örvaður kjarni í stöðugra ástand með losun γ-geisla.
Smýgd geislunar fer eftir orku hennar, hleðslu og efninu sem hún fer í gegnum.

22.3 Helmingunartími og aldursgreining með geislavirkum efnum

Helmingunartími er sá tími sem það tekur helming geislavirkra kjarna í sýni að sundrast. Virkni sýnis er sundrunarhraðinn og má rita R = ΔN/Δt.

Fjöldi ósundraðra kjarna eftir tíma t fylgir N = N₀e^(−λt), þar sem λ er hrörnunarstuðull. Þekktur helmingunartími gerir kleift að nota geislavirka sundrun til aldursgreiningar, til dæmis kolefnis-14 aldursgreiningu lífrænna efna og úran-blý aldursgreiningu bergs.

22.4 Kjarnaklofnun og kjarnasamruni

Kjarnaklofnun er klofnun atómkjarna. Hún getur losað mikla orku vegna þess að hluti massans breytist í orku samkvæmt E = mc².
Kjarnasamruni er sameining tveggja léttra kjarna í stærri kjarna. Orka losnar þegar myndefniskjarnarnir hafa meiri bindiorku á kjarnaeind en upphafskjarnarnir.
Kjarnaklofnun var notuð í kjarnorkuvopnum og er einnig notuð í stýrðum kjarnaofnum. Kjarnasamruni getur losað meiri orku á hvert kílógramm eldsneytis, en stýrður samruni til raforkuframleiðslu er enn tæknilega erfiður.

22.5 Læknisfræðileg notkun geislavirkni: myndgreining og geislun

Í læknisfræðilegri myndgreiningu er geislavirkt lyf sett í líkamann og geislun frá því numin með nemum utan líkamans. Dæmi um slík tæki eru Anger-myndavél, SPECT og jáeindaskann eða PET-skann.
Jónandi geislun getur bæði valdið krabbameini og verið notuð til að meðhöndla það, vegna þess að hún getur skemmt DNA. Í geislameðferð er markmiðið að hámarka skammt í æxlisvef en takmarka skaða í heilbrigðum vef.
Gleypinn skammtur í rad lýsir orku á massa, þar sem 1 rad = 0,01 J/kg. Líffræðileg áhrif eru metin með hlutfallslegri líffræðilegri virkni, RBE, og jafngildisskammti í rem: rem = rad × RBE.

22.1 Bygging atómsins

Gullþynnutilraun Rutherfords sýndi að atómið hefur lítinn, þéttan kjarna og að rafeindir fylla að mestu tómarúmið í kringum hann.

Línuróf sýna að örvuð atóm senda frá sér eða gleypa orku í afmörkuðum skömmtum. Í Bohr-líkaninu eru rafeindir á ákveðnum brautum og orkan sem losnar eða gleypist við brautarskipti má rita ΔE = E_i − E_f, þar sem E_n = Z²E₀/n² fyrir n = 1, 2, 3, ...

Bylgjulengd ljóss sem atóm gleypir eða sendir frá sér má tengja við orkustigin með 1/λ = R(1/n_f² − 1/n_i²), þar sem R = 1,097 × 10⁷ m⁻¹. Skammtalíkan atómsins, rafeindaskýið, byggist á de Broglie-bylgjum og óvissulögmáli Heisenbergs.

22.2 Kjarnakraftar og geislavirkni

Kjarni atóms er gerður úr kjarnaeindum, róteindum og nifteindum. Sætistala Z, nifteindafjöldi N og massatala A eru notuð til að lýsa kjarntegundum og samsætum.

Stöðugleiki kjarna ræðst af samspili rafsegulkraftsins og sterka kjarnakraftsins. Geislavirk sundrun er kjarnabreyting þar sem óstöðugur kjarni sendir frá sér eindir eða orku.

Í alfasundrun má tákna hvarfið sem A_Z X_N → A−4_Z−2 Y_N−2 + ⁴₂He. Í betasundrun getur nifteind breyst í róteind, rafeind og fiseind: A_Z X_N → A_Z+1 Y_N−1 + e⁻ + ν̄ₑ. Í gammasundrun fer örvaður kjarni í stöðugra ástand með losun γ-geisla.

Smýgd geislunar fer eftir orku hennar, hleðslu og efninu sem hún fer í gegnum.

22.3 Helmingunartími og aldursgreining með geislavirkum efnum

Helmingunartími er sá tími sem það tekur helming geislavirkra kjarna í sýni að sundrast. Virkni sýnis er sundrunarhraðinn og má rita R = ΔN/Δt.

22.4 Kjarnaklofnun og kjarnasamruni

Kjarnaklofnun er klofnun atómkjarna. Hún getur losað mikla orku vegna þess að hluti massans breytist í orku samkvæmt E = mc².

Kjarnasamruni er sameining tveggja léttra kjarna í stærri kjarna. Orka losnar þegar myndefniskjarnarnir hafa meiri bindiorku á kjarnaeind en upphafskjarnarnir.

Kjarnaklofnun var notuð í kjarnorkuvopnum og er einnig notuð í stýrðum kjarnaofnum. Kjarnasamruni getur losað meiri orku á hvert kílógramm eldsneytis, en stýrður samruni til raforkuframleiðslu er enn tæknilega erfiður.

22.5 Læknisfræðileg notkun geislavirkni: myndgreining og geislun

Í læknisfræðilegri myndgreiningu er geislavirkt lyf sett í líkamann og geislun frá því numin með nemum utan líkamans. Dæmi um slík tæki eru Anger-myndavél, SPECT og jáeindaskann eða PET-skann.

Jónandi geislun getur bæði valdið krabbameini og verið notuð til að meðhöndla það, vegna þess að hún getur skemmt DNA. Í geislameðferð er markmiðið að hámarka skammt í æxlisvef en takmarka skaða í heilbrigðum vef.

Gleypinn skammtur í rad lýsir orku á massa, þar sem 1 rad = 0,01 J/kg. Líffræðileg áhrif eru metin með hlutfallslegri líffræðilegri virkni, RBE, og jafngildisskammti í rem: rem = rad × RBE.