Kjernefysikk

Kjernefysikk er den delen av fysikken som forsøker å beskrive de indre forholdene i en atomkjerne.

De første kjernefysiske eksperimentene ble utført av Ernest Rutherford på slutten av 1800-tallet. Han sendte en stråle av alfapartikler inn mot en tynn folie av gull. Observasjonene hans ledet til kunnskapen om at atomet måtte ha en indre struktur med en ørliten positivt ladet kjerne i midten.

Enda er ikke dynamikken i atomkjernen fullt ut forstått, men man har teoretiske beskrivelser som fungerer tilfredsstillende med visse begrensninger. Den mest dekkende, og samtidig mest generelle beskrivelsen, er en skallmodell på linje med skallmodellen for atomet. Man vet i dag at atomkjernen består av positivt ladete protoner, og elektrisk nøytrale nøytroner. Disse er igjen bygd opp av kvarker.

Kjernefysikken kan forklare radioaktivitet.

Kjernefysisk aktivitet

Kjernefysisk aktivitet er det som skjer når atomer splittes (fisjon), og når de smeltes sammen (fusjon).

Fisjon

Fisjon er det som skjer når atomer (som regel Uran- eller Plutoniumatomer) spaltes og frigjør energi. Denne teknologien brukes i Kjernekraft og Atombomber som Little Boy og Fat Man, som ble sluppet over Hiroshima og Nagasaki av amerikanerne under den andre verdenskrig.

Fisjon foregår når for eksempel et Uranatom splittes opp av nøytroner som treffer atomets kjerne. Dersom nøytronet treffer kjernen for fort vil det gå rett igjennom. Det må derfor ha en slik hastighet at nøytronet trekker inn i kjernen, og setter i gang splittingen av atomet. Det var den tyske fysikeren Lise Meitner som skjønte hva som skjedde da et nøytron traff Urankjernen.

Når nøytronet treffer kjernen, starter atomets nøytroner å frigjøre seg, som igjen treffer andre atomer. Hvert treff forårsaker energi, og siden antallet treff øker til mange tusen i sekundet, øker energien voldsomt. Dette kan vi vise ved Albert Einsteins berømte ligning:

$E=mc^{2}$

Der m er massen og c er lysets hastighet (3,0 * 10⁸ m/s).

Fisjon foregår også med Plutonium som drivstoff, men Plutonium er både mer sjeldent og dyrere, siden det ikke eksisterer på jorden, slik Uran gjør.

Anvendelse av fisjon

Fisjon brukes mye i kjernekraft, men det brukes også i atombomber.

Hvordan utløse fisjon

Det er flere måter å utløse fisjon på. I kjernekraftverk er det en nøytrongenerator som sender en strøm av nøytroner mot uranet, mens det i atombomber er en kule av uran eller plutonium rundt en nøytrongenerator, som aktiveres av en sjokkbølge.

Fisjon forekommer blant annet når en radioaktiv isotop utsettes for en sjokkbølge. Det kan også forekomme når plutonium kommer over den kritiske massen.

Fusjon

Fusjon er det motsatte av fisjon, nemlig at atomer smeltes sammen. Fusjon er mye vanskeligere å utløse enn fisjon. Det har kun lyktes forskere å observere fusjon i brøkdelen av et sekund på grunn av de enormt høye temperaturene som kreves. Nylig klarte Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST); en Kinesisk forskergruppe; å opprettholde en fusjonsreaksjon i 102 sekunder ved en temperatur på nær 50 million grader celcius. Dette er varmere enn kjernen i vår sol, og reaksjonen varte betydelig lengre enn noen andre har klart hittil og representerer dermed en stor milepæl for fusjonsteknologi.^{[trenger referanse]} Drivstoffet for fusjon er som regel deuterium og tritium. Begge stoffene er isotoper av hydrogen. Begge stoffene har også til felles at de ved standard atmosfære og temperatur, at de er gasser. Dette gjør det vanskelig å lagre dem, og de blandes dermed med litium. Deuterium kan ta plassen til hydrogen i vanlig vann (H2O), og skaper dermed tungtvann.

Anvendelse av fusjon

Fusjon anvendes mest i moderne kjernefysiske våpen, også kjent som hydrogenbomber. Fusjon er også det som foregår i stjerner, som f.eks. solen.

Hvordan utløse fusjon

Fusjon er meget vanskelig å utløse, siden det krever enorm temperatur og trykk. Det utløses i hydrogenbomber ved hjelp av en atombombe som bruker fisjon. Denne øker da temperatur og trykk så enormt at en plutoniumstav begynner å fisjonere, hvilket igjen starter fusjonen. Fusjon er mer effektivt blant annet fordi det har høyere effektivitet.

Eksempler på anvendelser

Eksempler på praktiske anvendelser av kjernefysikk er:

• Kjernekraft
• Atombomber
• MRI-scanning (anvendes innen medisin for å scanne innsiden av kroppen)
• Røntgenfotografi

Se også

• Kjernekjemi

Kilder

• (no) «Kjernefysikk» i Store norske leksikon