Hvor mange protoner består en atomkerne af?
Hej Spørg om Fysik
Jeg arbejder som informatør på CLAB, som er det Centrale Laboraratorium for Använd kärnBränsle i Sverige. En af vores besøgere har stillet følgende spørgsmål:
Hvordan ved man, hvor mange protoner en atomkerne består af, når man ikke kan se atomerne? Har i et godt og enkelt svar?
Mange venlige hilsener
B F
Elektronen: I sidste halvdel af attenhundredetallet blev der arbejdet en del med elektronen i starten som katodestråler i udladningsrør, hvor man fik afgjort ladningens fortegn.
I 1897 målte Joseph John Thomson Nobel pris 1906 (GB, 1856 - 1940) elektronens e/m, e er ladningen, m massen. I 1906 målte Harold Albert Wilson (GB, 1874-1964) elektronens ladning, e, med en vis usikkerhed. I 1910 målte Robert Andrews Millikan Nobel pris 1923 (1868 - 1953) elektronladningen meget præcist. Man kendte nu elektronens masse, ladning og sammen mede Faradays love kunne man nu se, at elektronerne kun kunne forklare ca. 1/2000 af atomets masse.
J. J. Thomson
Harold Albert Wilson
Atommodeller. I samme periode var der en række atommodeller. Der var f.eks. en "rosinbollemodel" med en kerne (bollen), hvor elektronerne sad som rosiner i en bolle (J. J. Thomson) og en planetmodel. Et afgørende problem for forståelsen af atomet var, at man ikke kunne forstå hvordan elektronerne blev holdt fast, ideer om at de kredsede om kernen, var ikke brugbare, fordi Maxwell i 1864-70 havde vist, at accelererede ladninger udsender stråling, og en
Robert Andrews Milikan
elektron i en kredsbane er accelereret, man kunne så se at atomerne ville bryde sammen på brøkdele af sekunder, og det er ikke foreneligt med den kendte verden. Johannes "Hans" Wilhelm Geiger (D, 1882 - 1945)
Johannes "Hans" Wilhelm Geiger
og Ernest Marsden (GB/New Zeeland, 1889 - 1970) viste ved at sende alfastråling imod et guldfolie, at kun meget få stråler ramte nogen kerne, og netop dette forsøg viste at J. J. Thomsons atommodeller var forkert med mindst en faktor 1010. I 1895 opdagede Wilhelm Conrad Röntgen Nobel pris 1901 (D, 1845 - 1923) røntgenstrålingen, Ernest Rutherford Nobel pris 1908 (New Zealand, arbejde i GB, 1871 - 1937), viste så at atomets
Ernest Marsden
positive ladning befandt sig indenfor et område, der havde en meget mindre diameter end atomet (og røntgendata viste, at det var den
Wilhelm Conrad Röntgen
positive del, atomets størrelse ca. 10-14 meter, atomet selv er ca. 10-10 meter). Nye forsøg af Geiger og Marsden samt af Henry Gwyn Jeffreys Moseley (GB 1887 - 1915) viste at antallet af positive ladninger i atomkernen er o
Ernest Rutherford
mkring det halve af atomvægten.
Bohr modellen. . Dmitri Ivanovich Mendeleev (Rus, 1834 - 1907) opstillede I en periode I 1860 det kemiske periodiske system, som viste en sammenhæng I stoffernes egenskaber. Niels Henrik David Bohr Nobel pris 1922 (1885 - 1962) publicerede i 1913 det man kalder
Henry Gwyn Jessreys Moseley
Bohr modellen, hvor han forklarede det periodiske system (og rettede visse stoffers placering mm.), og skabte en forståelse for at stoffernes kemiske egenskaber bestemmes af de yderste elektroner og rækkefølgen i det periodiske system af det samlede antal elektroner omkring kernen. Desuden forklarede han principielt (nøje gennemgået for brint) at stoffernes spektre kunne forklares ud fra elektronkonfigurationen af de omgivende elektroner. Det fremgår, at de sædvanlige grundstoffer der findes i naturen har op til ca. 92 elektroner omkring kernen. Da stofferne ikke er opladet elektrisk i dagligdagen, må der i atomet være det samme antal positive ladninger. Det afgørende i
Dmitri Ivanovich Mendeleev
Bohrs arbejde er imidlertid kvantiseringen, der fastslår at stationære elektronniveauer er mulige uden stråling, og at lysudsendelse og optagelse skyldes elektr
Niels Henrik David Bohr
onhop imellem niveauerne heraf de karakteristiske spektre. Elektronerne befandt sig altså i atomets område, midt i fandtes en lille bitter kerne. Denne kerne havde en positiv ladning, som var lige så stor som de omgivende elektronernes negative ladning. Næsten hele massen er i kernen.
Udbygning af forståelse af atomkernen. Frederick
Frederick Soddy
Soddy (GB, 1877 - 1956) og Kazimierz Fajans (Po/USA, 1887-1975) viste, at alfastråling henholdsvis betastråling bevirkede kerneomdannelser, alfastråling gav en kerne to pladser lavere end det oprindelige stof, betastråling en plads højere end det oprindelige stof. Isotoper blev opdaget af Soddy i 1910. James Chadwick Nobel pris 1935 (GB, 1891 - 1974) beviste at neutronen eksisterede i 1932. Neutronen forklarer hvorfor antal positive ladninger er det halve af atomvægten resten er neutroner, idet den resterende masse findes i kernen i form af neutroner. Isotoperne er også hermed forklaret, det er stoffer med et givet
Kazimierz Fajans
antal protoner. Dette antal bestemmer antal elektroner omkring atomkernen og dermed de kemiske egenskaber. Hvis der er flere eller færre neutroner får man altså samme kemiske stof men med lidt forskellig masse. Det ses særligt tydeligt i det letteste stof brint, em proton og en neutron, men det kendes også med en proton og 2 neutroner,
James Chadwick
deuterium eller tungt brint endeligt med 1 proton og 3 neutroner, tritium (radioaktivt). Her kan man direkte skille isotoperne med simple metoder. Det forklarer også hvorfor atomvægtene ikke er simple hele tal, det skyldes, at grundstofferne er isotopblandingerne. Der er stoffer i naturen som Fluor, som har en stabil isotop, og som Tin som har 10.
Svar:
Man har altså ved forsøg fundet ud af elektronskyens elektronantal og ordnet kernerne efter antal elektroner. Derefter har fundet kernen størrelse, kernens ladning og masse for at give atomvægtene rigtigt. Man opdagede neutronen og for at få den rigtige atommasse var det nødvendigt at ca. halvdelen af atomkernens partikler er neutroner, der bliver forholdsvis flere neutroner efterhånden som man kommer op i atomnummer (23892U, uran har altså 92 protoner og 146 neutroner). Dermed er isotoperne også forklaret og beskrivelsen forklarer også radioaktive stoffer, og deres skift i det periodiske system. Metoderne er altså nært knyttet til radioaktivitet, spektre herunder røntgenspektre, beskydning af kernen med partikler, massebestemmelse og ladningsbestemmelse af elektronen og kernen. Det er et godt eksempel på den naturvidenskabelige metode, hvor teorier bevises ved, at forsøgs udfald stemmer med forudsigelserne fra teorierne, se https://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/tyngdekraft/
John Dalton
Jeg har desværre måtte springe en masse centrale forskere over og en del led i processen, men det drejer sig om beskrivelse af fysikken (og til dels kemiens) historie fra John Dalton (GB, 1766 - 1844) til omkring idag, hvor der forskes i kernens detaljerede struktur, se artiklerne om forskningen på CERN, så der er en mængde enkeltheder og meget mere end 100 års forskningshistorie. Man kan med nogen ret sige, at centrale dele af arbejdet med forståelsen af atomets opbygning, fortrinsvis er foregået i England (men også der med forskere udefra).
Vi kan altså ikke se direkte ind i atomkernen som et billede, men eksperimentelt kan vi se selv meget små detaljer og sammenhænge ved en lang række forsøg Se også:
Oversigtsskema:
| Forsøg | År | Hvem | Hvor |
| Kemiske vægte | 1808 | Dalton | England |
| Atomer og molekyler froståer, gaslove | 1811 | Avogadro | Italien |
| Periodiske system | 1868 | Mendeleev | Rusland |
| Røntgenstråling | 1895 | Røntgen | Tyskland |
| Radioaktivitet (Uran) | 1896 | Becquerel | Frankrig |
| Elektronen som en del af atomet | 1897 | J.J. Thomson | England |
| Elektronens ladning, avogadros tal vurderet | 1903 | H. A. Wilson | England |
| Alfa partikel er helium kerne | 1903 | Rutherford | England |
| Ækvivalens af masse og energi | 1905 | Einstein | Schweiz |
| Elektronladningen | 1910 | Millikan | USA |
| Antal elektroner pr. atom (røntgen) og isotoper | 1911 | Soddy | England |
| Atomkernens størrelse bestemt | 1911-13 | Rutherford, Geiger, Marsden | England |
| Atommodellen | 1913 | Bohr | Danmark |
| Atomnumre fastlagt ved røntgenspektre | 1913 | Moseley | England |
| Atomomdannelser, protonen identificeret | 1919 | Rutherford | England |
| Alfa henfald forklaret | 1928 | Gamow, Condon, Gurmey | USA |
| Deuterium opdaget | 1932 | Urey | USA |
| Neutronen opdaget | 1932 | Chadwick | England |
| Kunstige kerneomdannelser | 1932 | Cockcroft Walton | England |
| Positronen opdaget | 1932 | Anderson | USA |
| Betahenfaldet forklaret | 1934 | Fermi | Schweiz |
| Fission opdaget | 1939 | O. Hahn F. Strassmann | Tyskland |
Med venlig hilsen
Malte Olsen
