Kernespaltning og atomkraft

Kernespaltning og atomkraft

Kernespaltning og atomkraft hører under fokusområdet om ioniserende strålings indvirkning på levende organismer.

Nu skal vi se nærmere på en helt særlig isotop af uran.

Uran-235 er en isotop af uran. Den har 235 kernepartikler. Uran har grundstofnummer 92.

Hvor mange neutroner er der i Uran-235-isotopen?

Når man skyder en neutron ind i uran-235 bliver den til uran-236. Hvorfor?
Uran-236 er en spændende isotop. Den knækker over i to mindre kerner og 3 neutroner. Hvordan kan man se det?
Vi kan se, at der dannes mange forskellige datterkerner. Hvis vi tjekker isotoperne på isotoptavlen, kan vi se at de alle er radioaktive. Det vil sige, at affaldet fra en kernespaltning er radioaktiv.

Denne kernespaltning kaldes også en fission. En fissionsproces er en kerneproces, hvor en stor tung atomkerne spalter til to lettere atomkerner. Og der udsendes neutroner.

Animationen af kernespaltninger vises med denne model.
Når man skyder en ekstra neutron ind i uran-235 sker der noget særligt spændende. På billedet i modellen skyder man med en sej rumpistol. Den kan skyde neutroner. I virkeligheden foregår det på en anden måde. Men det interesserer vi os ikke for lige nu.

Der sker en kernespaltning. Uran bliver et kort øjeblik til en uran-236 og spalter derefter.

Den udsender en masse energi i denne kernespaltning.

Der dannes to nye mindre kerner. Og 3 neutroner. (Nogle gange udsendes kun 2 neutroner).

De mindre kerner kaldes datterkerner og er radioaktive.

Hvis man har en hel masse uran-235 kan man sætte en kædereaktion i gang.

Start med at skyde en neutron ind på en uran-235. Den bliver til uran-236.
Den spalter og udsender energi og 2 datterkerner.
Og 3 neutroner som kan ramme andre uran-235-isotoper.

Sætter man uran-235 ind i et lukket rum og kan man styre kernespaltningen med nogle kontrolstave. Kontrolstave er lavet af et grundstof som fanger neutroner.

Et atomkraftværk

Energien fra kernespaltningen bliver til varme. Og varmen kan varme vand op til damp. Som driver en dampturbine og en generator. Og laver strøm. På et atomkraftværk.

Her er en modeltegning af et atomkraftværk. Det kunne godt ligne et almindeligt kraftværk, hvor kul eller naturgas eller affald afbrændes og danner varme. Som driver en dampturbine. Som driver en generator som laver strøm ved hjælp af induktion.

I et atomkraftværk kommer varmen fra kernespaltningerne. Når uran-235 spalter (i det røde område som kaldes en reaktor) dannes varme. Og denne varme kan bruges til at varme noget andet vand op til damp som driver dampturbinen og laver strøm i generatoren. Restvarme sendes til køletårnet. (Eller til fjernvarme, men det er ikke vist på modellen).

Problemstillinger og arbejdsspørgsmål:

Skal vi have atomkraft i Danmark?

Hvad skal vi gøre af det radioaktive affald (datterkernerne som er radioaktive i 10.000-100.000 år)?

Kan vi lagre atomaffald under ler-lag forskellige steder i Danmark?

Hvad gør man med atomaffald andre steder? F.eks i Finland?

Isotoptavlen kan findes her: isotopkort

Skim-læs den lange artikel om ja eller nej til atomkraft: https://www.dr.dk/viden/webfeature/atomkraft-ja-nej

Her er mere om argumenter for eller imod atomkraft: https://videnskab.dk/kultur-samfund/kan-atomkraft-redde-verden

Forslag til en problemstilling til en naturfagsprøve

Ioniserende strålings indvirkning på levende organismer

1
Problemstilling: Skal vi have atomkraft i Danmark?

Vi undersøger kort historien om atomkraft i Danmark, om beslutningen i 1986 og atomkraftulykken i Tjenobyl. 

Vi opstiller en model/tegning og forklarer hvordan atomkraft virker.

I fysik kan vi med en roterende rundmagnet, spole og jernkerne bygge en del af et kraftværk og forklare induktion, vekselspænding og hvordan termisk energi => kinetisk energi => elektrisk energi. 

Vi laver i atomfysik undersøgelser af radioaktive kilder og hvad de bliver stoppet af. 

Bliver alfa, beta og gamma bremset af ler? (1 cm ler, 2 cm ler, 5 cm ler). Undersøgelsen giver en masse måleresultater som vi fortolker.

I geografi undersøger vi jordbunden i Danmark. Hvad er ler? Undersøg rød-ler, blå-ler, kaolin

Hvordan er undergrunden i Danmark blevet dannet? Undersøg sedimenter og geologiske aflejringer.  

Og kommer med forslag til, hvor man på et kort over Danmark kan placere et atomaffaldslager.

I biologi undersøger vi ioniserende stråling på levende organismer.  

Vi laver og tegner modeller af temakort over Danmark, mulige placeringer af atomkraftværker, hvad der sker, når kroppen rammes af stråling, DNA og stråling.

Til sidst kan vi perspektivere til klimaforandringer, klimalov...

2
Problemstilling: Er fusion fremtidens energikilde?

Læs:

https://ufm.dk/forskning-og-innovation/internationalt-samarbejde/europaeiske-samarbejder/iter

Her er en række arbejdspørgsmål:

Hvad er fusion? Hvilke kerneprocesser foregår i Solen? Kan vi genskabe fusion og få energi på den måde? Er der affaldsstoffer ligesom i fission/atomkraft?

Fysik...
Biologi...
Geografi...

(modeller, undersøgelser, perspektivering, kommunikation)

9bc undersøger radioaktiv stråling 2

Undersøgelser - radioaktiv stråling

Opstil en hypotese. Brug spørgsmålene og stil "hvorfor..." og "hvordan kan det være..."

Brug regneark til dine måleresultater.

Brug måleresultater til grafer.

Fortolk data.

Strålings rækkevidde. Hvor langt bevæger stråling sig?

Bremser kødpålæg stråling? Vi bruger kødpålæg som en model, da vi ikke tester stråling på mennesker.

Kan man bruge beta-stråling til at måle vandhøjde i et reagensglas? Kan vi bruge stråling til at måle tandpasta i tuber?

Halveringstid vises med terningkast. En terning er en model på et radioaktivt atom, som på et eller andet tidspunkt henfalder (slår en 6er).

Ultraviolet stråling bremses af solcreme? Kan vi lave et forsøg som viser at solcreme bremser uv-lys?

Artikel om D-vitamin i gær (perspektiver til fysik, geografi, biologi). Hvorfor og skal vi berige mad med vitaminer? Hvorfor gør de det i Sverige?

www.vorhjem.dk søg på radon. Se de to film og vurder fysik-, biologi- og geografiindhold.




Her undersøger vi om radioaktiv stråling går gennem kødpålæg. Det gør vi, fordi vi ikke laver forsøg på dyr eller mennesker. Pålægget er en model.

Terningkast med mange terninger er interessant, når man undersøger halveringstid. Efter ca. 3-4 slag er halvdelen af terningerne taget fra. Vi tager terninger fra hver gang der slås en 6ér.
Modellen svarer til, at en terning er et atom. Når det henfalder, udsender det stråling og bliver omdannet til et nyt andet atom.

Tavlenoterne samler op på undersøgelserne. Alle i klassen har mulighed for at gennemføre deres egne undersøgelser. I slutningen af timen laver vi fælles opsamling på alle undersøgelser.

Ultraviolet stråling stoppes af solcreme med faktor 20. I undersøgelsen sammenlignes resultater med og uden solcreme og med bodylotion. Resultaterne viser tydeligt, at solfaktor 20 har en blokerende effekt på uv-lys.

Hvad kan man bruge beta-stråling til? For eksempel til at styre en proces, hvor vi hælder en væske i et reagensglas. Ved at lytte til geiger-tællerens bib-lyde, kan vi afgøre hvornår vandet afbryder beta- strålen. Beta- bliver bremset af vand.

Terningkast og halveringstid. Sammenlign resultaterne med den matematiske funktion for eksponentiel aftagende funktion. Søg efter formlen på nettet. Det er spændende matematik.

Undersøgelse af gennemstråling af kødpålæg. Skiver af kødpålæg pakkes ind i plastfolie. Bliver alfa, beta og gamma-stråling bremset lige godt?

Opsamling af forsøg og undersøgelser på tavlen. Ved den fælles gennemgang blev der også samlet op på en avisartikel om D-vitamin i gær. En spændende artikel som både indeholder geografi (solindstråling i Sverige og Danmark betyder, at man i Sverige (længere mod nord) bliver nød til at berige fødevarer med vitaminer. Biologi-delen handler om sund kost, vitaminer og hvordan D-vitamin dannes i huden i solskin. (Er der mere solskin i Danmark end i Sverige?). Atom-fysikken i artiklen handler om uv-stråling og om hvordan stråling påvirker levende organismer.

På hjemmesiden vorhjem findes to film om radon. Radon er en radioaktiv gasart (ædelgas, da den står i hovedgruppe 8). Den dannes ved radioaktive henfald i undergrunden forskellige steder i Danmark. Mest på Bornholm og mindst i Vest-jylland. Når radon henfalder bliver det til alfa-stråling og polomium som er et radioaktivt tungmetal. Når det først er i kroppen kommer det ikke ud igen. Og det udsender alfa-stråling. Alfa-stråling er farlig, når man har et tungmetal i kroppen.

Hvert år dør 300 danskere af radon og lungekræft.

Masseundersøgelsen 2019 - Resultater af plastundersøgelsen

Masseundersøgelsen 2019

Her er links til resultater af den store plastundersøgelse som 9b og 9c deltog i.

Rapporten og undersøgelsens resultater er et godt eksempel på en naturvidenskabelig undersøgelse.
Der er gennemført en undersøgelse (med 57000 elever) der har indsamlet plast i naturen i stort set hele Danmark.
Forskere har brugt resultaterne, og de har fortolket målingerne.
På den baggrund er der fremkommet nogle konklusioner.

Emnet hører under fokusområdet: Menneskers udledning af stoffer.
Det er et godt eksempel på hvordan en undersøgelse kan foregå.

Resultatrapport 

Hovedkonklusionerne i rapporten er, at der er plast alle steder i den danske natur, at cigaretskod, chips- og slikposer udgør den største del af plastaffaldet. Plast i naturen er altså plastaffald som du og jeg har smidt i naturen. Pantsystemet virker, da der sjældent findes PET-plast som pantflasker er lavet af.

Se filmen. Den er ret sjov.

Film om resultater af Masseundersøgelsen 2019

9c undersøger tågekammer på gymnasiet

9c besøgte Fredericia Gymnasium.

Tågekammeret viser spor af baggrundsstråling og spor af stråling fra de tre radioaktive kilder. Alfa danner et kort og ret tykt spor i den afkølede sprit i tågekammeret. Beta kan være højenergi eller med lav energi. Det ses som lange lige hurtige spor. Beta med lav energi giver et zigzag spor, da det støder ind i atomer undervejs.

Alfa kommer fra radon som henfalder fra uran i undergrunden. Alfa er baggrundsstråling fra Jorden.

På den sorte overflade dannes i den afkølede sky af sprit nogle små "skyer". Når partikler rammer den afkølede sprit, dannes en lille sky.
Vi kan se "retningen" når skyen bliver dannet. Men skyen forsvinder også ret hurtigt igen.

I fysiklokalet på gymnasiet har de også en isotoptavle. Den bruger vi, når vi skal følge forskellige isotoper og deres henfald.

En alfa "hopper" 2 ned og 2 til venstre. Det gør den, når den udsender en heliumkerne.

En beta-minus "hopper" skråt op til venstre. Det gør den, når en neutron omdannes til en proton og en elektron.

De radioaktive kilder (alfa, beta og gamma) kan lægges ind i et lille hul i siden på tågekammeret. Der kommer et tydeligt spor og ekstra mange "sky-spor" fra kilderne.

Alfa er korte og tykke.

Beta giver en stor vifte af elektroner med høj energi.

Gamma slår elektroner fri fra atomer i spritdampen. Derfor ser vi "beta"-lav-energi stråling. Gamma er en energirig bølge.

Tavlenoter fra gennemgang af tågekammerets funktion og hvordan isotoper henfalder.

9bc undersøger radioaktiv stråling 1

Vi har undersøgt en række forskellige områder under radioaktiv stråling og anvendelsesmuligheder.

A
Kødpålæg bremser alfa-stråling. Vi måler på forskellige antal lag kødpålæg.
Undersøgelsen fortæller os, at kødpålæg kan bremse visse former for stråling.
Men hvad med beta og gamma?

B
Kødpålæg bliver ikke radioaktivt ved stråling. Et lille stykke pålæg lå i 7 timer i skabet med de radioaktive kilder. Målinger på ubestrålet og bestrålet pålæg viser, at der ikke er nogen forskel.
Bestrålet mad bliver ikke radioaktivt.

C
Halveringstid. Alle i klassen får en terning. Hver gang der slås med 6er henfalder eleven og går ud. Vi tæller efter hvert slag (altså efter hver tidsenhed der går) RESTEN af terningerne/elever der ikke slog en 6er.
I en graf ser vi halveringskurven som er en eksponentiel aftagende funktion.

Forsøg med mange terninger (ca 70 terninger) viste en graf for halveringstid. Eksponentiel aftagende funktion. Vi målte halveringstiden til 3,6.

N er antallet af rest-atomer til tiden t.

No er antal atomer ved starten. 

t1/2 er halveringstiden.

D
Processtyring med beta-kilde. Vi kan styre mængden af vand i et reagensglas ved at bruge stråling som “måleapparat”. Når strålen bliver afbrudt af vand i reagensglasset skal man stoppe med at hælde vand i.
Undersøgelsen viser os, at vi kan bruge stråling til at styre forskellige processer i industrien. I fysikbogen er vist et eksempel med opfyldning af tandpasta i tuber. (Bliver tandpasta radioaktivt?)

E
Målinger af alfa- og beta- stråling viser følgende.
Alfa rækker ca. 5 cm. Og bremses af papir.
Beta rækker ca 10-15 cm. Og bliver bremset af en bog eller af aluminium.
Resultater indsættes i regneark. Graferne i regnearket kan bruges til fortolkning af data.

Fokus 4: Problemstillinger om radioaktivitet og ioniserende stråling

Fokus 4: Strålings indvirkning på levende organismer

I fokus 4 ser vi nærmere på kernefysik, hvor du skal lære om kerneprocesser og om hvordan radioaktiv stråling opstår. På isotoptavlen kan vi finde en oversigt over alle udgaver af alle atomer. Nogle er stabile og dem sker der ikke mere med. Andre (og det er de fleste isotoper) er ustabile og udsender på et eller andet tidspunkt radioaktiv stråling.

I fokus 4 arbejder vi med teksten i Ny Prisma 9. Husk at læse i bogen. Bare sådan en gang i mellem.

I fokus 4 laver vi undersøgelser af de radioaktive kilder (alfa, beta og gamma), som vi har i fysiklokalet. Du skal bruge et excel-ark eller et wordark til at indtaste måledata. Derefter skal du undersøge dine måleresultater i nogle grafer.
Passer hypoteserne om at:
Alfa bevæger sig 5 cm gennem luft.
Alfa bliver bremset af et ark papir.
Alfa er en helium-kerne. Altså 2 protoner og 2 neutroner.
Beta bevæger sig 10-15 cm og bremses af en bog.
Beta-minus er elektroner, som dannes i kernen, når en neutron omdannes til en proton og en elektron.
Gamma bevæger sig flere meter og bremses af et tykt lag bly.
Gamma er en bølge. Altså en slags energirig "usynligt" lys. Andre former for bølger er netop lys, røntgenstråling, ultraviolet stråling.
Ultraviolet stråling hører ikke til de radioaktive stråler. Men vi undersøger den fordi den også kan påvirke levende organismer.


Problemstillinger:
Her er en række spændende problemstillinger omkring ioniserende stråling. Det er nogle problemstillinger, som elever og jeg har fundet i arbejdet med radioaktive kilder.
Problemstillingerne kan laves om til arbejdsspørgsmål, undersøgelser, modeller og perspektivering.

Problem:
Hvorfor kan farveblinde ikke opfatte farverne i det elektromagnetiske spektrum?
Lysets farver er en lille del af det elektromagnetiske spektrum.
Radiobølger, mikrobølger, infrarød, synlige farver (rød, gul, grøn, blå,violet), ultraviolet, røntgen, gamma.
Undersøg hvordan man tester for farveblindhed. Opstil modeller af øjet, opfattelse af farve, farver og bølgelængder. Fortæl om perspektiver.

Problem:
Mennesker får kræft af radioaktiv stråling. Vi bruger radioaktiv stråling til at fjerne kræftknuder. Hvordan kan det være?
Undersøg ioniserende stråling. Forklar med modeller/tegninger/tegneserier hvordan ioner kan opstå. Forklar celleforandringer, kræftcelle,udvikling, muligheder for behandling.
https://www.auh.dk/om-auh/afdelinger/kraeftafdelingen/behandling/straleterapi/

Problem:
Radon er en radioaktiv gasart. Radon kan give kræft og dræber hvert år 300 danskere. Hvor kommer Radon fra og hvordan kan vi undgå denne stråling?
Undersøg og mål stråling fra støv fra kælderrum, opstil modeller af mulige isotoper af radon, henfald, forklar med en model hvorradon kommer fra. Forklar perspektiver og konsekvenser, muligheder for at undgå radon i huse, temakort over radon fra dansk undergrund og årsager.
Problem:
Alfa og beta er ladende ioniserende partikler. Kan man bøje alfa- og beta-stråling med en magnet? Og hvad kan man bruge det til i forskningen på CERN?

Problem:
Aarhus Universitetshospital har taget en ny form for kræftbehandling i brug. Det kaldes partikelterapi. Hvordan virker partikelterapi og er det bedre end andre former for strålebehandling?
https://www.auh.dk/om-auh/afdelinger/dansk-center-for-partikelterapi/

Problem:
Hvad betyder det, at stråling er ioniserende? Er der forskel på ioniserende stråling og stråling?


Problem:
Kan gærceller fremstille D-vitamin? Og hvad har det med stråling at gøre?
Her er en artikel fra Politiken, lørdag den 18. januar 2020.
I den artikel omtales en ny type gær med D-vitamin.

Artiklen giver os mulighed for at stille nogle gode arbejdsspørgsmål om D-vitamin, gær, uv-stråling, beriget fødevarer i Sverige og Danmark, menneskers behov for D-vitamin.

Arbejdsspørgsmålene kan deles i fysik (stråling, uv, ...), biologi (gær, vitaminer, ...) og geografi (menneskers behov for D-vitamin forskellige steder på Jorden. Er det et størreproblem i Sverige end i Danmark og hvorfor?)

Undersøg stråling og gær? Overlever gærceller uv-stråling?
Lav modeller af gærcelle, D-vitamin-dannelse i kroppen ved sollys, naturlig dannelse af D-vitamin i kroppen afhænger af hvor på Jorden og solindstråling.

Perspektiver til sundhed, beriget mad, fordele og ulemper, lov om tilsætningsstoffer i fødevarer og berigede fødevarer...

Fokus 4: Undersøg ultraviolet stråling

Undersøg ultraviolet stråling

Brug word-dokument og indsæt billeder.

Fokus 4: Undersøg radioaktiv stråling

Undersøg alfa, beta og gamma

Undersøg om hypotesen passer.
Hvad bliver radioaktiv stråling bremset af og hvor langt rækker strålingen?


Udstyr til måling af alfa. En alfakilde, et GM-rør (geigertæller) og en tæller. Så kan der måles på rækkevidde og gennemtrængelighed.

Beta

Gamma. Her kan vi bruge en anden GM-tæller som viser puls/sek. Hvis du gerne vil omregne det til antal pulser pr. 10 sekunder, skal du bare gange med 10.

Brug regnearket, indtast data og tegn kurvediagrammer

Sådan kan det se ud, når der bliver målt på en alfakilde og hvad den bliver bremset af. Målingerne indtastes i regnearket og en graf viser resultaterne. Vi kan af grafen (ikke vist her) se, at der skal mere end 1 stykke papir til at bremse alfa-partikler.

Med linealen kan vi måle hvor langt en alfa, beta og gamma-stråling bevæger sig gennem luft.
Alfa 5 cm
Beta 10-15 cm
Gamma flere meter

Fokus 1 og 2: Klimaforandringer

Livet på Jorden vil fortsætte også efter klimaforandringerne.
Når først liv har bidt sig fast på en planet, er det ikke lige sådan at udryde.



Artikel om liv og klimaforandringer.
Weekendavisen, januar 2020

Fokus: Bæredygtig udnyttelse af naturgrundlaget og dyrevelfærd

Bios C
Dyrevelfærd
Billeder og kopiark fra Bios C bruges i biologi 9b 9c januar 2020.