247 Tau, Beta decay

Inledning

Betasönderfall eller β-sönderfall som det även kan skrivas som, är inom kärnfysiken ett radioaktivt sönderfall där atomkärnan sönderfaller genom att avge en betapartikel som antingen är en elektron eller en positron. som innebär att en atomkärna sönderfaller genom att avge en betapartikel, Sönderfalls produkten eller dotterkärnan som den även kallas hamnar i de flesta fall i ett exciterat tillstånd d.v.s. att energi tillförs så att en elektron "hoppar upp" till ett skal som innehåller mer energi. Exciterade atomer är ofta väldigt instabila vilket leder till de let sönderfaller i gammastrålning.

Citat från boken som "beskriver" "problemet".

The problem was to find the right laws of beta decay. There appeared to be two particles, which were called a tau and a theta. They seemed to have almost exactly the same mass, but one disintegrated into two pions, and the other into three pions. Not only did they seem to have the same mass, but they also had the same lifetime, which is a funny coincidence. So everybody was concerned about this. ¹
Hela kapitlet går att läsa här.

Problemlösning eller nått liknande eller typ info om Tau- och Betasönderfall

Martin Lewis Perl.

Tau

Den tau upptäcktes genom en serie av experiment mellan 1974 och 1977 av Martin Lewis Perl och hans med forskare vid SLAC-LBL gruppen. ²

Martin Perl delade 1995 års Nobelpris i fysik med Frederick Reines för sin upptäckt av tau-leptonen . Reines fick sin del av priset för den experimentella upptäckten av neutrinon. ²

Tau partikeln

Standardmodellen över elementarpartiklar.

Tau (τ), även kallad tau lepton, tau partikel eller tauon, är en elementär partikel som liknar en elektron. Tillsammans med elektronen, myonen, och de tre neutrinerna, klassificeras den som en lepton. Liksom alla elementarpartiklar, har tau en motsvarande antipartikel med motsatt laddning, med lika massa och spinn, vilket i tau:s fall är antitau. Tau partiklar betecknas med τ^- och antitau med τ ⁺

Betasönderfall

Betasönderfall innebär att den radioaktiva kärnan avger en betapartikel.

Betasönderfall kan delas in i tre olika typer av sönderfall: β^--sönderfall, β⁺-sönderfall och ε-infångning. Vid ett betasönderfall bevaras den totala elektriska laddningen, kvarkantalet och leptonantalet, vilket innebär att om en lepton (elektron eller neutrino) bildas måste detta kompenseras med bildandet av en antilepton (positron eller antineutrino). Vid sönderfallet kan dotterkärnan hamna i ett exciterat tillstånd för att sedan sända ut energiöverskottet som gammastrålning. Även de inre elektronskalen kan exciteras vilket ger upphov till karaktäristisk röntgenstrålning vid deexcitationen. Energiöverskottet kan även tas upp av en annan elektron som avges som en Augerelektron, som har mycket lägre energier än en betapartikel.

β⁺-sönderfall

β⁺ sönderfall innebär att en proton i atomkärnan sönderfaller i en neutron, en positron och en neutrino. En positron är elektronens antipartikel. Den har samma massa och har en lika stor men motsatt laddning som elektronen. Positronens laddning är +1 elementarladdning.

Diracekvationen postulerade existensen av positroner fyra år före det att partikeln 1932 upptäcktes av Carl D. Anderson. Det var första gången som en elementarpartikel först förutsagts teoretiskt innan den upptäckts experimentellt, något som blivit relativt vanligt sedan dess.

[math]\displaystyle{ \mbox{p} \rightarrow \mbox{n} + \mbox{e}^+ + \nu_{e}. }[/math]

Eftersom det försvinner en proton i sönderfallet är atomnumret hos dotterkärnan ett lägre än atomnumret hos den ursprungliga kärnan. På elementarpartikelnivå är β⁺ sönderfall en omvandling av en uppkvark till en nerkvark genom utsändande av en W-boson|W⁺-boson som sönderfaller i en positron och en neutrino.

β⁻-sönderfall

Feynmandiagram för β⁻ sönderfall

β⁻ sönderfall innebär att en neutron i atomkärnan sönderfaller i en proton, en elektron och en antineutrino.

[math]\displaystyle{ \mbox{n} \rightarrow \mbox{p} + \mbox{e}^- + \bar{\nu}_{e}. }[/math]

Eftersom det bildas en proton i sönderfallet är atomnumret hos dotterkärnan ett högre än atomnumret hos den ursprungliga kärnan. På elementarpartikelnivå är β⁻ sönderfall en omvandling av en nerkvark till en uppkvark genom utsändande av en W-boson|W⁻-boson som sönderfaller i en elektron och en antineutrino.

ε-infångning

ε-infångning innebär att en elektron i atomkärnan ”fångas in” av atomkärnan, och omvandlar en proton till en neutron och en neutrino.

[math]\displaystyle{ \mbox{p} + \mbox{e}^- \rightarrow \mbox{n} + \nu_{e}. }[/math]

Individ och Samhälle

Varken tau- eller betasönderfall har någon påverkan på samhället i sig, dock så har tidigare ökad förståelse om atomers sönderfall och kärnfysik lett till spännande upptäckter inom ett flertal områden t.ex. inom medicin och energiproduktion. Detta lämnar plats för möjligheten att finna praktiska användningar i framtiden.

Medicin

Wilhelm Röntgen (1845-1923).

De kärnfysikaliska tillämpningarna inom medicin kan delas in i två grupper d.v.s. diagnostik och behandling. Den diagnostiska användningen är den som de flesta människor har kommit i kontakt med medan behandling är betydligt ovanligare.

Den diagnostiska användningen kommer man i kontakt med när man t.ex. när man besöker tandläkaren och tandläkaren tar en röntgen bild. Även när man fått ett benbrott så används röntgenstrålning för att diagnosera brottet.

Röntgenstrålning är en typ av fotonstrålning, det vill säga joniserande elektromagnetisk strålning med kort våglängd och höga fotonenergier. Röntgenstrålningen upptäcktes av forskaren Wilhelm Conrad Röntgen 1895, som fick det allra första Nobelpriset i fysik 1901 för den bedriften.
När man tar en röntgenbild så bestrålar man kroppen med röntgenstrålning varvid olika vävnadstyper i kroppen släpper igenom olika mycket strålning till en bakomliggande fotografisk film eller digital detektor som sedan kan framkallas för att se eventuella skador eller förändringar i kroppen.

Under senare år har även mer avancerade tekniker börjat användas. Dessa är vanligen baserade på att ett radioaktivt ämne eller ett annat ämne som kan aktiveras genom bestrålning injiceras i kroppen. Ämnet är av sådan typ att det uppsöker de delar av kroppen som man önskar studera eller deltar i speciella processer. De ämnen som används är normalt desamma som naturligt deltar i processer i kroppen men där någon av atomerna är utbytt mot en radioaktiv atom av samma slag. Detta är t.ex. fallet med PET (Positron Emission Tomography) som kommit till stor användning vid studier av aktiviteten i hjärnan. Principen är här att en atom av den stabila isotopen 12C byts ut mot en atom av 11C i det aktuella ämnet. Vid sönderfallet av 11C bildas en positron, och eftersom den är elektronens antipartiklel kan den lätt förintas genom växelverkan med en elektron. Eftersom det finns många elektroner i positronens närhet kommer den snabbt att annihileras (förintas), varvid det bildas två energetiska gammakvanta (fotoner). Dessa fotoner går ut ur kroppen och kan detekteras. Genom att båda fotonerna detekteras kan man spåra varifrån de kom. Genom att mäta under en längre tid kan man också studera hur det intagna ämnet omsätts tidsmässigt.

Röntgenstrålning är varken tau- eller betastrålning men i och med att vi vet mer om hur atomer sönderfaller och hur de strålar så kan vi hitta få en större förståelse för helheten.

Kärnkraft

Från de delade kärnorna frigörs neutroner som i sin tur klyver andra atomkärnor. Klyvningen kallas fission och avger mycket energi, som omvandlas till värme. Vatten hettas upp och bildar ånga, som driver turbiner. På turbinens axel omvandlar en generator rörelsen till el. I Sverige finns tio kraftproducerande reaktorer tre stycken vardera i Forsmark och Oskarshamn och fyra stycken i Ringhals.

Kärnklyvning av Uran-235

Kedjereaktion vid kärnklyvning av Uran-235

Energikällan för kärnkraften här i Sverige är uran-235. Man utvinner energi ur uran genom kärnklyvning - fission. Med kärnklyvning menas att man splittrar atomkärnor genom att beskjuta dem med fria neutroner. För att en kärnklyvning skall kunna ske, måste det finnas tillgång till material som kan klyvas. I kärnkraft har man valt uran. Bilden till vänster visar en modell av kärnklyvning, av ämnet uran. När neutronen träffat atomkärnan, splittras atomkärnan i två ungefär lika stora delar. Härvid frigörs det även en mängd värmeenergi samt två eller tre nya neutroner. Det är sedan den frigjorda värmeenergin som tas till vara för att producera el. De nya neutronerna kan i sin tur klyva nya atomkärnor och man får ett fortsatt frigörande av energi, en så kallad kedjereaktion som kan ses till höger.

Slutsatser

Det är svårt att förstå vad Feynman menar när han säger att det finns ett samband emellan tauonen och betasönderfall då det inte finns någon tydlig koppling. Detta kan bero på att man hade en annan tro på hur det fungerade då som sedan visat sig vara felaktig, det kan även vara så att vid bokens författande så har man förkortat ett längre resonemang till ett kortare och på så sett tagit bort viktiga delar för att förstå hur Feynman tänker. Med en djupare kunskap och mer tid så är det säkerligen möjligt att hitta den koppling som Feynman såg men det är en uppgift för ett senare tillfälle.

Här blir det källkritik

Första källan

Den första källan som jag ska vara källkritisk emot är
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1995/index.html

På deras hemsida framgår det tydligt att det är den officella hemsidan för nobelpriset. Den har vad som verkar information om samtliga nobelpris som givits ut. Efter som att det är den officiella sidan om det gällande ämnet så kan man förutsätta att informationen som ges är korrekt. Även ett flertal andra källor som jag tittat på styrker den informationen som ges vilket tyder på att den är korrekt.

Andra källan

Den andra källan som jag ska vara källkritisk emot är
http://www.forskning.se/nyheterfakta/teman/karnkraft/tiofragorochsvar/hurfungerarettkarnkraftverk.5.432ffcf123f048005f80001208.html På forskning.se:s hemsida så står det att: "Forskning.se drivs och utvecklas av tolv myndigheter och stiftelser som finansierar forskning samt landets lärosäten. Varje finansiär utser en ledamot till årsstämman där även fyra representanter från landets lärosäten finns med. En styrgrupp, vald av årsstämman, ansvarar övergripande för forskning.se:s verksamhet och budget. Redaktionen är placerad på Vetenskapsrådet, som är förvaltande organ."

Det faktum att det är myndigheter och lärosäten som driver siten för att samla forskningsinformation så kan man snabbt dra slutsatsen att det är en trovärdig källa. Om man sedan kollar på självaste artikeln så är den skriven av en vetenskapsjournalist och sedan i efterhand är faktakontrollerad av en professor i tillämpad kärnfysik vid institutionen för fysik och astronomi så ökar det trovärdigheten drastiskt.

Tredje källan

Den sista källan som jag ska vara källkritisk emot är
http://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/start/Om-stralning/Joniserande-stralning/

Strålsäkerhetsmyndigheten lyder under regeringen och tillhör Miljödepartementets ansvarsområde. Strålsäkerhetsmyndigheten har ansvar inom områdena strålskydd och kärnsäkerhet. Myndigheten arbetar pådrivande och förebyggande för att skydda människor och miljö från oönskade effekter av strålning. Efter som att det är en myndighet som leds av regeringen så kan man anta att det ställs en del krav på t.ex. äktheten av den information som myndigheten ger ut. Det är även en stor myndighet med ca 300 anställda som är kunniga i ämnet, har en budget på ca 400 miljoner kronor vilket gör det mindre troligt att småfel skulle existera i informationen. Den är även till viss del skattefinansierad vilket ökar kraven ännu mer.

Referenser, källor

[1] http://buffman.net/ebooks/Richard_P_Feynman-Surely_Youre_Joking_Mr_Feynman_v5.pdf

[2] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1995/index.html

[3] http://www.forskning.se/nyheterfakta/teman/karnkraft/tiofragorochsvar/hurfungerarettkarnkraftverk.5.432ffcf123f048005f80001208.html

[4] http://www.stralsakerhetsmyndigheten.se/start/Om-stralning/Joniserande-stralning/

[5] http://www.linnaeus.uu.se/online/fysik/mikrokosmos/fymedicin.html

Författare

Av: Jakob Lindau (TE12A) --JakobLindau 26 maj 2014 kl. 18.05 (UTC)