Aatomfüüsika põhitõed (1)

Aatom koosneb elektronkattest ja tuumast. Keskmine aatomi läbimõõt on 10-10m=1Å. Keskmine tuuma läbimõõt on 10-15m=1f( ferm ). Kogu aatomimass on koondunud tuuma 99,95%. laengust st tuumajõud mõjuvad ühe tugevalt kõigile nukleonidele. Tuumajõud on tunduvalt tugevamad kui elektrilaengute vahelised. Jõudude ulatus e raadius on väga väike. Kaugemal, kui 5 fermi tuumajõud kaovad. Lähemal kui pool fermi muutuvad tõmbejõud tõukejõuks. Tuumajõud ei olene osakese elektri laengust, st tuumajõud mõjuvad ühe tugevalt kõigile nukleonidele. Tuum koosneb positiivselt laetud prootonitest ja laenguta neutronitest . Tuuma koostisosi nim nukleonideks. Laengu arv Z näitab prootonite arvu tuuma samas ka prootonite arvu ja ka elektronide arvu, tuumalaengut. Massiarv näitab tuuma massi ja prootonite ja neutronite arvu A=Z+N. Radioaktiivsuseks nim tuuma võimet kiirata.

• α- lagunemine tekib, kui tuum on väga suur ja tuumajõud ei jõua seda koos hoida. Tuumast eralduvad 42He- α osakesed. On kõige väiksema läbimisvõimega kiirgus. α-osake liigub magnetväljas lõunapooluse suunas.
  

• β-lagunemine: et täita tühja kohta prootonite energia tasemes, muutub neutron prootoniks , lisaks eraldub elektron ja neutraalne osake antineutriino. Tekkinud elektron lahkub tuumast. Läbimisvõimelt keskmine nt ei läbi puitu. Magnetväljas liigub põhjapooluse poole. N=p++e-+antineutriino.
  

• γ-lagunemine tekib, kui tuuma madalamad energia tasemed pole lõpuni täidetud s.t tuum on ergastusseisundis. Ergastatud tuumas hakkavad vastavalt prootonid või neutronid täitma vabu kohti ja selle käigus vabaneb energia kvant , mida nim gamma kiirguseks. γ-kiirgus on suurima läbimisvõimega. Magnetväli seda ei mõjuta. Tekib α- ja β-kiirguse tagajärjel või tuuma põrkumisel mõne teise osakesega.
  

Kriitiline mass on aine kogus, mille ületamisel toimub tuumade lõhustumine koguaines praktiliselt momentaalselt. 235U- 50kg kui aga kasutada neutroneid peegeldavaid katteid siis piisab 250g. Tuumalõhustumine ehk tuumafissioon on tuumareaktsioon, mille puhul suur aatomituum laguneb väiksemateks aatomituumadeks. Tavaliselt toimub tuumalõhustumine alati välise mõjutuse tulemusena – näiteks vaba neutroni neeldumise tagajärjel. Tuumalõhustumise tagajärjel tekkivad uued tuumad on lõhustuvast tuumast palju väiksemad. Lisaks tekib tuumalõhustumisel ka paar-kolm vaba neutronit ja eraldub gammakiirgust. Termotuumareaktsioon on tuumareaktsioon, kus kergemate aatomituumade tuumaühinemise tulemusel kõrge temperatuuri(10 miljonit kraadi) ja rõhu juures tekivad raskemad aatomid . Poolestusaeg on aeg, mille jooksul pooled vastava isotoobi tuumadest on lagunenud. Tuumareaktor on seade, kus rakendatakse tuumade lõhustumise ahelreaktsiooni energia tootmiseks. Neutronite paljunemistegur võrdub ühega s.t reaktsiooni kiirust hoitakse konstantsena. Kütuseks kasutatakse 235U . Ahelreaktsiooni aeglustamiseks kasutatakse grafiiti või teuteeriumi. Et reaktsiooni reguleerida viiakse reaktorisse kaadiumist juhtvardad, mille liigutamisega saab peatada või alustada reaktsiooni.
Tuumapommis paikneb lõhustuv aine kahes osas. Pommi lõhkamiseks surutakse kaks poolkerakujulist ainekogust tavalise lõhkeaine plahvatuse abil kokku suuremaks kehaks, mille mass on ülekriitiline. Ülekriitilises ainekoguses neeldub niipalju neutroneid, et nende hulk kasvab järjest ning areneb ahelreaktsioon. Kuna loodusliku radioaktiivsuse tõttu leidub aines alati mõni vaba neutron siis toimub plahvatus praktiliselt momentaalselt. Vesinikpommi südamikuks on tavaline tuumapomm, selle lõhustumisel tekiv ülikõrge temp käivitabbki termotuumaprotsessi. Kütuseks kasut tänapäeval LiD( liitium -deuteerium). Tuumatehnoloogia probleemid: Avarii korral põhjustab kiirgus saaste ja plahvatuse, väga kahjulik tervisele, tehnoloogia on küllaltki kallis, jäätmeid pole kuhugile ladustatada, rikastatud tuumakütuse tegemine kulukas ja vajab toorainet mida igal pool ei leidu. Esimesed kiiritushaiguse tunnused ilmnevad doosil0,5-1 Sv. Need on päikesepõletust meenutavad naha kahjustused 2-10 Sv juures areneb silma katarakt (läätse hägustumine), tekivad vereloomehäired, väheneb vere valgeliblede ja punaliblede arv. Doosi 4Sv juhul on pooled surmajuhtumid ja 6Sv korral on surm kindel. Pikema ajajooksul saadud kiiritus tekitab vähki ja muudab geneetilist koodi. Tuumatehnoloogiad kasutatakse energia tootmiseks elektrijaamades, laevadel, alveelaevadel ja kosmoseaparaatides. Samuti kasutatakse tuumareaktorite abil toodetud keemiliste elementide radioaktiivseid isotoope nii tehnikas, tootmises, meditsiinis kui ka teaduses . Tööstuses valgustatakse tooteid läbi γ-kiirtega, et avastada defekte üsna paksudes metalltoodetes. Kasutatakse kiiritus raviks ja diagnoosimis töös. Arheoloogid rakendavad orgaanilise päritoluga leidude vanuse määramiseks radioaktiivse süsiniku meetodit. Võrreldes süsiniku poolestus aja suhet saabki teada, kui vana organism on. Kiirgusühikud on 1Sv(siivert) 1Gy(grei) ja 1R(röntgen). Inimesele lubatud ülempiir on 5mSv aastas. Kvargid on tugeva vastastikmõju osakesed leptonid mitte. Kõik alluvad nõrgale vastastikmõjule. Leptonid esinevad ka iseseisvalt, s.t vabade osakestena, kvargid eksisteerivad kolmekaupa. Prootonid ja neutronid koosnevad kvarkidest. Antiosake on fundamentaalosakese vastand osake. Nende laengud on vastasmärgilised. Annihhileerumiseks nim osakese kohtumist om anti osakesega, s.o. kaovad nii, et kogu nende mass muutub puhtaks energiaks-footoniteks. Värv on tugev laeng. Virtuaalosake on osake, mis suudab jäävaid füüsikalisi suurusi kahe ruumi punkti vahel nii üle kanda, et ta ise pole jäävuse seadusega seotud. Virtuaalosakest ei saa püüda. Virtuaalsete footonite poolt tekitatud elektriline tõmbumine on see, mis hoiab elektronid aatomis, aatomid molekulis kui ka molekulid kehades. Üheks virtuaalosakeseks on gluuonid . Neid on kaheksa erinevat tüüpi, neist ühelgil pole seisumassi ega elektrilaengut, kuid neil on tugev laeng ehka nad on värvilised. Kiirendites kiirendatakse elektriliselt laetud osakesi: elektrone, prootoneid, aga ka raskeid ioone tuuma arvuga 2st 238ni. Kiirendite ajalugu ulatub aastasse 1928 ning nende kasutamisvaldkond ei ole mitte ainult fundamentaalsed uuringud, vaid ka mitmed teised kõrgtehnoloogia valdkonnad (bioloogia ja meditsiin , materjaliteadus, keskkond, ...). kiirendite ülesandeks on põrgutada osakesi. Massidefekt tähendab seda, et iga tuuma seisumass on alati väiksem, kui teda moodustavate prootonite ja neutronite seisumasside summa. E=Δmc2. Osakeste detektor on hiiglaslik ehitus, mis koosneb kümnetest eri tüüpi detektoritest. Detektorid võimaldavad osakeste trajektoore näha, pildistada ja mõõta. Ionisatsioonikamber registreerib osakeste läbilennu. Tiivkamber annab trajektoori punktidest kaks koordinaati. Detektorid on paigutatud tugevasse magnetvälja, et osakese trajektoor kõverduks. Infot saame osakese laengu, massi ja impulsi kohta. Osakesi saab „näha“ sähvatuste meetodi, Geiger-Mülleri loenduri, Wilsoni kambri, emulsiooni meetodi, mullikambri abil.