Füüsika – Tuumafüüsika (7)

Ande Andekas-Lammutaja
Füüsika – Tuumafüüsika
Tuum on kerataoline keha aatomi keskmes, mille ümber tiirlevad elektronid, tema läbimõõt on suurusjärgus 10-15 m. Tuuma on koondunud enamus aatomi massist, tema tihedus on 1018. Tuuma tähtsaim koostisosa on positiivse laenguga prooton , mille arv tuumas määrab keemilise elemendi. Aatomnumber e. laenguarv e. laeng z näitab tuuma laengut e. prootonite arvu. Neutron on elektriliselt neutraalne osake, mis vastavalt suurendab tuuma massi. Tuuma massiarvuks A nimetatakse prootonite ja neutronite koguarvu. Isotoopideks nimetatakse ühe elemendi erineva massiarvuga tuumi. Tuumajõud e. tugev jõud e. tugev vastastikmõju mõjub prootonite ja neutronite vahel ühtviisi tõmbavalt. Väikestel kaugustel on tuumajõud palju tugevam, kui elektrostaatiline jõud prootonite vahel, kuid kaugemal kahaneb ta väga kiiresti olematuks. Tuumajõud hoiab tuumi koos. Iga osake, sõltumata tuuma suurusest , võtab enda alla ruumala, mis vastab umbes kerale raadiusega 1,3 * 10-15 m. Osake saab omandada vaid teatud energia väärtusi (lubatavad energiatasemed ). Ühel energiatasemel saab olla vaid piiratud arv osakesi. Prootonite ja neutronite energiatasemed on tuumas üksteisest sõltumatud, kuid üsna sarnased. Seoseenergiaks nimetatakse energiat, mida oleks vaja osakesele anda, et teda täielikult tuumast vabastada. Elementidel 1 – 82 on stabiilsed tuumad . Kõik elemendid alates bismutist (Bi; 82) on ebastabiilsed e. radioaktiivsed. Tuuma suurus võib varieeruda sõltuvalt neutronite arvust tuumas. Mida suurem on prootonite ja neutronite arvu erinevus tuumas, seda ebastabiilsem on tuum. Tuumade iseeneslik lagunemine on looduslik radioaktiivsus . Kõikidel ainetel esineb radioaktiivseid isotoope, millel on tavaliselt lühike poolestusaeg . Poolestusaeg on aeg, mille jooksul vaadeldavate radioaktiivsete tuumade arv väheneb pooleni esialgsest. β-kiirgus on kiirete elektronide (prootonite) voog. Neutronite lagunemisel vabanevad tuumast elektronid (neutron → positron , elektron ja neutriino ). Elektromagnetväljas on β-kiirgus kardetav, üldiselt kaitseb meid selle eest riietus. Kui β-kiirgus satub inimese organismi, tekib nahapõletik, villid. Silma sattudes tekib mädane silma limaskestade põletik, laud kleepuvad kokku ning ravimata jätmisel jookseb silm välja. α-kiirgus koosneb α- osakestest e. heeliumi aatomi tuumadest, mis sisaldavad kahte prootonit ja kahte neutronit. Nad on suure massi ja kahekordse laenguga, ei liigu väga kiiresti ega suuda isegi paberilehte läbida. Positiivse laenguga, kallutatav elektromagnetväljas. Nahale sattumisel tekib päevitus. γ-kiirgus on elektromagnetlaine voog, mis levib valguskiirusel. Koosneb elektromagnetvälja kvantidest, millel on väga suur energia. On väga suure läbitungimisvõimega, kiirguse eest kaitseb spetsiaalne varjend (50 cm paksune betoonsein, 10 cm paksune pliikiht). Radioaktiivsuseks nimetatakse mingit liiki osakeste iseeneslikku kiirgumist tuumadest. Mingit liiki radioaktiivsete tuumade arv muutub ajas radioaktiivse lagunemise seaduse kohaselt. Elusorganismis neelduv radioaktiivne kiirgus põhjustab tuumareaktsioone aatomites , millest koosnevad rakkude biomolekulid . Nende reaktsioonide käigus muunduvad normaalsed aatomid antud molekulile sobimatu aine aatomiteks. α-kiirguse osakestel on elektrilaeng ja suhteliselt suur mass, nende vastastikmõju on tavaliste ainetega väga tugev. Kehavälisest allikast lähtuv α-kiirgus pole inimesele kuigi ohtlik. Kui α-aktiivsed tuumad paiknevad inimeses endas, on kiirgusest tingitud kahjustused suured. β-kiirguse osakesed mõjutavad oma suhteliselt väikese massi tõttu tavalise aine osakesi vähem kui α-osakesed. Kuna γ-kiirguse osakesed on elektriliselt neutraalsed, ilma seisumassita ja suhteliselt suure energiaga, on nende vastastikmõju tavalise aine aatomitesse kuuluvate osakestega nõrk. γ-kiirguse korral pole enam suurt vahet, kas radioaktiivsed tuumad paiknevad inimkehas või selle vahetus läheduses. Prootonkiirgus väljub reeglina vaid teatud kindlat kütuseliiki kasutavast tuumareaktorist. Neutronkiirgus tekib peaaegu igasugusel raskete tuumade lõhustumisel. Oma läbitungimisvõime poolest paiknevad prooton- ja neutronkiirgus α- ja β-kiirguse vahel. Looduslikus uraanis on kaks isotoopi. Chadwicki eksperiment, milles berülliumi ja heeliumi tuumade põrkel tekkis süsiniku tuum, on üks näide tuumareaktsioonidest. 235U lõhustub kiirete neutronite toimel ja tekib ahelreaktsioon. Juhutavad tuumareaktsioonid toimuvad sel juhul, kui paljunemistegur (järgneva põlvkonna neutronite arv jagatud eelneva põlvkonna neutronite arvuga) võrdub ühega. Kui paljunemistegur on suurem kui 1, toimub tuumapommi plahvatus . Kui paljunemistegur on väiksem kui 1, jääb reaktor seisma. Tuumapommis paikneb lõhustuv aine kahes osas, mis mõlemad on parajasti nii väikesed, et juhuslikul tuuma lõhustumisel tekkinud neutronid valdavalt väljuvad ainest uusi tuumi tekitamata. Kriitilise massi puhul kasutatakse igast lõhustumisest tekkinud neutroneist ära keskmiselt üks uue lõhustumise tekitamiseks ja reaktsioon kulgeb muutumatu kiirusega. Pommi lõhkamiseks surutakse kaks poolkerakujulist ainekogust tavalise lõhkeaine plahvatuse abil kokku suuremaks kehaks, mille mass on ülekriitiline. Areneb ahelreaktsioon. Tuumkütuseks tuumapommi tarvis kõlbab isotoop 235U. Tuumareaktor on seade, kus toimib juhitav tuumareaktsioon . Tuumareaktoreid kasutatakse energia tootmiseks (nii elektri- kui soojusenergia ), erinevate radioaktiivsete ainete tootmiseks (paljundusreaktorid), uurimisotstarbeks. Reaktori põhiosad on kiirguskaitse e. varje (betoon + plii), peegeldi (peegeldab tagasi kiirgust ja neutroneid; Al + Be), aeglusti (grafiit või deuteeriumiga rikastatud vesi), tuumkütus ( plutoonium ), juhtvardad ( neelavad neutroneid; gaadmiumist), soojusvaheti. Sünteesimine on ühest ainest teise tegemine. Energia saab vabaneda mitte ainult suurte tuumade lõhustumisel keskmisteks vaid ka kergete tuumade ühinemisel keskmisteks. Deuteerium on raske vesinik 12H, mille tuum koosneb ühest prootonist ja ühest neutronist. Termotuumareaktsiooniks on vaja kõrget, 100 milj. kraadist temperatuuri. Täht on taevakeha, milles toimuvad termotuumareaktsioonid . Kõik tähed kiirgavad soojust ning valgust. Tähe pinnatemperatuur on ainult 6000 kraadi ja sisemuses miljoneid kraade. Sisemuses toimub vesiniku põlemine heeliumiks. Mida rohkem on tähe koostises vesinikku, seda noorema ja kuumema tähega on tegemist. Mida punasem on täht, seda madalam on temperatuur, mida sinisem, seda kuumem. Päike on kollane kääbustäht. Kui pool vesinikust muutub heeliumiks, siis päike muutub punaseks ja paisub , haarates endale ruumala kuni Jupiterini. Päikese eluaeg on 11 miljardit aastat, pool on elatud. Kui Päike on muutunud Punaseks Hiiuks , hakkab järgnevalt toimuma tema kokkutõmbumine planeedi suuruseks. Järgnevalt tekib Pruun Kääbus. Termotuumapomm koosneb aatom - ja vesinikpommist. Vesinikpommi südamikus on tavaline lõhustumistuumapomm. Selle lõhkamisel tekib ülikõrge temperatuur, mis käivitab termotuumareaktsiooni. Termotuumakütust (LiD) saab paigutada pommi kuitahes palju, suurendades niiviisi pommi võimsust. Kergete tuumade liitumisreaktsioon on termotuumareaktsioon . Selle tekitamiseks on vaja ületada jõud nende osakeste vahel, mis toimub temperatuuril 108°C.
A – aatommass (prootonite ja neutronite summa)
Z – järjekorra number (prootonite arv tuumas, elektronide arv elektronkihis)
N0 – Radioaktiivsete tuumade hulk alghetkel
N – Tuumade hulk hetkel t
t – aeg
T – poolestusaeg