Kõike tuumafüüsikast (1)

Tuumafüüsika.
1. Rutherfordi katse – I α-kiirgus sai väljuda plii kastist ainult ühes suunas sirgjooneliselt. Tekkisid sähvatused ekraanil .
II Kuldlehe korral üksikud oskesed levisid laiali, enamus läksid sirgjooneliselt läbi nagu poleks midagi juhtunud, üksikud põrkusid tagasi (mis oli kõige hämmastavam).
Järeldus: kujutas ette, et aatomi keskel on positiivne tuum, mille läbimõõt on võrreldes aatomiga 100 000 korda väiksem. Samal ajal on enamus aatomi massist tuumas. Elektronid tiirlevad ümber tuuma. Elektronide kogulaeng ja tuuma laeng on võrdsed.
Rutherfordi teooria puudused:
1. Ei selgitanud energia (nt. valgusenergia ) kiirgumist ja neeldumist (kui laetud osakesed liigucvad kiirendusega , siis peaks aatom koguaeg energiat kiirgama. Tegelikult kiirgab ainult siis, kui ta on energiat väljaspoolt ise juurde saanud. Neelab ja siis kiirgab):
2. Ei selgitanud seda, miks aatom on suhteliselt püsiv (energia kiirgamise tagajärjel peaks elekrtoni orbiidi raadius vähenema ja elektron langema tuuma).
2. Tuum on:
• kerataoline keha aatomi keskmes, mille ümber tiirlevad elektronid.
• Tema mõõtmed on umbes sada tuhat korda väiksemad kui aatomil. Tuuma on aga koondunud suurem osa aatomi massist. Tuuma suurust saab mõõta.
• Tuuma koostisosad on prootonid (p) ja neutronid (n). Prootonite arv tuumas tähistatakse Z ja võrdub järjekorra numbriga Mendeljevi tabelis. Neutronite arv tuumas on N.
A=Z+N (A- massiarv )
3. Isotoobid – ühe ja sama keemilise elemendi erineva massiarvuga aatomid (prootonid peab olema ühepalju, aga neutronite arv erinev).
4. Tuuma hoiavad koos tuumajõud. Need on eriliik jõudusi, mis on prootonite ja neutronite sees mõjuvad jõud. Tuumaosakeste vahel on tugev vastastikmõju. Tuumajõudude iseärasus on see, et need on kõige tugevamad looduses olevad jõud. Mõjub ainult tuumas.
5. Radioaktiivsus :
• kiirgus, mis väljub mõningate aatomi tuumadest iseeneslikult ilma välismõjuta.
• looduslikult radioaktiivseteks loetakse neid keemilisi elemente, mille kõik isotoobid on radioaktiivsed (al plutoonimuist, jrk. Nr. 84, kuni uraanini, jrk. Nr. 92)
• Radioaktiivne kiirgus jaguneb kolmeks –
1. alfa – α-osake on võrdne heeliumi aatomituumaga (mille massiarv on 4).
2. beeta – β-kiirgus on elektron, mille laeng on negatiivne.
3. gamma – γ-kiirgus kujutab endast elektromagnetilaineid.
•Nad erinevad –
• keskkonna läbimisvõime poolest (väikesimaga on α-kiirgus, suurimaiga gamma).
• kõrvalkalde erinevus sirgjoonelisest teest elektriväljas ja magnetväljas.
NB! α-kiirgus on rasikeim
6. Nihke reegel
• α-lagunemisel A/Z X-> A-4/Z-2 Y+ 4/2He Tuuma muundumisel tekib teine element.
• β-lagunemisel A/Z X-> A/Z+1 Y + -1e
Neutroni asemele jääb tuuma prooton. Massiarv ei muutu, laeng suureneb.
7. Poolestusaeg – ajavahemik, mille jooksul pooled antud ainekoguse aatmi tuumad lagunevad. Seega radioaktiivse aine aktiivsus väheneb selle ajaga 2 korda (aktiivsus – lagunemiste arv sekundis).
Nº -aine alghulk ajahetkel t=0 Kui t=T, siis N=Nº/2
N- on ainehulk hetkel t Kui t=2T, siis N=Nº/2²
T- poolestusaeg Kui t=3T, siis N=Nº/2³
Kui t=4T, siis N=Nº/2ⁿ
N=Nº2 astmes (–t/T) Alles jäänud osakeste arvu mingi aja möödudes-> Radioaktiivse lagunemise seadus.
8. Seosenergia – energia, mis on vaja tuuma lõhustamiseks koostisosadeks. Sama suur energia ka eraldub kui osakestest tekib uus tuum.
E=∆Mc²
∆M-massi defekt Zmp + Nmn > Mt
mp- ühe prootoni mass ∆M = Zmp + Nmn - Mt
mn- ühe neutroni mass
Mt- tuuma mass 1J – 1u = 1,66* 10astmes -27 kg
Z- prootonite arv tuumas 1u = 931 MeV
N- neutronite arv tuumas
• Eriseosenergia – on ühe nukleoni kohta tulev seosenergia.
9. Tuumareaktsioonid :
• on tuumade muundumised, mis toimuvad vastastikmõju tulemusenad teiste tuumadega või (elementaar-) osakestega.
• selle võrrandite kirjutamisel arvestame, et reaktsioonil kehtib massiarvu jäävus ja tuumalaengu jäävus ( summaarne massiarv ei muutu)
• Reaktsioonide käigus võib energia nii eralduda kui ka neelduda. Kui mass läheb väiksemaks siis energia eraldub. Kui suuremaks , siis energiat neeldus.
10. Raskete tuumade lõhustumine (joonis lk 29) :
• raske tuuma lõhustumine toimub neutroni toimel. Neutron tungib tuuma (neutron sellepärast, et tal puudub laeng)
• erldub energia, tekib 2 kildtuuma, kaasneb γ-kiirgus, 2-3 neutronit jääb vabaks.
• Kildtuumad on Mendeljevi tabeli keskosas olevate elementide tuumad. Enamasti on radioaktiivsed, sest neil on neutronite üleküllus.
• eriliik: Mõne isotoobi tuum lõhustub iga kord, kui kohtub neutroniga, st. Ta ei vaja selleks neutroniga kaasa toodud lisaenergiat. Sel juhul võivad ka lõhustamisel tekkinud neutronid uusi lõhustumisi esile kutsuda. Sellist nähtust kus reaktsioon põhjustab sellesama reaktsiooni jätkumist naabetaatomitel, nim ahelreaktsiooniks. Juhitav ahelrreaktsioon toimib tuumareaktroris.
11. Kergete tuumade liitumine ( termotuumareaktsioon , vt lisaks lk 30 tuumareaktor ):
• toimub väga kõrgel temperatuuril (kuni 10 miljonit Cº)
• kõigil tähtedel energiaallikas
• päikese tsentris 15 miljonit Cº, aine on seal plasmana- st. Aine on ioniseeritud kujul (H ei koosne enam aatomitest vaid prootonitest ja elektronidest).
12. Radioaktiivsete isotoopide kasutamine:
• tuumaenergeetika ( tuumareaktorid , laevad, kosmoseaparaadid)
• sõda
• meditsiin (vähkkasvajate raviks -> kiiritusravi , haiguste diagnoosimisel)
• teadus
• tehnika ( aitab avastada defekte metalldetailides -> γ-kiirgus)
• arheloogia (määratakse radioaktiivse süsiniku abil vanust)
• märgitud aatomid (lisatakse mingile ainele ja vaadatakse ravimi imendumist)
• bioloogia
• põllumajandus
• suitsuandur (ameriitsium)
13. Kiirgusel on ioniseeriv mõju –
• aatomist lüüakse elektron välja, tekivad uued sidemed -> muutub keemiline side, muudab rakku -> võib hakata edasi arenema vähk
• võib muuta geneetilist koodi -> väärarengu põhjustamine järglastel.
Kiiritushaigus -> nahkpõletus, verevähk, surm
Kõik oleneb neeldumisdoosist. Meil on koguaeg olemas radioaktiivne taustkiirgus -> kehas kaalium ja süsinik, kosmiline kiirgus ja Maa radioaktiivsus (nt Põhja-Eesti põlevkivist radoon ).