Referaat... (1)

Aatomi tuum
Aatomi tuum on mõõtmetelt suurusjärgus 1013 cm.
Tuum on väga suure tihedusega.
Oma olemuselt on tuum liitosake.
Tuuma põhiline koostisosake on prooton (1913)
Lisaks prootonitele on tuumas veel neutronid. (1932)
nukleonid (lad k nucleus ­ tuum) ­ prootonid ja
neutronid
Tuuma laeng ja mass
Prootoni laeng on positiivne ja võrdne
elektroni laenguga
Neutronil laengut ei ole
Prootonite arv ­ tuuma laeng. Võrdne
järjenumbriga perioodilisuse tabelis.
Tähistatakse täisarvuga Z
Prootoni mass ­ 1836,1 elektroni massi ­
1,6726 · 1027 kg
Neutroni mass ­ 1838,7 elektroni massi
1,6749 · 1027 kg
Tuuma massiarv
Prootonite ja neutronite koguarv on tuuma
massiarv A (nukleonide koguarv)
A A
A = Z + N Z XN Z X
Ühel keemilisel elemendil võib olla erineva
massiarvuga tuumi. Neid nimetatakse isotoopideks
Isotoobid
Tuumi, mis sisaldavad sama arvu prootoneid, kuid
erineva arvu neutroneid, nimetatakse isotoopideks.
1
1
H 2
1
H 3
1
H 16
8
O 17
8
O 18
8
O
Looduses esineval 92 elemendil on praegusel ajal
teada kokku üle 300 stabiilse isotoobi.
Väiksema aatominumbriga elementide stabiilsetes isotoopides on
neutronite ja prootonite arv ligikaudu võrdne
Raskemate elementide (Z > 30) stabiilsetes isotoopides muutub
aga neutronite arv võrreldes prootonitega üha suuremaks, näiteks
uraani isotoopis on 92 prootoni kõrval 146 neutronit.
Isotoopide esinemissagedus ei ole ühesugune, enamasti
domineerib üks või kaks isotoopi.
Radioaktiivsus (kr k radius ­ kiir)
1896 Antoine Henri Becquerel
Marie ja Pierre Curie
Uraan, raadium, poloonium
Tuumade iseeneselik kiirgus
Radioaktiivsus
Radioaktiivsus on tuumade võime iseenesest
kiirata.
Radioaktiivset kiirgust on kolme liiki (liigitati
läbitungimisvõime järgi)
kiirgus ­ läbib vaevalt paberilehe
kiirgus ­ võib läbi tungida kuni 3 mm
alumiiniumilehest
kiirgus ­ läbib mitme sentimeetrise
pliiplaadi
kiirgus ­ Heeliumi tuumade voog
kiirgus ­ elektronide voog
kiirgus ­ suure sagedusega
elektromagnetlained
Nende kiirguste tekkemehhanismi seletatakse
tuumafüüsikas mittestabiilsete aatomituumade
spontaanse muundumisega
kiirgus
"Liiga suurte" tuumade iseeneslik lagunemine.
Toimub osakeste eraldumise kaudu
osake ­ heeliumi aatomi tuum 2 He 4
lagunemisel väheneb tuuma massiarv 4 võrra ja laeng
2 võrra(tekib uus keemiline element)
238
92 U 234
90 Th + He 4
2
A
Z X A -4
Z- 2 Y + He 4
2
kiirgus
Tekib samuti uue keemilise elemendi tuum. Näiteks süsiniku
tuum muutub beeta lagunemisel lämmastiku tuumaks.
14
6 C 147 N + e - +
nukleonide koguarv jääb samaks, prootonite arv suureneb
ühe võrra, massiarv jääb muutumatuks, laeng suureneb ühe
võrra (tekib uus element)
neutron muutub prootoniks, tekib elektron ja veel üks väike
osake ­ neutriino (väike neutron) ­ neutraalne, peaaegu
massita, valguse kiirusega leviv osake, mida on äärmiselt
raske avastada
Ilma neutriinota oleks rikutud energia jäävuse seadus
Nihkereegel
lagunemisel kaotab tuum laengu 2e ja tema
mass väheneb nelja aatommassiühiku võrra. Selle
tulemusena nihkub element perioodilisuse tabelis
kahe koha võrra ettepoole.
lagunemisel suureneb tuuma laeng ühe võrra ja
element nihkub perioodilisuse tabelis ühe koha
võrra tahapoole.
kiirgus
Seletatav tuuma üleminekuga ergastatud olekust põhiolekusse
Tuuma ergastatud olek võib tekkida tuumareaktsioonide käigus, kus
lõpptulemusena moodustub mitte põhiolekus, vaid ergastatud tuum,
mis siirdudes põhiolekusse kiirgab sealjuures energiakvandi (- kvandi)
12
Näiteks boori isotoobi 5 B beeta lagunemisel võib tekkida isotoop 12
6 C
12
kuid võib tekkida ka isotoop
6 C* ergastatud olekus (tähistame tärniga)
üleminekul põhiolekusse kiirgab tuum - kvandi Neid kiiri nimetatakse
- kiirguseks, energiaga E = h , kus h on Plancki konstant ja
kiiratava laine sagedus.
Väga suure energiaga ja seetõttu suure läbivusega. Kinnipidamiseks
vaja 0,5m betoonseina või 10cm paksust pliid. Inimesele väga ohtlik.
Poolestusaeg
· Radioaktiivsed tuumad ei lagune kõik üheaegselt,
vaid järkjärgult
·See on juhuslik protsess, täpselt ennustada, millal
konkreetne tuum laguneb, ei ole võimalik
· Lagunemise iseloomustamiseks kasutatakse suurust,
mida nimetatakse poolestusajaks.
Poolestusaeg on ajavahemik, mille jooksul
radioaktiivsel lagunemisel aine hulk väheneb
kahekordselt.
Poolestusaeg (mõned näited)
3
1 H 12,3 a
14
6 C 5730 a
226
88 Ra 1622 a
235
92 U 8,9*108 a
238
92 U 4,5*109 a
234
90 Th 24,1 päeva
Tuumakiirguse bioloogiline toime
Laetud osakesed ioniseerivad aatomeid
Tekivad keemiliselt aktiivsed ioonid, mis muudavad
raku normaalset toimet
Kui hävib kriitiline hulk valgu molekule, rakk sureb
DNA molekuli kahjustumine on tõsisem, kuna rakus
võib olla ainult üks selline molekul
Kriitilise hulga rakkude surm toob kaasa
taastumisvõimetuse
Võib juhtuda ka , et rakk jääb ellu, kuid muutub
defektseks. Paljunemisel tekitab ta sel juhul tavaliselt
samasuguseid defektseid rakke. Vähk!
Tuumakiirguse bioloogiline toime
Somaatilised kahjustused ­ tagajärjeks
vähktõbi, kiiritushaigus
Geneetilised kahjustused ­ tagajärjed
avalduvad järglastes
Tuumakiirguse bioloogiline toime
Mõju ainele iseloomustab neeldunud
doos
Ühik 1 grei (Gy), vastab kiirguse
hulgale, mil keha massi 1 kg kohta on
neeldunud energiat 1 J
1Gy=1J/kg
Kiirguse suhteline bioloogiline
efektiivsus (SBE)
Kiirguse suhteline bioloogiline
efektiivsus (SBE) on arv, mis näitab,
mitu korda antud kiirguse neeldunud
doos on väiksem sama suure
bioloogilise kahjustuse põhjustanud
kiirguse doosist.
Efektiivne doos
Efektiivne doos (Sv)=neeldunud doos(Gy) x
SBE
Ühik siivert (Sv)
Võrdne efektiivne doos ükskõik millist kiirgust
tekitab samasuguse bioloogilise kahjustuse
Näiteks 5 siiverti suurune alfakiirguse doosi
mõju on sama kui 5 Sv suuruse
gammakiirguse doosi puhul. Samas 5 Sv
gammakiirgusele vastab neeldunud doos
5Gy, ja 5 Sv alfakiirgusele vaid 0,25 Gy
(alfakiirguse SBE=20)
Looduslik kiirgusfoon
Kosmiline kiirgus
Pinnase loomulik radioaktiivsus
Radioaktiivsed isotoobid toidus
...
Keskmine looduslik foon 3mSv aastas
10 siivertist suurem lühiajaline doos on
surmav, 5 siivertit 50% 12 kuu jooksul
Dosimeeter ­ doosi mõõtja
Radoon ei ole pseudoprobleem, vaid
väga raskeid terviseprobleeme tekitav
looduslik radioaktiivne gaas. Radoon
tekib maapinnas loodusliku uraani
lagunemisel ning tungib hoonetesse
peamiselt vundamendipragude kaudu.
Igal aastal haigestub radooni tõttu
kopsuvähki Eestis umbes sada inimest.
Massidefekt
Tuuma mass on alati teda moodustavate
prootonite ja neutronite masside summast
väiksem.
Mt Masside vahet M = Zmp + Nmn ­ Mt
nimetatakse massidefektiks. Massidefekti põhjus
massidefektiks.
on suure hulga energia kiirgamine tuuma
moodustumisel. E = M c2 on tuuma
seosenergia.
Tuumajõud
Tuum ei ole kõva keha mille sees on
neutronid ja prootonid.
Tuuma hoiavad koos tuumajõud.
Tuumajõud on üks neljast vastastikmõju liigist
looduses ­ tugev vastastikmõju
Tuumajõud on tõmbejõud
Nad on palju suuremad kui prootonite vahel
mõjuvad elektrostaatilised tõukejõud.
Tuuma ehitus.
Osakesed paiknevad tuumas teatud kindlatel
energiatasemetel.
Ühel tasemel saab olla vaid kindel arv osakesi
Prootonite ja neutronite energiatasemed on
üksteisest sõltumatud.
Energiat mida on osakesele vaja selleks, et ta
tuumast vabastada, nimetatakse
seoseenergiaks.
Seoseenergiat mõõdetakse elektronvoltides
Tuuma stabiilsuse tingimused
Põhireegel ­ stabiilse tuuma energia on
omataoliste seas minimaalne.
Püsiva tuuma suurus on piiratud. Kõik
tuumad, mille A>210, ei ole stabiilsed
Prootonite ja neutronite energiatasemed
peavad olema täidetud alates madalamast.
Prootonite ja neutronite energiatasemed
peavad olema täidetud võrdses ulatuses.
Tuumareaktsioon
Keemilisel reaktsioonil tekivad uued ained. Na
+ Cl NaCl
Tuumareaktsioonil tekivad uued keemilised elemendid
7 N 14+ 2He4 8O17 + 1H1
1919 Rutherford
Parim vahend tuumareaktsiooni tekitamiseks on
neutron, kuna neutronil puudub laeng ja seetõttu liitub
ta tuumaga kergesti.
Ahelreaktsioon
Tekib tuuma lõhustumisel, kuna tuuma
lõhustumise käigus vabaneb 23 neutronit
TUUM
neutron
Kui neutronite paljunemistegur
neu
n
KILD k1,
o
KILD
t
ron
utr
toimub plahvatus. k=1, on
ne
reaktsioon juhitav
Ahelreaktsioonil vabaneb suur hulk
TUUM
TUUM energiat
200 MeV iga
tuuma kohta
Uraani ahelreaktsioon
Uraani on looduses kaks isotoopi ­ uraan 235 ja
uraan238,kusjuures uraan 235 on sellest ca 0,7%
Uraan 235 tuumad lõhustuvad nii aeglaste
(soojusliikumise kiirusega) kui kiirete neutronite
mõjul, uraan 235 on hea tuumakütus
Uraan 238 lõhustub ainult kiirete(E>1MeV) neutronite
mõjul. Selliseid neutrone on 60%, ca iga viies
nendest põhjustab uraan 238 tuuma lõhustumise.
Ahelreaktsiooni ei teki.(0,6·0,2 = 0,12 ­ seega
lõhustub ainult väike osa)
Tuumapomm
Ahelreaktsiooni tekkimiseks on vajalik teatud
kriitiline mass ainet.
kriitiline mass
Kui aine mass on kriitilise massiga võrdne, siis k=1
ja reaktsioon toimub muutumatu kiirusega.
Kui aine mass ületab kriitilise massi, siis k>1 ja
toimub plahvatus. Seda kasutatakse
tuumapommides.
Pommid on uraanipommid või plutooniumipommid.
Plutooniumi toodetake spetsiaalsetes reaktorites.
Looduslikku uraani tuleb rikastada(suurendada uraan
235 osakaalu).
Tuumareaktor
Aeglane neutron
235
U
Kiired neutronid
Kild Kild
Aeglusti
+n
239
U 238
U
235
U
239
Pu Kild Kild
239
Np
Kiired neutronid
Aeglusti
Termotuumareaktsioonid
Termotuumareaktsioon on väga kõrgel temperatuuril
toimuv kergete tuumade liitumine (sünteesireaktsioon)
1
H2 + 1H3 = 2He4 + 0n1
Kuna reaktsioon toimub väga kõrgel temperatuuril, on
tehniliselt raske saavutada juhitavat reaktsiooni.
Esialgu kasutatakse vaid termotuumapommides
Tuumafüüsika rakendused
Tuumarelvad
Elektrienergia tootmine
Allveelaevad, jäälõhkujad
Radioaktiivsete isotoopide meetod
Laserid
Ergastatud aatomite energiat kasutatakse valguse
kvantgeneraatorites ­ laserites
Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation
Lasergrammofon, laserkassaator, laserprinter,
laserviip, hologrammid.
Lasertööriistad(puurid,saed, freesid, keevituspõleti,
frees, pindade töötlemine).
Meditsiin
Elektroonika. Optiline side.
Elementaarosakeste füüsika
· Elementaarosakeste füüsika on füüsika haru, mis
uurib elementaarosakesi ja nende muundumisi
· Eesmärgiks on elementaarosakeste
süstematiseerimine ja eri vastastikmõjusid
ühendav teooria.
Vastastikmõjud looduses
Gravitatsiooniline vastastikmõju.
Oma olemuselt universaalne, gravitasioonile alluvad kõik kehad.
Väljendub kehade tõmbumises.
Elektromagnetiline vastastikmõju
Gravitatsioonilisest tugevam. Elektriliselt laetud kehade vahel
Tugev vastastikmõju
Tuumasisene mõju. Elektromagnetilisest oluliselt tugevam.
Nõrk vastastikmõju
Põhjustab aatomituumade lagunemist. Väga väikestel kaugustel,
nõrgem kui elektromagnetiline ja tugev vastastikmõju
Esimene mudel
Anaximenes Mileetosest
Kõik mateeriavormid seletuvad vaid ühe elemendi ­
õhu tihenemise ja hõrenemisega.
Kahjuks on ülilihtsal mudelil üks viga: ta pole õige!
Aeg on karmilt kohelnud ka ülejäänud mikromaailma
mudeleid möödanikust, ning kahtlemata ei jäta ta
puutumata nüüdseidki konstruktsioone.
Elementaarosakeste füüsika areng
Aatomit peeti jagamatuks osakeseks (Demokritos)
I etapp 1897 ­ 1932
I etapp
Eraldati aatomist elektron
Avastati prooton ja neutron. Neid peeti jagamatuteks.
II etapp 1932 ­ 1970
II etapp
Selgus et muutumatuid osakesi pole olemas. Kõik
elementaarosakesed muunduvad üksteiseks ja need
vastastikused muundumised on nende olemasolu
peamiseks faktiks.
III etapp 1970 kuni tänaseni
III etapp
Kõik osakesed on keerulise struktuuriga
Elementaarosake
Nimetus võeti kasutusele 1930ndatel aastatel,
siis nimetati nii osakesi, millest on ehitatud
maailm.
Nendeks osakesteks olid
elektron
prooton
neutron
footon
Selgus, et neutron eksisteerib vabas olekus
keskmiselt 15 minutit ja siis laguneb.
0
n 1
=> 1
H 1
+ 1
e 0
+ e
Looduses ei esine vabu neutroneid, aga
neid on võimalik vajadusel tekitada
tuumareaktsioonide käigus
LEPTONID
Osakesed, mis osalevad gravitatsioonilises, elektromagnetilises ja
nõrgas vastastikmõjus, ei osale tugevas vastastikmõjus.
Jagunevad kolme perekonda:
elektron ja elektronneutriino
müüon ja müüneutriino
tauon ja tauneutriino.
Igale osakesele lisandub temale vastav antiosake, mis on sama
massi ja spinniga, kuid vastasmärgiga ülejäänud osakest
iseloomustavate suurustega (laengutega)
Kohtumisel osake ja antiosake annihileeruvad, Selle
tulemusena tekivad uued osakeste ja antiosakesete paarid.
Leptonid
Leptonid on nõrga vastastikmõju osakesed
Tähis Nimi Laeng Mass
e elektronneutriino 0 0
e elektron 1 1
µ müüneutriino 0 0
µ müüon 1 207
tauneutriino 0 0
taulepton 1 3500
HADRONID.
Osakesed, mis osalevad kõikides vastastikmõjudes.
Nende hulka kuuluvad ka neutron ja prooton.
Koosnevad kvarkidest ja antikvarkidest
u- ja d-kvark,
s- ja c-kvark,
b- ja t-kvark
Kvargid moodustavad kolme kaupa kombineerudes
osakesi, samuti võivad nad muunduda üksteiseks
Prooton p=(uud), neutron n=(udd)
Kvargid
Kvargid on nõrga ja tugeva vastastikmõju osakesed
Tähis Nimi Laeng Mass
u up +2/3 8
d down 1/3 15
c charm +2/3 3000
s
strange 1/3 300
t top +2/3 3 105
b bottom 1/3 104
Meid ümbritseva tavamateeria ehitamiseks
läheb vaja vaid kolme elementaarosakest: u- ja
d-kvarki ning elektroni.
Kvargid kombineeruvad kolmekaupa, moodustades
prootoneid ja neutroneid
Prootonidest ja neutronitest koosnevad
aatomituumad
Tuumad koos elektronidega ühinevad aatomiteks,
viimased molekulideks
Aatomitest ja molekulidest koosnevad gaasid,
vedelikud ja tahkised - silmaga nähtavad
makromaailma komponendid.