Tuumafüüsika ja elementaarosakeste füüsika (0)

Tuumafüüsika
Millega tegelevad tuumafüüsikud?
Tuuma ehitus
Tuumareaktsioo­nid
Radioaktiivsus
Kiirgus
Termotuumareakt­
sioonid
2
Tuuma mõõtmed
Tuum on kerataoline keha aatomi keskmes, 
mille ümber tiirlevad elektronid.
Aatomi läbimõõt 10­10m
Tuum on umbes 100 000 
Tuuma läbimõõt 10­15m
korda väiksem kui  aatom
Tuuma on koondunud suurem osa aatomi 
massist.
Tema suurust mõõtis esmakordselt E. 
Rutherford 1911. aastal.
3
Tuuma koostisosakesed
4
1913.a.
     Tuuma koostisosakesed ­ nukleonid
1920.a.
Prooton
Neutron
Prootonite arv tuumas  Tuuma “täiteaine”
määrab keemilise 
elemendi.
Elektriliselt 
Prooton on positiivselt  neutraalselt laetud
laetud
Tavaliselt on tuumas 
Prootoni mass – 
neutronid  sama palju 
1836,1 elektroni massi ­
   1,6726 •  10­27 kg
kui  prootonid .
Prootoni mass on 
Neutroni mass – 
umbes kaks tuhat 
1838,7 elektroni massi 
korda suurem kui 
­1,6749 •  10­27 kg
elektronil
5
Henry  
Järjenumber 
Moseley
Keemiline tabel
= 
prootonite arv tuumas
tuumalaeng
6
Prooton­neutronmudel
Massiarv  on prootonite ja neutronite 
summa.
A = Z + N
A – massiarv
Z – prootonite arv ehk  laenguarv
N – neutronite arv
A
X – keemilise elemendi sü
X  mbol
Z
7
Näited
Heeliumiaatomi tuum –  alfaosake , 
4
mille massiarv on 4, laenguarv – 2
He
2
Uraaniaatomi tuum, mille 
massiarv on 238, laenguarv 92. 
Seega on selles 146 neutronit.
23 U
8
92
8
Isotoobid
Ühel elemendil võib 
1
Tavaline ehk 
olla erineva massiarvuga 
H
1
kerge  vesinik
tuumi, ehk teisiti 
neutronide arv võib olla 
erinev.
2 H  Deuteerium  ehk 
A X
1
raske vesinik
Z
Looduses esineval 92 
3
elemendil on praegusel 
H  Triitium  ehk 
1
üliraske vesinik
ajal teada kokku üle 300 
stabiilse  isotoobi
9
Vesiniku isotoobid
2 H
1
1H
3H
1
1
10
http://phet.colorado.edu/et/simulation/isotopes-and-atomic-mass
Aatommass
Aatommass mõõdetakse  aatommassiühikutes (u)
1 u = 1,66 ∙ 10­27 kg 
(see on 1/12 süsiniku aatomi massist)
Meenutame:
E = mc2
c = 3  ∙ 108 m/s 
1eV = 1,6  ∙ 10­19 J 
1MeV = 1,6  ∙ 10­13 J 
11
Tuumajõud
Tuum, prooton ja neutron pole kõvad kehad.
Prootonid ja neutronid püsivad koos tänu 
tõmbejõududele.
Prootonite vahel valitsevad tõukejõud.
Neutronite vahel elektrilisi jõude pole.
Tuumajõud on jõud, mis hoiavad 
prootonite ja neutronite tuumas koos.
12
Tuuma ehitus
Tuum on kihilise ehitusega
Tuuma osakesed asuvad teatud 
energiatasemel
Selleks, et täielikult vabastada 
prooton tuumast on vaja anda 
energiat.
Seda energiat mõõdetakse 
elektronvoltides (MeV)
13
Stabiilsed  tuumad
Tuuma stabiilsuse tingimused:
1.
Püsiva tuuma suurus on piiratud
2.
Prootonite kui ka neutronite 
energiatasemed peavad olema 
täidetud alates madalaimast
3.
Neutronite arv peab olema natuke 
suurem kui prootonite arv.
14
γ ­ radioaktiivsus
Mis juhtub, kui tuuma üks madalamaist 
energiatasemetest pole lõpuni täitunud?
(tuuma ei ole põhiseisundis)

Kõrgemalt tasemelt langeb prooton madalamale 
tasemele .
Ergastatud tuum läheb põhiseisundisse ja kiirgab 
γ( gamma ) – kvandi.
kui 1 cm paksune pliiplaat vähendab 
gammakiirgust poole võrra, siis sama efekti 
saamiseks peab betoon olema 6 cm paksune ja 
tihendatud pinnas 9 cm paksune. 
15
β ­  lagunemine
Kui tuumas on neutroneid liiga palju, siis 
tekib   
β – kiirgus.
Kui neutroneid liiga palju, siis osa 
neutronitest  muutub prootoniteks.
Vaba  tuumaga  sidumata neutron muutub 
prootoniks :
a
n
t
n → p+ + e− + v in
e
16
u
t
r
i
i
n
o
14
14
 -
β ­ lagunemine
 
C
 
 
N e
 
6
→ 7 + +υ
n → p+ + e− + v
Viimast osakest 
nimetatakse 
neutriinoks ("väike 
neutron", W. Pauli, 
1930)
17
α ­ lagunemine
Mis juhtub siis, kui tuum “tunneb”, et ta on 
liiga suur?
Püüab ta võimaluse korral väiksemaks 
laguneda.
 – o
sake on heeliumi tuum, mis koosneb 
kahest prootonist ja kahest neutronist.
238
 
U
  234
→
Th    4
+ He
92
90
2
18
poolestusaeg
On  ajavahemik , mille 
ln 2
jooksul radioaktiivse 
−
t
T
aine tuumade arv 
N = N e
0
väheneb pooleni 
esialgsest.
See võib  ulatuda  sekundi 
murdosast miljonite ja 
isegi miljardite 
aastateni.
19
Poolestusaeg (mõned näited)
3 H
1
12,3 a
14 C
6
5730 a
226 Ra
88
1622 a
235 U
8,9*108 a
92
238 U
4,5*109 a
92
234 Th
24,1 päeva
90
Lühidalt...
Alfa osake on heeliumi aatomi tuum.
Beeta osake on  elektron .
Gamma kiirgus on suure energiaga footonite  voog .
21
Radioaktiivsuse  avastamine
1896. a. märkas prantsuse füüsik  Antoine  
Becquerel, et valguskindlas pakendis 
fotoplaadid riknesid, kui nende lähedale 
asetati kolb uraanisooladega. 
Katsete  seeria  abil tegi ta kindlaks, et 
uraaniühendeist lähtub suure 
läbitungimisvõimega kiirgus, mis mõjub 
fotoplaadile analoogiliselt valgus­ või 
röntgenikiirtega. 
22
Radioaktiivsuse avastamine
Kuna uraani kiirguse intensiivsus ei 
sõltunud välistingimustest, vaid üksnes 
uraani kogusest,  luges  ta selle 
uraaniühendite sisemiseks omaduseks ­ 
radioaktiivsuseks
23
Radioaktiivsuse avastamine
Radioaktiivsuse teooria on loodud põhiliselt 
inglise füüsiku E.  Rutherfordi  poolt. 
Heeliumi eraldumine uraani (või raadiumi) 
kiirgusel viib mõttele aatomituuma 
lagunemisest. 
Seega pole ka  aatomituum  "algosake", vaid 
koosneb väiksematest 
elementaarosakestest. 
24
tuumareaktsioonid
Chadwicki  eksperiment , milles berülliumi ja 
heeliumi tuumade põrkel tekkis süsiniku 
tuum, on üks näide tuumareaktsioonidest.
2 Be+ H
4
e 12
→ C+ n
1
4
2
6
0
25
tuumareaktsioonid
  Tuumareaktsioon  on kahe 
aatomituuma või elementaarosakese ja 
aatomituuma kokkupõrge, mille 
tulemusena tekivad uued  aatomituumad  
ja/või elementaarosakesed.
26
Nihkereeglid
kui tuum kiirgab  alfaosakese , nihkub ta 
keemilises tabelis kaks kohta vasakule; 
kui tuum kiirgab beetaosakese, nihkub ta 
ühe koha võrra paremale; 
kui tuum kiirgab prootoni, nihkub ta ühe 
koha võrra vasakule; 
kui tuum kiirgab neutroni, jääb ta tabelis 
paigale. 
27
Tuumareaktsioonide võrdlemine 
keemiliste reaktsioonidega
Keemilistes reaktsioonides tekivad uued 
ained, tuumareaktsioonides aga uued 
keemilised elemendid
Tuumareaktsioonides vabanev energia 
on palju  kordi  suurem keemiliste 
reaktsioonide energiast.
28
Rutherfordi  reaktsioon
14 N + H
4
e 17
= O+ H
1
7
2
8
1
29
raadiumi lagunemine
226 Ra 214
→ Pb
4
+ 3⋅ He
88
82
2
30
Tuumade lõhustumine
Tuuma jagunemine 
kaheks.
31
Ahelreaktsioon
Tekib tuuma lõhustumisel, kuna tuuma 
lõhustumise käigus vabaneb 2­3 neutronit 
Võimalikud situatsioonid:
*reaktsioon lakkab
*toimub  plahvatus    *reaktsioon 
juhitav
Ahelreaktsioonil vabaneb suur 
hulk energiat
200 MeV iga 
tuuma kohta
32
Uraani ahelreaktsioon
Uraani on looduses kaks isotoopi –  uraan  235 ja uraan 
238, 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)
33
Tuumapomm
Ahelreaktsiooni tekkimiseks on vajalik teatud kriitiline 
mass ainet.
Kui aine mass on  kriitilise  massiga võrdne, siis 
reaktsioon toimub muutumatu kiirusega.
Kui aine mass ületab kriitilise massi, siis toimub 
plahvatus. Seda kasutatakse tuumapommides.
Pommid on uraanipommid või plutooniumipommid. 
Plutooniumi toodetakse spetsiaalsetes reaktorites.
Looduslikku uraani tuleb rikastada (suurendada uraan 
235  osakaalu ). 
Uraani kriitiline mass on 50 kg.
34
Tuumareaktor
Tuumareaktoreid 
kasutatakse 
tuumaenergia 
muutmiseks 
soojusenergiaks.
Tuumarelvas toimub 
ahelreaktsioon, 
tuumareaktoris on aga 
juhtvardad  ja aeglusti mis 
kõrvaldades li gsed 
neutronid  ja aeglustab 
nende li kumist.
35
Termotuumareaktsioonid
Termotuumareaktsioon on väga kõrgel temperatuuril 
toimuv kergete tuumade li tumine (sünteesireaktsioon)
1H2 + 1H3 = 2He4 + 0n1
Kuna reaktsioon toimub väga kõrgel temperatuuril, on 
tehniliselt raske saavutada juhitavat reaktsiooni.
Esialgu kasutatakse vaid termotuumapommides 
(Vesinikpommis)
36
Tuumareaktsioonid
Tuumareaktsioonid annavad võimaluse 
luua energiat suhtelisest väikesest kogusest 
ainest.
Kindlasti on sellel alal veel palju 
arenguruumi.
Samas on olemas ka omad ohud, sest 
jäätmed on radioaktiivsed.
Hoiatusmärgid radioaktiivse 
kiirguse eest 
37
TÄNAPÄEVA 
TUUMA-
FÜÜSIKA 
LABOR
38
Tuumafüüsika  rakendused
Tuumarelvad
Elektrienergia  tootmine
Radioaktiivsete isotoopide meetod (kivimite vanus)
Radioaktiivsete süsiniku meetod (kuni 60 000 a)
Meditsiin  (märgitud aatomite meetod, suunatud kiiritamine)
Hoiatusmärgid radioaktiivse 
kiirguse eest 
39
RADIOAKTIIVSUS
 Ehk tuumalagunemine on 
ebastabiilse (suure massiga) 
aatomituuma iseeneslik 
lagunemine.
 Selle protsessiga kaasneb 
radioaktiivne kiirgus.
 Samuti nimetatakse 
radioaktiivsuseks ebastabiilsete 
elementaarosakeste (nt 
neutron) lagunemist.
IONISEERIV KIIRGUS
 Ioniseeriv kiirgus koosneb suure energiaga 
osakestest  või lainetest, millel on piisavalt 
energiat, et rebida ära vähemalt üks elektron 
aatomi elektronkattest (s.t. ioniseerida  aatom ). 
 Osakeste voo või laine ioniseerimisvõime ei sõltu 
osakeste arvust, vaid iga konkreetse osakese 
ioniseerimisvõimest (energiast).
RADIOAKTIIVNE KIIRGUS
 Radioaktiivne kiirgus on ioniseeriv kiirgus. 
 Sõltuvalt kiirguse tüübist teeb ta seda otseselt 
(alfa­, beeta­ ja  gammakiirgus ) või  kaudselt  
(neutronkiirgus). 
 Ka röntgenkiirgus on ioniseeriv kiirgus, kuid 
selle energia (ja seega ka ioniseerimisvõime) on 
gammakiirgusest väiksem. 
  Ultraviolettkiirgus  ja nähtav valgus ioniseerivad 
vaid väheseid aineid, mille välise elektronkihi 
elektroni  seoseenergia  on piisavalt väike. 
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.
43
Tuumakiirguse bioloogiline toime
Somaatilised  kahjustused – tagajärjeks 
vähktõbi,  kiiritushaigus
Geneetilised kahjustused – tagajärjed 
avalduvad järglastes
44
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
45
Efektiivne doos
Ühik siivert (Sv)
Võrdne efektiivne doos ükskõik millist 
kiirgust tekitab samasuguse bioloogilise 
kahjustuse
46
KAHJUSTUSED
 0,5…1 Sv esimesed kiiritushaiguse tunnused
 2 …10 Sv silma katarakt
 4 Sv esineb 50% surmajuhtumeid
 6 Sv surm
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 
48
Образец текста
Второй уровень
●
Третий уровень
●
Четвертый уровень
●
Пятый уровень
49
RADOON
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. 
50
KOSMILISED KIIRED
 86 % prootoneid
 13 % heeliumi tuumi
 1 % raskemat tuumi
 Neutronkiirgus on radioaktiivse kiirguse liik, 
mille puhul tuumalagunemise (või 
tuumalõhustumise) tagajärjel kiiratakse  vabu  
neutroneid. 
 Neutronkiirgus on kaudselt ioniseeriv kiirgus.
Elementaarosakeste füüsika
Elementaarosakeste füüsika
Elementaarosakeste füüsika on füüsika haru, mis uurib 
elementaarosakesi ja nende muundumisi
Eesmärgiks on elementaarosakeste süstematiseerimine ja eri 
vastastikmõjusid ühendav teooria.
54
Vastastikmõjud looduses
Gravitatsiooniline vastastikmõju. 
    Oma  olemuselt  universaalne, gravitatsioonile  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 
55
Elementaarosakeste füüsika areng
Aatomit peeti jagamatuks osakeseks ( Demokritos )

I etapp     1897  – 1932

Eraldati aatomist elektron

Avastati prooton ja neutron. Neid peeti jagamatuteks.

II etapp   1932 – 1970

Selgus et muutumatuid osakesi pole olemas. Kõik 
elementaarosakesed muunduvad üksteiseks ja need 
vastastikused muundumised on nende olemasolu 
peamiseks faktiks.

III etapp  1970 kuni tänaseni

Kõik osakesed on keerulise struktuuriga
56
Elementaarosake
Nimetus võeti kasutusele 1930ndatel 
aastatel, siis nimetati nii osakesi, millest on 
ehitatud maailm.
Nendeks osakesteks olid 
●
elektron 
●
prooton 
●
neutron 
●
footon
57
Selgus, et neutron eksisteerib vabas olekus 
keskmiselt 15 minutit ja siis laguneb.
0n1 => 1H1 + ­1e0 +  ne 
Looduses ei esine vabu neutroneid, 
aga neid on võimalik vajadusel 
tekitada tuumareaktsioonide käigus
58
LEPTONID  
Osakesed, mis osalevad gravitatsioonilises, 
elektromagnetilises ja nõrgas  vastastik ­
mõjus, 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.
59
Leptonid
Leptonid on nõrga vastastikmõju osakesed
Tähis       Nimi                         Laeng             Mass     
ne            elektronneutri no                     0                 
       0
 e­            elektron                                 ­1                 
       1
nm           müü­neutri no                          0                   
     0  
m­           müüon                        ­1                      207        
nt           tau­neutri no                            0                   
     0  
t         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)
61
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 
Prootonitest ja neutronitest koosnevad 
aatomituumad
Tuumad koos elektronidega ühinevad 
aatomiteks,  viimased  molekulideks
Aatomitest ja molekulidest koosnevad 
gaasid, vedelikud ja tahkised ­ silmaga 
nähtavad makromaailma komponendid. 
63

Document Outline

• Slide 1
• Millega tegelevad tuumafüüsikud?
• Tuuma mõõtmed
• Tuuma koostisosakesed
•      Tuuma koostisosakesed - nukleonid
• Keemiline tabel
• Prooton-neutronmudel
• Näited
• Isotoobid
• Vesiniku isotoobid
• Aatommass
• Tuumajõud
• Tuuma ehitus
• Stabiilsed tuumad
• γ - radioaktiivsus
• β - lagunemine
• β - lagunemine
• α - lagunemine
• poolestusaeg
• Poolestusaeg (mõned näited)
• Lühidalt...
• Radioaktiivsuse avastamine
• Radioaktiivsuse avastamine
• Radioaktiivsuse avastamine
• tuumareaktsioonid
• tuumareaktsioonid
• Nihkereeglid
• Tuumareaktsioonide võrdlemine keemiliste reaktsioonidega
• Rutherfordi reaktsioon
• raadiumi lagunemine
• Tuumade lõhustumine
• Ahelreaktsioon
• Uraani ahelreaktsioon
• Tuumapomm
• Tuumareaktor
• Termotuumareaktsioonid
• Tuumareaktsioonid
• TÄNAPÄEVA TUUMA-FÜÜSIKA LABOR
• Tuumafüüsika rakendused
• RADIOAKTIIVSUS
• IONISEERIV KIIRGUS
• RADIOAKTIIVNE KIIRGUS
• Tuumakiirguse bioloogiline toime
• Tuumakiirguse bioloogiline toime
• Tuumakiirguse bioloogiline toime
• Efektiivne doos
• KAHJUSTUSED
• Looduslik kiirgusfoon
• Slide 49
• RADOON
• KOSMILISED KIIRED
• Slide 52
• Slide 53
• Elementaarosakeste füüsika
• Vastastikmõjud looduses
• Elementaarosakeste füüsika areng
• Elementaarosake
• Slide 58
• LEPTONID 
• Leptonid
• HADRONID 
• Kvargid
• Slide 63