Tuumafüüsika (0)

ISOTOOBID
Isotoobid kujutavad endast ühe ja sama prootonite arvuga (Z), kuid erinevate massiarvudega (A) tuumi, st erinevate neutronite (N) arvuga tuumi. Isotoobid on ühesuguste keemiliste omadustega, kuid nad erinevad radioaktiivsuse suhtes. Isotoobid on Mendeleejevi tabelis ühes ja samas ruudus. Igal elemendil on isotoobid, kuid kõikidel elementidel pole nad stabiilsed. Vesinikul on kolm isotoopi aatommassidega 1,2 ja 3. Isotoopi aatommassiga 2 nim DEUTREERIUMIKS, tema tuum sisaldab 1 prootonit ja 1 neutronit. Isotoopi aatommassiga 3 nim TRIITIUMIKS, tema tuum sisaldab 1 prootonit ja 2 neutronit. Deuteeriumi ühinemisel hapnikuga saame nn raske vee.
NIHKEREEGEL
Radioaktiivsed muundumised alluvad nn nihkereeglile, mille sõnastas inglise füüsik Soddi.
1) alfa – lagunemisel (eraldub alfa-osake, st He tuum) väheneb elemendi mass nelja aatommassi ühiku (2 prootoni + 2 neutroni mass) ja laeng 2 laenguühiku võrra (2 prootoni laeng). Selle tulemusel nihkub element Mendeleejevi tabelis 2 koha võrra ettepoole (nt 56 kohalt 54 kohale). X (all z, üleval m) -> m-4, z-2 Y +He (4,2) – heeliumi tuum. Tuumalaeng märgitakse vasakpoolse alumise ja aatommass vaskakpoolse ülemise indeksiga elemendi sümboli juurde. Nt U (üleval 239, all 92), Al (ül 27, all 13), H(1,1), H- deuteerium (2,1), H-triitium (3,1)
2) beeta lagunemisel (eraldub beeta osake, st tuumast lendab välja elektron ) ( neutron laguneb prootoniks ja elektroniks, elektron eraldub, aga prooton jääb tuuma) suureneb elemendi laeng ühe laenguühiku võrra (prootoni laeng), kuid tuuma mass jääb peaaegu muutumatuks, sest elektroni mass on väga väike võrreldes aatommassiühikuga - prootoni massiga. Selle tulemusel nihkub element Mendeleejevi tabelis ühe korra võrra tahapoole (nt 56 kohalt 57 kohale) X (ül M, all z) -> Y(ül M, all z+1) + e(üleval 0, all -1) – elektron
3) gamma lagunemisel tuuma laeng ei muutu (kiirguvad elektromagnetlained) ( gammakiired on neutraalsed) ja tuuma mass muutub väga vähe, kuna gamma kiired omavad väga väikest massi.
TUUMAJÕUD
Tuumaosakeste – prootonite ja neutronite vahel mõjuvad erilised jõud, mida nim TUUMAJÕUDUDEKS. Tuumajõud on looduses olevatest jõududest kõige tugevamad ja nende mõjuraadius on väike. Seetõttu võib tuuma kohta öelda, et ta on „lühikeste ätega hiiglane“.
TUUMA SEOSEENERGIA
Tuuma seoseenergia all mõistetakse seda energiat, mida läheb vaja tuuma täielikuks lõhkumiseks üksikuteks koostisosadeks. Energia jäävuse seaduse põhjal võib väita, et seoseenergia võrdub selle energiaga, mis eraldub tuuma moodustumisel üksikutest osakestest . Tuuma seoseenergia on väga suur ja ta sõltub tuuma massist. Mõõtes või teades tuuma täpset massi ja kasutades Einsteini valemit relatiivsusteooriast E=mcruut saab määrata tuuma seoseenergia.
URAANI TUUMADE LÕHUSTUMINE. AHELREAKTSIOONID
Tuumade muundumisi nim tuumareaktsioonideks. Tuumareaktsioonide eriliseks liigiks on aatomituumade lõhustumine, mille korral raske elemendi tuum jaguneb kaheks osaks (killuks), kiirates samaaegselt kaks-kolm neutronit ja ? kiiri . sealjuures eraldub tohutu energia. Uraanituuma lõhustumise avastasin 1938 a sakslased Hahn ja Strassmann. Neil õnnestus kindlaks teha, et uraanituuma pommitamisel neutronidega tekivad Mendeleejevi tabeli keskpaigas asuvad elemendid, nt krüpton, baarium , pallaadium jt. Nende elementide tuumade moodustamiseks on vaja vähem neutrone kui neid on uraanil, mille tõttu osa neutrone jääb üleliigseks. Need neutronid haaravad uusi uraani tuumi ja lõhuvad need uuteks kildudeks (uuteks elementideks). Nüüd juba vabaneb kahe kahe- või kolmekordne kogus neutroneid, mis kutsuvad esile uued jagunemised. Selles seisnebki ahelreaktsioon . eralduv energia on suur. Nt 1 kg uraanis leiduvate tuumade jagunemisel vabaneks sama energia, mis võrdub 2000 tonni söe põletamisel. Jagunemise protsessid toimuvad erakordselt kiiresti (praktiliselt silmapilkselt). Tohutu suure energiahulga eraldumine toimub tugeva plahvatusena. Ahelreaktsioon on võimalik uraani isotoobi U (ül 235, all 92) puhul. Plahvatus võib siiski toimuda ainult sel juhul kui uraani tükkide massid on suuremad teatud kindlast, nn kriitilisest massist (uraani puhul kriitiline mass on 50 kg – kera raadiusega 9cm. Kui kera on õõnes, siis on võimalik kriitilist massi vähendada 250 grammini)
AATOMPOMM
Aatompommi plahvatusel toimub ahelreaktsioon. Pommi kestas on kaks uraani tükki, millede massid on väiksemad kriitilisest. Kokku nad ületavad kriitilise massi. Pommi lõhkemiseks lähendatakse neid tavalise plahvatuse abil ( see võib toimuda nt pommi kukkumisel). Seejärel toimub ahelreaktsioon ja aatompommi plahvatus.
TERMOTUUMAREAKTSIOONID
Tuumaenergiat võib saada ka kergete elementide tuumade ühinemise teel. Heeliumi tekkimine vesinikust – heeliumi tuum koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist. Ta võib tekkida vesiniku isotoopidest deuteeriumist ja triitiumist. Kui viimaseid lähendada, siis võivad nad sattuda tuuma külgetõmbejõudude mõjusfääri. Selleks, et saavutada see mõjusfäär, peab tekitama kõrge temperatuuri – miljonid ja kümned miljonid kraadid . Väga kõrgetel temperatuuridel kulgevaid tuumareaktsioone nim termotuumareaktsioonideks. Tuuma külgetõmbejõud seovad kaks neutroni ja kaks prootoni püsivaks süsteemiks, mis kujutab endast heeliumi aatomit. Kulgeb järgmine reaktsioon , mis saab toimida ainult kõrgete temperatuuride juures. Ülejäänud neutron lendab suure kiirusega minema. Seejuures eraldub tohutu energia, umbes 10 korda suurem, kui raskete elementide tuumade jagunemisreaktsioonide puhul – ahelreaktsioonide puhul. Niisugused reaktsioonid toimuvad ka Päikese ja tähtede sisemused. Ka vesinikupommis
VESINIKUPOMM
Vesinikupommis toimub deuteeriumi ja triitiumi reaktsioon. Kõrge temperatuuri saavutamiseks tekitatakse eelnevalt vesinikupommis aatompommi plahvatus. See on juhtimatu protsess. Juhiavate termotuumareaktsioonide realiseerimine annaks inimkonnale ammendamatu energiaallika. Siiani seda saavutatud ei ole.
TUUMAREAKTOR
Seadet, milles kulgeb juhitav ahelreaktsioon nim tuumareaktoriks. Tuumareaktoti põhilisteks elementideks on : 1) tuumakütus U (ül 235, all 92), U (238, 92) ja Pu (239, 94). 2) neutronite aeglusti (vesi, raske vesi, grafiit), 3) soojuskandja soojuse väljaviimiseks (vesi, vedel naatrium, süsihappegaas), 4) ahelreaktsiooni kiiruse reguleerimise seade (vardad, mis sisaldavad kaadiumi või boori , st aineid, mis neelavad hästi neutroneid). Loodusliku uraani kiiritamisel aeglaste neutronitega neeldub enamus neutronitest mitte uraani U (238, 92) vaid uraani (235,92) tuumades ning kutsub esile nende tuumade lõhustumise. Et tekitada ahelreaktsiooni looduslikus uraanis, tuleb vähendada neutronite kiirust. Ruumi, milles toimub ahelreaktsioon, nim reaktori aktiivtsooniks. Reaktori tööd juhitakse tema aktiivtsooni viidavate juht- ehk reguleervarraste abil. Enne reaktori käivitamist on juhtvardad täielikult aktiivtsooni viidud . Vardad neelavad suurema osa neutronitest ega lase ahelreaktsioonil tekkida. Reaktori käivitamiseks viiaks ejuhtvardad osaliselt aktiivtsoonist välja ja jäetakse sellisesse asendisse, et energia eraldumine toimuks ettenähtud kiirusega. Et vähendada neutronite kadu aktiivtsoonist, ümbritsetakse see neutronipeegeldiga, mis suunab aktiivtsoonist väljunud neutronid sinna tagasi. Aktiivtsooni ja peegeldit ümbritseb kiirguskaitse, mis sisuliselt on jahutussüsteem ja milles tsirkuleerib vesi või mingi teine jahutusvedelik . Eraldunud energia muudab vee aurugeneraatoris auruks, mis käivitab turbiini ja see omakorda generaatori. Oma töö ära teinud aur kondenseerub kondensaatoris ja suundub uuesti aurugeneraatorisse. Esimese juhitava ahelreaktsiooni pani käima USA teadlaste kollektiiv Fermi juhtimisel
RADIOAKTIIVSE KIIRGUSE BIOLOOGILINE TOIME
Radioaktiivsus häirib elusorganismide rakkude tegevust, st vigastab rakke. Suure kiirgusdoosi korral hukkuvad elusorganismid. Kiirguse ohtlikkust suurendab veel see, et kiirgus isegi surmavates doosides ei tekita valuaistinguid. Kiirgus mõjutab ka pärilikkust ebasoovitavas suunas. 1945 a USA poolt heidetud aatompommid Jaapani linnadele on avaldanud mõju kiiritust saanud inimeste järglastele. Kiirgust väikestes doosides kasutatakse meditsiinis nt pahaloomuliste kasvajate kahjustamiseks. Vähkkasvajaid kiiritatakse gamma kiirgusega. Kasutatakse ka põllumajanduses, kuna kiiritus võib põhjustada omaduste muutusi soovitud suundades nii taimedes kui ka loomade organismides
ELEMENTAAROSAKESED
Kreeka filosoofis nimetasid jagamatuid osakesi aatomiteks. 19 sajandi lõpus avastati aatomite keerukas ehitus. Tehti kindlaks, et aatomid koosnevad elektronidest, prootonitest ja neutronitest. Neid osakesi peeti jagamatuteks ja muutumatuteks algosakesteks ja nimetati elementaarosakesteks. Hiljem selgus, et muutumatuid osakesi pole üldse olemas. Osutus, et neutron laguneb prootoniks, elektroniks ja neutriinoks. Seetõttu elementaarosakese termin osutus küllaltki tinglikuks. Elementaarosake on mikroosake, mis võtab kõigist tänapäeval tuntud füüsikalistest protsessidest osa jagamatu tervikuna. Neutron on ka elementaarosake, sest ta ei koosne elektronist, prootonist ega neutriinost, vaid viimased tekivad neutroni lagunemise hetkel, täpselt samuti nagu footon tekib aatomi üleminekul ergastatud olekust normaalolekusse. Tänapäeval teatakse, et ükski osake pole igavene. Enamus praegu tuntud elementaarosakestest ei eksisteeri üle miljondiku sekundi. Laualambist kiirgunud footon (valguse osake) ei ela kauem kui 10 astmes -8 sekundi. Kõik elementaarosakesed muunduvad vastastikku ja need vastastikused muundumised on elementaarosakeste eksisteerimise peamiseks faktiks. Elementaarosakeste maailmas toimuvad osakeste muundumised, mitte aga osakeste koostisosakesteks lahutamine.
ANTIOSAKESED
Juba 1928 a inglise füüsik Dirac ennustas uue osakese (elektroni teisiku ) olemasolu, mille mass pidi võrduma elektroni massiga, kuid laeng positiivse elementaarlaenguga (elektroni laengut nim elementaarlaenguks ). Ennustatud osake – positron – avastati eksperimentaalselt 1932 a. Teineteisega kohtumisel elektron ja positron annihileeruvad (kaovad) tekitades suure energiaga footoneid st muunduvad valguskvantideks (footoniteks). Footonid võivad ka elektron-positronpaari tekitada. Hiljem avastati ka teistele osakestele teisikud (antiosakesed). Tänapäeval on kindlaks tehtud, et kõikidel osakestel on antiosakesed. Kui osake kohtub oma antiosakesega, siis toimub annihileerumine, st mõlemad osakesed kaovad muundudes footoniteks või teisteks osakesteks. On avastatud ka antiprooton ja antineutron. Mõnede neutraalsete osakeste, nt neutroni, footoni jt endi ja nende antiosakeste füüsikalised omadused on täiesti ühesugused. Selle loetakse neid üheks ja samaks osakeseks.
ANTIAINE
Aatomid, mille tuum koosneb antinuklonidest (antiprootonitest ja antineutronitest), elektronkate aga positronidest, moodustavad antiaine. 1971 saadi endises NSVL antiheelium. Antiaine ja vastava aine annihileerumisel muundub seisuenergia (energia, mis keha omab paigalseistes) tekkinud osakeste kineetiliseks energiaks. Seisuenergia on kõige grandioossem ja kontsentreeritum energia universumis. Seoseenergia vabaneb ainult annihilatsioonil, tähenab antiaine on kõige täiuslikum energiaallikas. Siiani seda energiat ei osata saada ega kasutada.
NEUTRONI LAGUNEMINE . NEUTROONI AVASTAMINE
Beeta lagunemisel lendab tuumast välja elektron, kuid neid seal ju pole, sest tuum on positiivne, aga elektronil on negatiivne laeng. Asi on selles, et neutron laguneb prootoniks ja elektroniks. Sealjuures tuuma massiarv ei muutu, tuuma laeng aga suureneb ühe ühiku võrra, sest elektron eraldub (peaaegu ei muuda massi, kuna elektroni mass on tühiselt väike võrreldes prootoni massiga), prooton jääb tuuma, tekitades ühe laengu juurde. Uurides energiat, selgus, et lähtetuuma energia ei võrdu uue tuuma ja elektroni energia summaga – osa energiat kaob kuhugi . Šveitsi füüsik Pauli oletas 1930 a, et prootoni ja elektroni sünniga neutronist sünnib veel mingi nähtamatu osake, mis viib kaasa osa energiat. Sellel osakesel puudub seisumass ja laeng, mistõttu on raske teda avastada . Seda osakest nim neutriinoks. 26 aasta pärast neutriino teoreetilist avastamist tõestati tema olemasolu ka eksperimentaalselt. Hiljuti selgus, et neutriinol on siiski seisumass, st ta eksisteeriks ka paigalseistes. Tema antiosake on antineutriino.
KUI PALJU ON ELEMENTAAROSAKESI?
Osa teada olevatest elementaarosakestest kannavad seda nime teenimatult, sest võib olla nad veel jagunevad meile praegu teadmatul viisil. Nad võivad olla liitosad. Praegu on avastatud umbes 40 stabiilset ja suhteliselt stabiilset osakest. Neid nim metastabiilseteks osakesteks. Nende eluiga pole lühem kui 10 astmes -17 sekundit. Peale nende on avastatud veel suur hul väga väikse elueaga – umbes 10 astmes -22 s osakesi. Neid nim resonantsosakesteks. Nende osakeste arv ületab 200 piiri. Elementaarosakesed on jaotatud 4 rühma nende seisumassi järgi. Esimese rühma moodustab footon üksi – temal puudub seisumass, st ta võrdub nulliga. Viimases rühmas on rasked osakesed, sealhulgas ka prooton ja neutron. 1963 a esitasid sakslased M. Gell- Mann ja G-Zweig hüpoteesi, mille kohaselt on looduses olemas erilised osakesed – kvargid ja et kõik teised osakesed koosnevad 6 põhiosakesest – kolmest kvargist ja kolmest antikvargist, kusjuures iga osake moodustab erineva kvarkide kombinatsiooni